Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии» (стр. 9 )

  6. близкие к идеальному  перемешиванию,  идеальному  вытеснению.

  Однако перечисленные группы процессов не равноценны по  влиянию на конструкции ферментеров и определить  их  конструктивные  особенности по данной классификации практически невозможно. В то же  время на практике часто одни и те  же  ферментеры  по  этой  классификации используют для проведения разных процессов.

  Наиболее универсальна и  чаще  всего  применяется  на  практике  классификация ферментеров по способу ввода энергии в аппарат (по способу осуществления процессов аэрирования и перемешивания):

  1.- с газовай фазой;

  2.- с жидкой фазой;

  3.- с газовой и жидкой фазой (комбинированные).

  Для аэробных процессов аэрирование и перемешивание является, безусловно, важнейшей процедурой. Поскольку транспорт кислорода через клеточные мембраны осуществляется по диффузионному механизму, то это предполагает наличие более высокой концентрации кислорода в культуральной жидкости (вне клетки). Сложность достижения необходимого уровня аэрирования (насыщения культуральной жидкости кислородом) заключается в низкой растворимости кислорода в воде. При этом многие компоненты культуральной среды дополнительно снижают растворимость кислорода. Все это не позволяет использовать клеточные культуры с высокой плотностью (концентрацией), что в свою очередь снижает выход целевого продукта с единицы объема аппарата.

2.Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ).

Общим признаком этих аппаратов является  ввод  энергии  газовой фазой, которая является  ее  носителем  и  за  счет  которой  осуществляется  процесс  перемешивания.  Эта  группа  ферментеров характеризуется, прежде всего, простотой конструктивного исполнения  и высокой  эксплуатационной  надежностью  в  связи  с  отсутствием движущихся узлов и деталей. В простейшем виде такой ферментер  представляет собой сосуд в который через барботер подводится воздух  или какая ни будь специальная газовая газовая  смесь.  Пузырьки, выходящие из барботера  осуществляют  процессы  аэрирования,  перемешивания  и термостатирования в культуральной жидкости. Для улучшения  процессов массо - и теплообмена используют  различные  конструктивные  решения, направленные на прежде всего на более равномерное и быстрое распределение пузырьков воздуха по всему объему аппарата.  Среди конструкций таких ферментеров наиболее  распространены  барботажные, барботажно-газлифтные,  тарельчатые  колонные, насадочные колонные  и ряд других. Подвод или отвод  (по  необходимости) тепла в таких аппаратах осуществляется  встроенными  внутри аппарата теплообменниками различной конструкции.

3.Ферментеры с подводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ).

  Обычно энергия в аппаратах этой группы передается  жидкой  фазе с помощью насоса. При этом подаваемая в ферментер жидкость вводится в аппарат через  специальное  устройство  (сопло,  эжектор, диспергатор и т. д.). Различают в общем случае три  типа  конструкций таких аппаратов:

а) ферментеры эжекционные (ФЖЭ);

         б) ферментеры струйные (ФЖС).

  в) ферментеры с самовсасывающими мешалками (ФЖСМ);

       В ферментерах эжекционного типа, работающих в режиме рециркуляции, подаваемая в ферментер культуральная жидкость проходит под давлением через специальное устройство называемое эжектором (инжектором), в котором происходит ее интенсивное перемешивание с воздухом и насыщение кислородом. Далее образовавшаяся газо-воздушная струя под большим давлением вводится в ферментер с боку, перемешивая содержимое и распределяя пузырьки воздуха по всему объему аппарата.

  Недостатком  аппаратов  является  необходимость  применения  специальных  насосов  для  перекачивания газосодержащих культуральных жидкостей.

         Струйные ферментеры конструктивно разделяются на  два  типа:  с  “затопленной”  и  “падающей”  струей.  В  первом  случае  струя  газо-жидкостной  смеси  вводится  в  культуральную  жидкость сверху  через  погруженную в нее трубу, во втором - подается в нее под давлением  с определенной высоты.  Образование  газожидкостной  смеси,  как  и  в случае эжекционных ферментеров, осуществляется при помощи  эжектора, находящегося во внешнем циркуляционном контуре. Недостатки  струйных ферментеров аналогичны недостаткам эжекционных.

