CC BY
97
С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов, М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Елчуев,
Р. Т. Валеева, Р. М. Нуртдинов, А. М. Буйлин
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС УЧЕБНОЙ ЛАБОРАТОРИИ
ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
Ключевые слова: биоконверсия растительного сырья, гидролизер, инокулятор, биореактор вытеснения, бродильная активность. bioconversion of vegetable raw materials, hydrolyser, inoculator, displacement bioreactor, fermentation activity.
Создан единый технологический комплекс учебного назначения в составе лабораторной мельницы для измельчения сырья, установки для подготовки гидролизующих агентов, гидролизера, инокулятора, ферментера, установки для оценки интенсивности бродильных процессов под вакуумом и при обычном давлении, установки для доочистки сточных вод с использованием высших растений.
There is created a united educational complex consisting of laboratory mill for grinding raw materials, installation for preparing hydrolytic agents, hydrolyser, inoculator, fermenter, installation for evaluation of fermentation activity in vacuum and at atmospheric pressure, installation for refining waste water after treatment with the use of higher vascular plants.
Биоконверсия возобновляемого растительного сырья в топливо, кормовые и пищевые продукты, полупродукты для микробиологической промышленности рассматривается в настоящее время как одна из ключевых задач биотехнологии. Инновационный характер современного образования требует соответствующего технического и методического обеспечения, интегрированных в рамках единой лаборатории энерго- и ресурсосберегающих технологий. В Казанском государственном технологическом университете создан единый технологический комплекс учебного назначения в составе лабораторной мельницы для измельчения сырья, установки для подготовки гидролизующих агентов, гидролизера, инокулятора, ферментера, установки для оценки интенсивности бродильных процессов под вакуумом и при обычном давлении, установки для доочистки сточных вод с использованием высших растений.
В гидролизере (рис. 1) объемом 6 л могут быть реализованы процессы гидролиза и фермен-толиза измельченных растительных (целлюлозо- и крахмалсодержащих) материалов минеральными и органическими кислотами, щелочами и ферментными препаратами при избыточных давлениях до 0,35 МПа и температуре до 145 °С. После одновременной загрузки всех компонентов, образовавшаяся суспензия гидролизуемого материала быстро нагревается до заданной температуры с помощью «внешнего» нагревателя, представляющего собой спираль в керамической изоляции, намотанную вокруг корпуса аппарата. При достижении заданной температуры, «внешний» нагреватель отключается и включается автоматический терморегулятор, подающий напряжение на встроенный нагреватель патронного типа. В ходе процесса гидролиза отбор проб осуществляется через
Рис. 1 - Гидролизер
сетчатый фильтр, установленный на уровне середины столба жидкой фазы, и холодильник типа «труба в трубе». При загрязнении фильтра его очистка осуществляется за счет кратковременной подачи сжатого воздуха в пробоотборное устройство. Изучение процессов гидролиза и их оптимизация предполагают получение информации об энергозатратах. С этой целью обеспечена возможность измерения мощности, потребляемой приводом мешалки гидролизера.
С целью оценки биологической доброкачественности гидролизатов и ферментоли-затов создана лабораторная установка (рис. 2), позволяющая измерять скорость брожения,
в том числе при пониженном давлении. Процессы проводятся в качалочных колбах при регулируемом давлении в газовой фазе. При проведении процессов при атмосферном давлении оценка интенсивности брожения осуществляется по показаниям барабанного счетчика, измеряющего количество продуцируемого углекислого газа. При реализации процесса брожения под вакуумом, пары спирта конденсируются в спиртоловушках, представляющих собой отрезки бюреток. Таким образом, по завершении процесса брожения и отгонки можно легко рассчитать среднюю скорость продуцирования этанола. Погружной холодильник обеспечивает поддержание температуры в термостате со спиртоловушками на уровне 0 ^ +1 °С.
