CC BY
114
УДК 663.14
И. Р. Исламгулов, И. В. Шагивалеев, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, О. В. Федорова
ЭРЛИФТНЫЙ ФЕРМЕНТЕР ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Ключевые слова: эрлифтный ферментер, инокулятор, испытание, диффузор-теплообменник, технологическая схема.
В целях повышения надежности работы биореакторного комплекса и рентабельности производства биопродуктов, сконструирован эрлифтный ферментер с диффузором - теплообменником типа труба в трубе, предназначенный для получения посевного материала чистых аэробных и факультативно-анаэробных бактериальных культур, используемых для засева продуктовых биореакторов.
Key words: airlift fermenter, inoculator, trial run, exchanger-diffuser, process diagrams.
In order to increase the reliability of work of the complex bioreactor and profitability of production of biological products, is designed an airlift fermenter with a diffuser the type of heat exchanger tube in tube intended for obtaining pure of sowing material the aerobic and facultative anaerobic bacterial cultures used to inoculate the grocery bioreactors.
Введение
Во всех биотехнологических системах для выращивания посевных культур применяются биореакторы малого объема. Как правило, это аппараты с устройствами механического перемешивания, усложняющими конструкцию и увеличивающими стоимость аппаратов. Поэтому перспективным является применение инокуляторов и посевных аппаратов барботажно-эрлифтного типа и иных конструкций, не содержащих подвижных элементов [1, 2].
Объектом разработки является ферментер-инокулятор для выращивания чистых аэробных и факультативно-анаэробных бактериальных культур, используемых для засева продуктовых биореакторов.
Инокулятор представляет собой барботажно-эрлифтный аппарат с центральным диффузором ниспадающего потока, в котором перемешивание жидкой фазы осуществляется за счет энергии вводимого воздуха (рис. 1). Такая конструкция выбрана с учетом экономической
нецелесообразности использования реакторов с механическими перемешивающими устройствами. В первую очередь, при любом уплотнительном устройстве не исключается возможность проникновения посторонней микрофлоры. А использование магнитных муфт существенно увеличивает стоимость аппарата, что не приемлемо при разработке малых биотехнологических линий.
Преимуществом разрабатываемого инокулятора является высокая надежность, простота конструкции и обслуживания, возможность автоматизации любых операций.
Обеспечение асептических требований предъявляемых к процессам, где перемешивание происходит за счет энергии вводимой с газовой фазы, осуществляется за счет использования периодически стерилизуемых паром фильтров на основе спеченных порошков никеля или микропористого фторопласта.
Экспериментальная часть
Инокулятор представляет собой цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем и плоской крышкой. Отношение высоты инокулятора к его диаметру равно 2,5. Геометрический объем инокулятора - 70 л, рабочий объем - 50 л. Общий вид инокулятора представлен на рисунке 1.
Диффузор-теплообменник изготовлен из тонкостенных труб, имеет диаметр 129 мм [3], на подводимых штуцерах к обечайке инокулятора (рис. 2).
Рис. 1 - Эрлифтный ферментер
Рис. 2 - Диффузор-теплообменник
На крышке располагается смотровое окно, гильза для установки контрольного термометра, штуцер отвода отработанного воздуха, штуцер для установки датчика пены.
На крышке инокулятора установлен штуцер для датчика пены, в перспективе возможна автоматическая подача химического пеногасителя.
Ввод всех компонентов, включая охлаждающую воду и воздух, осуществляется через штуцеры с
электромагнитными клапанами, расположенных на цилиндрической стенке сосуда. Здесь же, в нижней части аппарата, расположены штуцеры для установки датчиков рН и температуры.
Автоматическое регулирование предлагается реализовать относительно температуры жидкости в инокуляторе и рН культуральной жидкости. Установленные клапаны позволяют обеспечить автоматическую подачу титрующих агентов.
Слив культуральной жидкости осуществляется через центральный штуцер, расположенный на днище аппарата.
На обечайке в нижней части аппарата имеется пробоотборное устройство, стерилизуемое паром.
Аэрация осуществляется через кольцевой барботер, установленный в нижней части аппарата в кольцевом пространстве, образованном обечайкой и диффузором. Общая площадь отверстий перфорации по условиям стабильности газового потока должна быть не выше площади входного отверстия, но при запасе давления это условие не является жестким.
Все детали, контактирующие с жидкой фазой, изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т или аналогичной по коррозионной стойкости, прокладки изготовлены из фторопласта марки Ф4 и силиконовой резины.
Схема технологической обвязки инокулятора представлена на рисунке 3.
Вода яд.
Рис. 3 - Схема технологической обвязки инокулятора
Воздух на аэрацию подается через ротаметр, затем проходит стерилизующую фильтрацию через стерилизуемый паром фильтр. При этом краны 6 и 18 открыты, а 17 и 20 закрыты. Давление воздуха и его расход устанавливаются с помощью газового редуктора и вентиля 19. Контроль расхода осуществляется с помощью ротаметра.
