CC BY
44
УДК 663.14
И. Р. Исламгулов, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, О. В. Федорова
ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ ЭРЛИФТНОГО ФЕРМЕНТЕРА
ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ СПОРООБРАЗУЮЩИХ ПРОБИОТИЧЕСКИХ БАКТЕРИЙ
Ключевые слова: спорообразующие пробиотические бактерии, эрлифтный ферментер, инокулятор, приведенная скорость,
скорость циркуляции, время перемешивания.
Объектом испытания является ферментер для выращивания чистых аэробных и факультативно-анаэробных бактериальных культур, используемых для засева продуктовых биореакторов. Ферментер представляет собой барботажно-эрлифтный аппарат с центральным диффузором ниспадающего потока. Преимуществом данного ферментера является, простота конструкции и обслуживания, возможность автоматизации любых операций.
Key words: spore-forming probiotic bacteria, airlift fermenter, inoculator, specific speed, circulation rate, mixing time.
The object of the test is a fermenter for the cultivation ofpure aerobic and facultative anaerobic bacterial cultures used to inoculate bioreactors food. The fermenter is a bubble-air-lift device with a central cone pull-down flow. The advantage of this fermenter is simplicity of construction and maintenance, possibility of automation of all operations.
Введение
Спорообразующие бактерии как продуценты биологически активных веществ, являются одними из наиболее перспективных микроорганизмов и составляют довольно обширную группу для современной биотехнологии, вызывают большой интерес исследователей и практических работников различного профиля, осуществляющих разработку, производство и практическое применение пробиотических препаратов [1, 2].
Способность споровых пробиотических препаратов к синтезу комплексов ферментов обусловливает возможность их культивирования с использованием растительных субстратов, с обогащением их аминокислотами, витаминами и другими биологически активными веществами [3].
Одной из существенных проблем, возникающих при разработке малых биотехнологических линий, является обоснование выбора типа и конструктивного решения биореакторного оборудования.
Для аппаратов малых объемов, включая инокуляторы, представляется экономически нецелесообразным использование реакторов с механическими перемешивающими устройствами.
Во-первых, при использовании уплотнительных устройств не исключается возможность проникновения посторонней микрофлоры.
Во-вторых, применение герметичных магнитных муфт существенно увеличивает стоимость аппарата.
В-третьих, для инокулятора не критична интенсивность перемешивания вследствие того, что конечная концентрация биомассы не превышает 10 г АСБ/л.
Экспериментальная часть
В работе проведены исследования инокулятора, являющегося ферментером эрлифтного типа, представляющим собой вертикальный барботажно-эрлифтный аппарат с эллиптическим днищем и плоской крышкой. В центральной части аппарата
находится диффузор ниспадающего потока, крепящийся к обечайке аппарата.
Аэрация ферментера осуществляется через кольцевой барботер с отверстиями d0 = 2 мм, который размещен в нижней части аппарата в кольцевом пространстве, образованном обечайкой и диффузором. При подаче воздуха в барботажную зону через периодически стерилизуемые паром фильтры, изготовленные на основе спеченных порошков никеля или микропористого фторопласта, в заполненном жидкостью ферментере с рабочим коэффициентом загрузки Кз = 0,75 в кольцевом пространстве образуется газожидкостная смесь, которая поднимается вверх вследствие архимедовой силы. В верхней части ферментера жидкость отделяется от воздуха и перетекает в циркуляционную зону, вследствие разности плотностей и уровня газожидкостного потока в барботажной и циркуляционной зонах.
Предварительно перед проведением технических испытаний был проведен расчет циркуляционного жидкостного потока. В основу расчета было положено определение скорости циркуляции жидкости в ферментере, а расход подаваемого воздуха, был задан исходя из потребности в кислороде популяции спорообразующих пробиотических бактерий [4].
Для расчета приведенной скорости жидкости тж в барботажной зоне было использовано уравнение (1).
+
lu
+
+
2 ■ (l -£U8D П
+
(i)
где коэффициенты местных сопротивлений соответствовали следующим значениям при внезапном сужении, расширении в барботажной и циркуляционных зонах и повороте потока на 180°С:
= = 0,5; = ^2ц = 1; ¿180 = 2,3 - [5]; коэффициент гидравлического трения Лтр = 0,03 [6].
Подставив все необходимые значения в уравнение (1) определяем приведенную скорость жидкости в барботажной зоне юж = 0,174 м/с.