Для исследования и отработки режимов выращивания инокулята и посевного материала разработан лабораторный биореактор вытеснения (рис.3) с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания, не содержащий сальниковых устройств или других механизмов герметизации ввода механической энергии. Однако, возникают проблемы распределенного контролируемого ввода компонентов газового питания и части жидкостных потоков, отвода метаболического тепла и др., которые крайне сложно разрешимы для аппаратов сравнительно большого объема. Но для аппаратов малого геометрического размера - лабораторных и пилотных биореакторов, инокуляторов отделений приготовления чистых культур эти проблемы не столь значимы.
Вследствие отсутствия перемешивающего устройства, биореактор вытеснения может быть предельно заполнен мембранными элементами. Таким образом, удельная поверхность мембраны в 2 - 3 раза превышает величину, достигаемую в существующих моделях аппаратов перемешивания с мембранными устройствами подвода газового питания. Рациональное размещение патрубков трубчатых мембран позволило увеличить удельную поверхность мембран до 155 м2/м3.
Отбор жидкости и образующегося углекислого газа производится из штуцера, расположенного в верхней части аппарата. Газожидкостная смесь поступает в циклонное устройство разделения, из которого газовый поток подается на барабанный счетчик, снабженный датчиком положения стрелки прибора. Измерение концентраций водородных ионов и растворенного кислорода производится в рециркуляционном контуре, время пребывания
Рис. 2 - Установка измерения бродильной активности
потока в котором при движении жидкости от аппарата до измерительной ячейки не превышает 6 секунд.
Для реализации процессов микробиологического синтеза создана автоматизированная установка с легко разборным реактором объемом 6 л (рис.4). Анализ и управление процессами аэробного синтеза осуществляются на основе расчета газового баланса с использованием метода парциальных обменов Ерошина-Минкевича и уравнений связи метаболических скоростей, получаемых преобразованием выражений стехиометрических инвариантов.
Для исследования процессов очистки сточных вод может использоваться как сам биореактор, так и дополнительно создающиеся установки барботажного типа, а также планируемая секционированная установка доочистки воды с использованием высших растений. Установка, состоящая из 4 секций, позволит в условиях регулируемой температуры, состава газовой смеси и освещенности изучать кинетику процесса очистки сточных вод от растворимых загрязнений при временах пребывания потока от 4 до 10 суток.
Рассматриваемый комплекс аппаратуры обеспечивает выполнение лабораторных практикумов в рамках курсов «Энерго- и ресурсосбережение в биотехнологии», «Микробиологический синтез»,
«Экологическая биотехнология». Наиболее значимым является то, что сами установки, входящие в комплекс, их технические испытания и наладка осуществлены при участии студентов в ходе выполнения ими курсовых и дипломных работ.
Найденные оригинальные технические решения могут послужить основой разработки типового комплекта аппаратуры для биотехнологических лабораторий вузов России.
Рис. 3 - Инокулятор с мембранным устройством газового питания
Рис. 4 - Легко разборный универсальный биореактор
Литература
1. Мухачев, С.Г. Разработка биотехнологического комплекса для научно-учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С. Г. Мухачев [и др.]// Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы науч. - практ. конф. - Казань: ТГГПУ, 2009. -С. 248-253.
2. Шавалиев, М.Ф. Лабораторный реактор вытеснения с мембранным устройством стерилизации кислорода / М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев // II Всероссийская студенческая научно - техническая конференция «Интенсификация тепло - массообменных процессов, промышленная безопасность и экология»: докл. - Казань: Бутлеровское наследие, 2007. - С. 45.
3. Мухачев, С.Г. Организация производства топливного спирта в Республике Татарстан / С.Г. Мухачев, И.С. Владимирова, Р.Т. Валеева // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2006. - №5. - С. 21 -26.
4. Нуртдинов, Р.М. Лабораторная установка для исследования процессов гидролиза растительного сырья / Р. М. Нуртдинов [и др.] // Материалы международной науч. - прак. конф., выпуск 11 Марийский государственный университет. - Йошкар - Ола. - С. 468-470.
© С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доцент, зав. лаборатории «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» КГТУ; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ; М. Ф. Шавалиев - техник той же кафедры; Р. Т. Елчуев - асп. той же кафедры; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Р. М. Нуртдинов - асп. той же кафедры; А. М. Буйлин - вед. электроник кафедры химической кибернетики, e-mail: [email protected].