Жидкие компоненты подаются через штуцеры, расположенные на обечайке аппарата, краны 1 и 7 -9. На линиях ввода пеногасителя и щелочи установлены клапаны 12 и 13, а на линии ввода кислоты (аварийная корректировка рН) - привод 14 с электродвигателем. Открытие клапанов и крана на линии ввода жидких компонентов питания осуществляется кнопками вручную.
Отработанный воздух отводится через штуцер, расположенный на крышке аппарата, и должен
направляться на общий выходной фильтр производственного комплекса перед сбросом в атмосферу. Открытие линии сброса отработанного воздуха осуществляется краном 16.
Стерилизация трубопроводов и арматуры осуществляется одновременно со стерилизацией инокулятора обратным потоком пара. Пар подается через кран 2 под крышку аппарата. При этом все другие краны закрыты. При достижении избыточного давления в аппарате 0,1 МПа образовавшийся водяной конденсат сбрасывается постепенно путем медленного открытия крана 5. После сброса конденсата аппарат продувается паром в течение 5 минут. Затем кран 5 закрывается и производится продувка паром линий ввода компонентов питания путем открытия вентилей 1 и 7 - 9. При этом кран 14 также должен быть открыт. Продувка осуществляется в течение 30-40 минут. Затем аналогично путем открытия кранов 5 и 10 продуваются продуктовая линия и линия отбора проб. Затем стерилизуются линия отвода воздуха и входной фильтр воздуха путем открытия кранов 15, 17, и 20. Конденсат при этом может собираться в сборник (если имеется сборник конденсата) или сбрасываться в канализацию.
Засевной штуцер расположен на крышке инокулятора. Его стерилизация осуществляется совместно с сосудом инокулятора. Засев осуществляется путем ввода наконечника шланга от качалочной колбы через пламя спиртового жгута, уложенного в чашку штуцера.
С целью повышения точности и надежности поддержания рабочей температуры в технологической обвязке инокулятора
предусмотрена двухконтурная система
терморегулирования (представлена на схеме, рис. 3). В накопительном баке - емкости с дистиллированной водой - вода охлаждается с помощью медного змеевкового теплообменника водопроводной водой. Регулятор температуры в этой емкости отсутствует. Вода из емкости-накопителя подается в диффузор-теплообменник инокулятора циркуляционным насосом ЦЫТРЦМР LPA 20-60 В постоянно. При этом она проходит через нагревательную ячейку с ТЭНом патронного типа мощностью 1 кВт, где в поток вводится дополнительное количество тепла таким образом, чтобы температура в инокуляторе была стабильной. Это обеспечивается регулятором ТРМ 210 с автоматической настройкой, обрабатывающим сигнал с датчика температуры ДТС054-pt100.B3.120/1-T4. Данный тип регулятора выбран из условия оптимального соотношения «цена-качество». При этом использован датчик российского производства.
Экспериментальные исследования состояли в оценке «выбега» температуры при отсутствии отвода тепла из первичного контура термостабилизации. При уставке температуры на 23,5°С «выбег» температуры составил 1,9°С (максимальная температура 25,4°С). При этом температура в помещении составляла 25°С.
Регулятор температуры работал в позиционном режиме, без инициации ПИД-регулирования.
Выводы
Сконструирован, изготовлен и готов к эксплуатации эрлифтный ферментер,
предназначенный для наработки посевного материала бактериальных культур.
Приборное оснащение инокулятора обеспечивает автоматическую регуляцию рН и температуры культуральной жидкости.
Максимально возможный подъем температуры за счет аккумуляции тепла в нагревательном элементе системы терморегуляции, не превышает 2°С (при любом сбое или полном отказе системы терморегулирования и отсутствии подачи
водопроводной воды), что обеспечивает устойчивость технологического процесса.
Литература
1. С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, А.М. Буйлин, Вестник Казанского технологического университета 6, 241-244, (2009).
2. Р.М. Нуртдинов С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, И.В. Шагивалеев, И.А. Якушев, Вестник Казанского технологического университета 2, 143-147, (2011).
3. И.Р. Исламгулов, О.В. Федорова, Материалы XV Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, Россия, Апрель 13-14, 2016). Казань, 2016. С. 175-177.
© И. Р. Исламгулов, магистрант 2 курса группы 615-М8 КНИТУ, [email protected]; И. В. Шагивалеев, вед. инженер кафедры химической кибернетики КНИТУ; С. Г. Мухачев, канд. техн. наук доцент той же кафедры; Р. Т. Валеева, канд. техн. наук доцент той же кафедры; О. В. Федорова, магистрант 2 курса группы 615-М9 КНИТУ.
© I. R. Islamgulov mаster, Depаrtment оf Chem^l СуЬег^^, KNRTU, [email protected]; I. V. Shagivaleev principal engineer, Departament оf Chem^l СуЬех^^, KNRTU; S. G. Muhachev cаndidаte оf Летюа1 science, аssоciаte Prоfessоr Depаrtment оf Chem^l Cуbernetics, KNRTU; R. T. Valeeva cаndidаte оf chem^l science, аssоciаte Prоfessоr Depаrtment оf Chem^l Cуbernetics, KNRTU; О. V. Fedorova mаster, Depаrtment оf Chem^l Cуbernetics, KNRTU.
