аппарат для выращивания микроорганизмов

Формула изобретения

АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, центрально установленный в нем диффузор, систему рециркуляции культуральной жидкости, включающую наружные циркуляционные трубы и размещенный в нижней части корпуса и подключенный к циркуляционным трубам эжектор для подачи воздуха, камера смешения которого расположена соосно с диффузором, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат на растворение кислорода и повышения степени аэрации культуральной жидкости, он снабжен имеющей конусообразное днище цилиндрической емкостью для разделения культуральной жидкости на сгущенную биомассу и осветленную жидкость, направляемую на рециркуляцию, установленную снаружи верхней части корпуса с образованием кольцевого зазора с его стенкой, при этом над днищем емкости установлен аэратор, а циркуляционные трубы подключены к днищу, причем в указанном кольцевом зазоре расположена перфорированная винтовая направляющая, имеющая на нижней поверхности радиальные перегородки для накопления между ними сгущенной биомассы, а в стенке корпуса выполнены отверстия для отвода последней внутрь корпуса в нисходящий поток культуральной жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к аппаратам для проведения процессов ферментации.

Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с расширяющейся верхней частью, расположенный в корпусе центральный диффузор, патрубок для ввода газа и теплообменник [1] Воздух на аэрацию культуральной жидкости подается направлено в нижнюю часть центрального диффузора или кольцевого пространства, образованного стенкой корпуса и диффузора. При этом за счет разности плотностей аэрированной и неаэрированной жидкости в аппарате благодаря эффекту арлифта возникает естественная циркуляция культуральной жидкости, обеспечивающая необходимую степень гомогенности среды.

Недостатком данного аппарата является невысокая турбулизация жидкости и недостаточно развитая поверхность контакта фаз.

Ближайшим техническим решением к предложенному является аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, центральный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, центрально установленный в нем диффузор, систему рециркуляции культуральной жидкости, включающую наружные циркуляционные трубы и размещенный в нижней части корпуса и подключенный к циркуляционным трубам эжектор для подачи воздуха, камера смешения которого расположена соосно диффузору [2]

Недостатком аппарата является то, что не обеспечивается достаточно высокая турбулизация жидкости, а также достаточно развитая поверхность контакта фаз. Имеют место также довольно большие энергозатраты.

Цель изобретения заключается в снижении энергозатрат на растворение кислорода и повышение степени аэрации культуральной жидкости.

Для достижения этой цели предложенный аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, центрально установленный в нем диффузор, систему рециркуляции культуральной жидкости, включающую наружные циркуляционные трубы и размещенный в нижней части корпуса и подключенный к циркуляционным трубам эжектор для подачи воздуха, камера смешения которого расположена соосно диффузору, снабжен имеющей конусообразное днище цилиндрической емкостью для разделения культуральной жидкости на сгущенную биомассу и осветленную жидкость, направляемую на рециркуляцию, установленную снаружи верхней части корпуса с образованием кольцевого зазора с его стенкой, при этом над днищем емкости установлен аэратор, а циркуляционные трубы подключены к днищу, причем в указанном кольцевом зазоре расположена перфорированная винтовая направляющая, имеющая на нижней поверхности радиальные перегородки для накопления между ними сгущенной биомассы, а в стенке корпуса выполнены отверстия для отвода последней внутрь корпуса в нисходящий поток культуральной жидкости.

На фиг.1 схематично изображен аппарат, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.2.

Аппарат для выращивания микроорганизмов содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с технологическими патрубками 2,3,4,5 и 6 для подвода и отвода воздуха, подвода питательных компонентов и культуральной жидкости, центрально установленный диффузор 7, систему рециркуляции культуральной жидкости, включающую наружные циркуляционные трубы 8 и размещенный в нижней части корпуса и подключенный к циркуляционным трубам эжектор для подачи воздуха, содержащий сопло 9, впускную камеру 10 и камеру 11 смещения, расположенную соосно диффузору и установленную снаружи верхней части корпуса с образованием кольцевого зазора 12 с его стенкой цилиндрическую емкость 13 с конусообразным днищем 14 для разделения культуральной жидкости на сгущенную биомассу и осветленную жидкость, направляемую на рециркуляцию. Над днищем 14 емкости установлен аэратор 15, выполненный в виде кольца. Циркуляционные трубы 8 подключены к днищу 14. В кольцевом зазоре 12 расположена перфорированная винтовая направляющая 16, имеющая на нижней поверхности радиальные перегородки 17 для накопления между ними сгущенной биомассы, а в стенке корпуса 1 выполнены отверстия 18 для отвода последней внутрь корпуса в нисходящий потоку культуральной жидкости. Радиальные перегородки 17 перекрывают сечение канала на 30-50%

Аппарат работает следующим образом.

