CC BY
67
Краткие сообщения
УДК 676.024.45
О ПРОЦЕССЕ ЖИДКОФАЗНОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
© В.В. Еременко, П.П. Кормилец, З.Н. Власенко, А.П. Руденко
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск (Россия) Е-тэИ: mapt@sibstu.kts.ru
Приведены результаты исследований распределения концентраций модельного субстрата в рабочем объеме емкостного аппарата с ротором геликоидного типа и аппарата стандартной конструкции. Как оказалось, емкостной аппарат обеспечивает более равномерное перемешивание. При этом равновесное состояние наступает раньше, чем в аппарате стандартной конструкции.
Ключевые слова: аппарат емкостной, культивирование глубинное, микроорганизмы.
Важной задачей современной биотехнологии является разработка и совершенствование методов культивирования различных микроорганизмов. Традиционный метод глубинного культивирования в жидких средах в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами, как известно, является универсальным для выращивания микробиологических объектов. Большинству микроорганизмов для максимального накопления биомассы или выхода определенного целевого продукта требуются строго определенные условия. Неоднородность условий (в первую очередь концентрации питательного субстрата) в рабочем объеме культиватора может существенно снизить эффективность промышленного процесса [1-3]. В этом случае не вызывает существенных возражений утверждение об актуальной необходимости использования в этих условиях конструкции аппарата, обеспечивающего максимальную гомогенность среды по всему рабочему объему, что, в свою очередь, позволяет существенно увеличить выход целевого продукта.
В промышленности для обеспечения процесса вынужденного перемешивания используют механическую энергию вращающегося органа в аппаратах данного функционального назначения. Траектории потоков суспензии или линии тока в проточной полости аппаратов для перемешивания под действием мешалки могут иметь следующие конфигурации: а) радиальные линии тока - в проточной полости аппаратов с турбинными мешалками с прямыми лопатками и с вертикальными отражательными перегородками на боковой внутренней поверхности корпуса; б) осевые линии тока - в проточной полости аппаратов с пропеллерными или турбинными с наклонными лопатками.
В аппаратах для перемешивания суспензий с использованием турбинных или пропеллерных мешалок без установки на внутренней боковой поверхности корпуса вертикальных отражательных перегородок по осевой линии сверху вниз имеет место образование при перемешивании центральной вихревой воронки [4, 5]. Наличие центральной вихревой воронки, прогрессирующей при увеличении окружной скорости вращения мешалки до уровня нахождения мешалки, как правило, резко снижает эффективность процесса перемешивания рабочей суспензии.
Все созданные системы для перемешивания в жидкой фазе до настоящего времени представляют собой сосуд цилиндрической формы для помещения суспензии и механическое устройство для создания турбулентности. Аппарат стандартной конструкции обеспечивает, по утверждению авторов [4, 5], достаточно интенсивное перемешивание для большинства суспензий, используемых в производственных процессах в различных отраслях промышленности. Данный аппарат снабжен турбинной мешалкой с шестью прямыми ровными лопатками.
Что же касается процесса перемешивания, то в настоящий момент сохранился значительный разрыв между теорией и практикой, заключающийся в отсутствии аналитических зависимостей, позволяющих достаточно достоверно производить расчеты полей скоростей и давлений в проточной полости перемешивающих аппаратов. Это, в свою очередь, исключает наличие необходимых представлений о реальном режиме движения суспензии, что мешает выполнить оптимизацию процесса перемешивания в отношении производимых на его осуществление энергетических затрат.
Продуктивно используя результаты предварительно выполненных теоретических и экспериментальных исследований, авторы разработали принципиально новый многофункциональный емкостной аппарат [6] для выполнения следующих операций: а) равномерное распределение питательной среды по всему объему аппарата; б) исключение пенообразования в жидкой среде; в) увеличение качественных показателей готового продукта.
* Автор, с которым следует вести переписку.
1S6
В.В. Еременко, П.П. Кормилец, З.Н. ВлAСЕHкo, A.П. Руденко
В конструкции данного многофункционального емкостного аппарата в качестве перемешивающего органа использован ротор геликоидного типа. Пространственное выполнение корпуса ротора представляет собой геометрическое построение косого геликоида. Применение ротора геликоидного типа в отличие от всех существующих до настоящего времени конструкций перемешивающих органов позволяет прогнозировать гидродинамическую картину движения потоков суспензии в проточной полости емкостного аппарата.