  В отличие от эжекционных и струйных, ферментеры  с  самовсасывающими  мешалками  являются  довольно простыми аппаратами, так как не  требуют  специальных  воздуходувных машин  для  подачи  воздуха  в  аппарат.  Поступление  воздуха осуществляется за счет разрешения, возникающего за задней кромкой лопасти мешалки при ее движении в жидкости. В лопастях такой мешалки воздушные каналы, которые через полый вал соединяются с  воздуховодом.  Такие аппараты широко применялись в СССР при микробиологическом производстве кормового белка. К недостаткам  этой схемы можно отнести трудность оптимизации и управления всей совокупностью массообменных и гидродинамических процессов в таком ферментере.

4.Ферментеры с подводом энергии жидкой и газовыми фазами (ФЖГ).

  Основным  конструктивным  элементом  таких  аппаратов  является перемешивающее  устройство,  обеспечивающее  высокую  интенсивность  растворения  кислорода  и  высокую  степень  диспергирования  газа,  нераство-римых  субстратов  и  гомогенизации  среды.  К  этой  группе аппаратов относятся такие ферментеры, у  которых  энергия  к  жидкой фазе подводится одновременно перемешивающим  устройством  и  насосом или только насосом.  Энергия  с  газовой  фазой  при  этом  вводится обычным способом (через барботер). Соответственно  различают  и  два типа таких аппаратов.

  а)  Ферментеры с перемешивающими устройствами (ФЖГМ).

Перемешивающее устройство таких ферментеров  выполняется  в  виде вала с установленными на нем одной или  несколькими  мешалками.  Под нижней  мешалкой  у  днища  обычно  расположен  газораспределитель (барботер), который может  быть  как  вращающимся,  так  и  неподвижным.  Внутри аппарата размещаются теплообменники.

  б) Ферментеры комбинированные (ФЖКХ).

  В аппаратах такого типа перемешивание осуществляется насосом или одновременно мешалкой  и  насосом.  Воздух в аппарат при этом подается через барботер.

Лекция № 7 Особенности конструирования и работы ферментационного оборудования

1.Стерилизация ферментера и сохранение асептики.

2.Термостатирование

3.Пеногашение

1.Стерилизация ферментера и сохранение асептики.

Важнейшим условием успешного  протекания  любого  биотехнологи - ческого  процесса  является  поддержание  стерильности  среды  в ферментере и во всей ферментационной установке в целом.

  Всю совокупность операций по подготовке оборудования и коммуникаций с целью  создания  в них асептических  условий  можно разделить на  два  важнейших  процесса: стерилизация внутренних полостей и  герметизация  всех  элементов  и узлов. Первый процесс проводится  в  подготовительный  период  перед запуском оборудования (в ходе  процесса  ферментации  осуществляются лишь профилактические мероприятия по  стерилизации  отдельных  узлов вспомогательного оборудования). Второй процесс осуществляется и  при подготовке, и при эксплуатации оборудования.

Наиболее распространенный метод стерилизации аппаратов и трубо - проводов - тепловая обработка перегретым выше 1000С насыщенным водяным паром.  Этот  метод надежнее, экономичнее и удобнее  в  производственных  условиях,  чем обработка химическими средствами.

  При стерилизации важнейшим условием ее  эффективности  является возможность создания во всех точках внутренних полостей  необходимой температуры  и  поддержания  ее  в  течение  заданного  времени.  В производственных условиях выполнение  этого  требования  связано  со значительными трудностями  ввиду  наличия в ферментере многочисленных  тупиковых полостей, областей и зон в которые затруднен доступ пара (“слабые точки”).  Наиболее  трудно  стерилизуемыми  местами  в аппаратах являются участки расположения  теплообменников, барботеров, штуцера (места ввода трубопроводов, датчиков КИП), загрузочные люки,  а в  разводках трубопроводов - тупиковые места, которые образуются на  ответвлениях и в местах присоединения к аппаратам.

  Расчетным путем показано, что  для  достижения  равной  степени стери-лизации  в  перечисленных  «слабых»  точках  и  в  основном обьеме аппарата  продолжительность выдержки различается  примерно  в  100  раз,  если принять температуру пара в них 100 С.

Наличие большого количества “слабых точек” обусловлено тем, что конструкционные  решения  большинства узлов промышленного  ферментера  часто заимствуются из химической технологии и поэтому они не соответствуют требованиям  стерилизации.