После промывания, стерилизации и дезинфекции корпуса 1 в него заливают питательную среду и засевают соответствующую культуру микроорганизмов.

Затем включают подачу воздуха.

Воздух подается в эжектор через сопло 9. Одновременно часть воздуха (примерно до 2%) подается в аэратор 15.

В результате подачи воздуха через эжектор 4 высота газожидкостного слоя увеличивается и достигает определенного значения. Так как воздух подается внутрь диффузора 7, в корпусе 1 за счет эффекта эрлифта возникает направленная циркуляция среды с восходящим потоком аэрируемой культуральной жидкости внутри диффузора и с нисходящим потоком меньшего газосодержания в кольцевом пространстве между станками корпуса и диффузора. Причем в верхней части кольцевого пространства газосодержание культуральной жидкости выше, чем у основания корпуса, и примерно соответствует газосодержанию в центральном диффузоре 7. В наружных циркуляционных трубах 8 также возникает циркуляция, направленная сверху вниз.

Благодаря суммарному эффекту аэрлифта и эжекции кратность циркуляции через систему рециркуляции может быть довольно высокой (порядка 100-150 ч^-1). В камере смешения 11 эжектора происходит насыщение культуральной жидкости кислородом воздуха, после чего мелкодисперсная газожидкостная смесь подается в диффузор 7.

В верхней части корпуса поток культуральной жидкости, индуцируемый системой рециркуляции, поступает в винтовой канал, образованный перфорированной винтовой направляющей 16, и движется вниз по соответствующей траектории.

Под воздействием мелкодисперсных пузырьков воздуха от аэратора 15, поднимающихся через перфорацию в витках направляющей 16, поток культуральной жидкости при движении по винтовому каналу под действием флотации подвеpгается расслоению на сгущенную биомассу и осветленную культуральную жидкость.

Накапливаемая под витками направляющей сгущенная биомасса отделяется от потока осветленной культуральной жидкости радиальными перегородками 17 и через отверстия 18 отводится из винтового канала по всей его длине в нисходящий поток культуральной жидкости основного контура циркуляции (формируемого диффузором) и равномерно распределяется по объему корпуса 1.

Осветленная культуральная жидкость стекает по винтовому каналу в наружные циркуляционные трубы 8 и попадает в впускную камеру 10 эжектора, где насыщается кислородом до концентрации, равной равновесной, для осветленной культуральной жидкости (имеющей значение выше, чем для неосветленной).

Преимущества предложенной конструкции аппарата в том, что при достаточной гомогенности среды в рабочем объеме аппарата, достигаемой за счет эрлифта, обеспечиваемого центральным диффузором, становится возможным подать в зону интенсивного массообмена (камера 11 смешения эжектора) осветленный поток культуральной жидкости, растворимость кислорода в котором выше, чем в неосветленной культуральной жидкости.

Кроме того, временное осветление культуральной жидкости, циркулирующего через эжектор потока культуральной жидкости, подвергаемой насыщению кислородом, не нарушает гомогенности среды, так как наличие отверстий 18 обеспечивает возвращение накапливаемых в верхней части винтового канала между радиальными перегородками 17 микроорганизмов в реакционный объем аппарата.

Витки направляющей 16 расположены в межкольцевом пространстве между стенками корпуса 1 и емкости 13, образуя сплошной винтовой канал с левым вращением относительно вертикальной оси аппарата. Радиальные перегородки 17 приварены к вышерасположенному витку направляющей снизу веpтикально, в радиальном направлении к вертикальной оси аппарата и перекрывают верхнюю часть сечения винтового канала на 30-50%

Только в результате наличия винтового аэрируемого канала с перегородками 17 становится возможным провести осветление культуральной жидкости до концентрации микроорганизмов 1,5-2 г/л при кратности циркуляции через систему рециркуляции и эжектор, равной 50-120 ч^-1. Это позволяет повысить растворимость кислорода в культуральной жидкости в камере смешения эжектора, являющейся зоной интенсивного массообмена. При этом сокращается расход аэрирующего газа и снижаются энергозатраты при сохранении продуктивности процесса, что повышает эффективность работы аппарата.

Перелив культуральной жидкости в винтовой канал осуществляется под действием эрлифтного эффекта, обусловленного наличием системы рециркуляции.

Поступление культуральной жидкости из центральной части корпуса в емкость 13 через окна 18 невозможно, так как плотность газожидкостной смеси в винтовом канале больше, чем в реакционной зоне корпуса (разность газосодержания).

Конструкция аппарата за счет винтового канала радиальных перегородок 17 и отверстий 18 обеспечивает подачу в зону эжектора через систему рециркуляции культуральную жидкость, осветленную до концентрации 1,5-2 г/л микроорганизмов с повышенной растворимостью в ней кислорода.