Наряду с прогнозированием, что не менее важно, реально появляется инструмент управления потоком суспензии в проточной полости аппарата. Характер движения потока суспензии в проточной полости емкостного аппарата способствует исключению вероятности появления застойных зон как стационарного, так и динамического типа. Этому обстоятельству в значительной степени способствует максимальное увеличение степени циркуляции суспензии в проточной полости емкостного аппарата. Выполнение этого условия при одновременном требовании минимальных энергозатрат может быть реализовано конструктивно только путем совместного профилирования корпуса аппарата и пространственной геометрии ротора [6-8].
Данная конструкция аппарата создает реальную возможность гидродинамического управления потоком суспензии, добиваясь путем полного исключения застойных зон равномерности концентрации при условии достижения требуемой производительности при минимально возможных энергозатратах.
Результаты выполненных экспериментальных исследований, сравнительный анализ распределения взвешенных веществ в рабочем объеме емкостного аппарата с ротором геликоидного типа и аппарата стандартной конструкции того же объема показали, что емкостной аппарат с ротором геликоидного типа обеспечивает более равномерное распределение модельного субстрата по всему рабочему объему в сравнении с аппаратом стандартной конструкции (рис.). Не менее важным является и тот факт, что равновесное состояние в емкостном аппарате достигается быстрее, чем в аппарате стандартной конструкции.
В работе использовали раствор модельного субстрата -смесь растворимого (амилозы) и нерастворимого крахмала (амилопектина). Навеска модельного субстрата составила 5 г/л.
Отбор проб проводили по всему объему аппарата через 0.5, 5, (
10, 15, 20 и 25 мин. Измерение концентрации крахмала прово- о,
дили колориметрическим методом - окрашивали крахмал рабочим раствором Люголя, затем измеряли оптическую плотность окрашенной пробы (X = 565 нм, Ь = 10 мм) [3]. й-
Представленное на рисунке изменение среднеквадратичного отклонения концентрации в точках выборки по времени определяется выражением
SS2
а
где с - среднеквадратичные отклонения; V - количество степеней свободы выборки, 55 2=Е(х - х<-)2.
♦ - Емкостной аппарат ■ - Аппарат стандартной конструкции
Дисперсия (среднеквадратичные отклонения) концентрации модельного субстрата по объему аппарата
Выводы
1. При анализе опытных данных выявлено, что перемешивание модельного субстрата в емкостном аппарате с ротором геликоидного типа происходит более качественно. Данное улучшение перемешивания объясняется тем, что при проектировании данного аппарата выполнялось совместное профилирование корпуса аппарата и ротора геликоидного типа.
2. В проточной полости емкостного аппарата практически отсутствуют застойные зоны благодаря оригинальному построению конструкции проточной полости аппарата, что способствует равномерному распределению концентрации модельного субстрата.
Список литературы
1. А. с. №1042349 (СССР) Штамм Streptomyces griseoruber 3-79 № 314 продуцент антибиотика для борьбы со слизистым бактериозом капусты / К.А. Тулемисова, Е.Ф. Игина, Е.Т. Никитина / 16.05.1983. 8 с.
2. Dumroese R.K., James R.L., Wenny D.L. Interaction among Streptomyces griseoviridis, Fusarium root disease, and Doug-las-fir seedlings // New Forest. 1998. V. 15. Р. 181-191.
3. Громовых Т.И., Тюльпанова В.А., Гукасян В.М., Шмарловская С.В. Методы выделения, изучения и культивирования микроорганизмов. Красноярск, 2002. 152 с.
4. Holland F.A. Chem. Eng. 1962. V. 69. №19.
5. Холланд Ф., Чапман Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов. М., 1974. 209 с.
6. Руденко А.П., Гордеева Л.С., Кушнир К.В. Профилирование отдельных конструктивных элементов корпуса реактора // Проблемы химико-лесного комплекса: сб. науч. тр. КГТА. Красноярск, 1995. С. 81.
7. Руденко А.П., Гордеева Л. С. Теоретические основы разработки методики профилирования корпусных элементов реактора // Проблемы химико-лесного комплекса: сб. науч. тр. КГТА. Красноярск, 1996. Ч. 2. С. 23.
8. Руденко А.П., Кушнир К.В. Определение основных размеров аппаратов с роторами геликоидного типа // Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона: сб. науч. тр. Всерос. науч.-прак. конф. Красноярск, 1991. Т. 2. С. 149-151.
Поступило в редакцию 15 февраля 2008 г.
2
v
i=i