Для биохимических реакторов, в которых время пребывания культуральной жидкости достаточно велико, связь между приведенными скоростями культуральной жидкости в барботажной зоне юж и в циркуляционной зоне южц можно выразить соотношением (2).
В результате решения уравнения (2) приведенная скорость в циркуляционной зоне равна южц = 0,738 м/с.
Во избежание накопления в жидкости большого количества растворенного СО2 время полной циркуляции культуральной жидкости должно составлять 0,5 - 5 мин (желательно 1 - 3 мин) [7]. Полученные в ходе расчета приведенные скорости культуральной жидкости юж и южц обеспечивают требуемое время полной циркуляции и перемешивания жидкости для эффективного производства споровых пробиотиков.
Экспериментальное определение времени перемешивания жидкой фазы проводились на водопроводной воде при комнатных условиях.
Замер времени перемешивания проводили при трех величинах расхода воздуха, подаваемого на аэрацию, при атмосферном давлении и температуре 23 - 25 °С. Полученные результаты технических испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Полученные результаты технических испытаний ферментера_
№ Расход воздуха, по ротаметру м3/с рН среды перед подачей титранта Время реакции датчика рН, сек Время полного перемешивания, сек
1 30 8,33 13,82 37,75
2 30 8,65 7,12 31,83
3 30 3,72 8,44 35,00
4 50 6,34 6,89 30,14
5 50 2,39 9,71 28,64
6 50 2,5 9,11 35,43
7 70 9,11 5,51 27,77
8 70 2,16 8,09 29,51
9 70 2,67 9,40 35,31
Время полного перемешивания - это интервал времени, по истечении которого рН не менялся, т.е. доза титранта полностью равномерно распределялась в среде.
Фактически реальное время перемешивания будет на 10-15% меньше замеренного, обусловленного задержкой реакции датчика рН, использованного в эксперименте.
Технические испытания проводились при заполнении ферментера водой до отметки 50 л, чему соответствует верхний край диффузора. В качестве маркеров использовались титрующие агенты 10 %-ные растворы серной кислоты и едкого натра. Для измерения водородного показателя - рН (моль/л) использовали прибор - Мультитест ИПЛ-311.
Выводы
Как следует из данных, приведенных в таблице 1, перемешивание, за счет хаотичности движения струй в барботажной зоне, нестабильно, но изменяется в небольших пределах, не значимых для планируемых процессов выращивания посевного материала.
Кроме того, время перемешивания практически не зависит от расхода воздуха, подаваемого на аэрацию (изменяемого от 22 до 49 л/мин). Таким образом, время перемешивания определяется исключительно скоростью всплытия пузырьков воздуха и в реальном процессе может возрасти на порядок вследствие увеличения вязкости среды. Тем не менее, оно не превысит 2-3 минут, что приемлемо для процесса выращивания инокулята.
Литература
1. А.И. Федоров, Жизнь растений. Просвещение, Москва, 1970. 248 с.
2. О.В. Федорова, А.И. Назмиева, Э.И. Нуретдинова, Р.Т. Валеева, Вестник технологического университета 19(15), 170-174, (2016).
3. О.В. Федорова, З.С. Юнусова, А.И. Назмиева, Р.Т. Валеева, Вестник технологического университета 19(16), 166-169, (2016).
4. 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.
5. И.Е. Идельчик, Справочник по гидравлическим сопротивлениям, Машиностроение, Москва, 1975, 559 с.
6. В.Н. Соколов, М.А. Яблокова, Аппаратура микробиологической промышленности, Машиностроение, Ленинград, 1988, 53 с.
7. У.Э. Виестур, А.М. Кузнецов, В.В. Савенков, Системы ферментации, Зинатне, Рига, 1986, 55 с.
© И. Р. Исламгулов - магистрант 2 курса группы 615-М8 каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; 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 той же кафедры.
© 1 R. Islamgulov - mаster, Depаrtment оf Chem^ СуЬег^^, KNRTU, [email protected]; S. G. Muhachev - cаndidаte оf Летка1 science, аssоciаte Prоfessоr Depаrtment оf ^етка1 СуЬех^^, KNRTU; R. T. Vаleevа - cаndidаte оf chem^l science, аssоciаte Prоfessоr Depаrtment оf Chem^l Cуbernetics, KNRTU; О. V. Fedоrоvа - mаster, Depаrtment оf Chem^l Cуbernetics, KNRTU.
