Аппарат для выращивания микроорганизмов

Аппарат для выращивания микроорганизмов

Реферат

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов преимущественно на малорастворимых углеродсодержащих субстратах. Цель изобретения - эффективное диспергирование субстрата, повышение массопереноса в газожидкостной среде и, как следствие, увеличение удельной производительности аппарата. Аппарат содержит вертикальную цилиндрическую емкость с расширяющейся верхней частью 2, ограниченную крышкой 3 с патрубками 4 для отвода отработанного газа, патрубки 5 - 7 соответственно вывода суспензии микроорганизмов, подвода и отвода хладагента. Внутри аппарата соосно с емкостью 1 установлен циркуляционный стакан 8, выполненный в виде трубы Вентури. Под циркуляционным стаканом 8 размещен аэратор 9, расположенный в коническом днище 10. Патрубки 11 и 12 подвода минеральной питательной среды и углеродсодержащего субстрата подключены к нижней части диффузора 13 трубы Вентури, а в верхней ее части укреплены перфорированные тарелки 14, между которыми размещена насадка 15. В кольцевом пространстве между стенкой емкости 1 и циркуляционным стаканом 8 по высоте аппарата расположен теплообменник 16. 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов преимущественно на малорастворимых углеродсодержащих субстратах. Целью изобретения является эффективное диспергирование субстрата, повышение массопереноса в газожидкостной среде и, как следствие, увеличение удельной производительности аппарата. На чертеже представлен аппарат, продольный разрез. Аппарат содержит вертикальную цилиндрическую емкость 1 с расширяющейся верхней частью 2, ограниченную крышкой 2 с патрубками 4 для отвода отработанного газа, патрубки 5-7 соответственно вывода суспензии микроорганизмов, подвода и отвода хладагента. Внутри аппарата соосно с емкостью 1 установлен циркуляционный стакан 8, выполненный в виде трубы Вентури. Под циркуляционным стаканом 8 размещен аэратор 9, расположенный в коническом днище 10. Патрубки 11 и 12 соответственно подвода минеральной питательной среды и углеродсодержащего субстрата подключены к нижней части диффузора 13 трубы Вентури, а в верхней ее части укреплены перфорированные тарелки 14, между которыми размещена насадка 15. В кольцевом пространстве между стенкой емкости 1 и циркуляционным стаканом 8 по высоте аппарата расположен теплообменник 16. Под крышкой аппарата 3 помещены газоотбойные элементы 17 и направляющие 18 газожидкостного потока, обеспечивающие рециркуляцию потока вниз. В нижней части аппарата установлен распределитель 19 газового потока и направляющие 20 жидкостного потока. Аппарат работает следующим образом. Питательная среда через патрубок 11 подается в аппарат, заполняя его объем на 10-30% доводится до требуемого значения в зависимости от штамма микроорганизмов, рН среды, и затем через патрубок 12 в необходимом количестве (в жидком или газообразном состоянии) подается углеродсодержащий субстрат, обеспечивая потребность микроорганизмов в питании, и задается засевная культура микроорганизмов. Аэратором 9 воздух или кислородно-воздушная смесь подается в аппарат под избыточным давлением, определяемым высотой жидкости, и с помощью распределителя 19 и направляющих 20 потока обеспечивается подъем газожидкостной суспензии по циркуляционному стакану 8, выполненному в виде трубы Вентури. Поднимающийся газожидкостный поток, ударяясь о направляющую 18 и газоотбойные элементы 17, попадает в кольцевое пространство между цилиндрической стенкой емкости 1 и конфузорно-диффузорной поверхностью трубы Вентури и опускается, а газовая фаза, частично проходя через газотбойные элементы 17, выводится из аппарата через патрубки 4. Так обеспечивается непрерывная интенсивная циркуляция газожидкостного потока по внутреннему (вверх) и внешнему (вниз) контуру в аппарате. По мере подачи питательной среды, субстрата и кислорода воздуха осуществляется рост микроорганизмов, объем жидкости в аппарате доводится до номинального 40-60% геометрического объема и осуществляется непрерывное культивирование микроорганизмов, при этом через патрубки 11 и 12 непрерывно поступают минеральная питательная среда и углеродсодержащий субстрат, а через патрубок 5 отводят суспензию микроорганизмов. С помощью теплообменника 16 и патрубков 6 и 7 соответственно для ввода и вывода хладагента обеспечивается поддержание заданной температуры культивирования. Благодаря форме циркуляционного стакана, состоящего из расположенных одна над другой труб переменного сечения, обеспечиваются эффективные условия гидродинамического взаимодействия газожидкостных потоков, микротурбулизация среды и массоперенос кислорода и питательных веществ к клеткам микроорганизмов. Конструктивные особенности конфузорно-диффузорной трубы Вентури способствуют постоянно меняющемуся по мере подъема вверх статическому давлению газожидкостного потока, переходу потенциальной энергии потока в кинетическую и обратно, что позволяет осуществлять переменное гидродинамическое и массообменное воздействие на процессы межфазного переноса питательных веществ к клеткам, ускоряя скорость их роста и образование биомассы микроорганизмов. Газожидкостный поток, поступающий в циркуляционный стакан, формируется непосредственно над аэратором 9, а выходящий из трубы Вентури ограничивается направляющими 18 и газоотбойными элементами 17, расположенными под крышкой аппарата 3. Таким образом, высота подъема газожидкостного потока в циркуляционном стакане ограничена его высотой. Эффективному диспергированию и распределению в газожидкостном потоке питательных веществ и субстрата способствует подключение патрубков 11 и 12 для их подачи к трубе Вентури и установка их в нижней части диффузора 13, в зоне преобразования кинетической энергии потока и образования турбулентных вихрей. Установка теплообменника 16 по высоте кольцевого пространства обеспечивает теплообмен с менее газонасыщенной жидкостью и способствует обработке всего циркулирующего потока среды с клетками. Целесообразно выбирать угол конфузора 10-30^о, а угол диффузора 3-10^о. Указанные соотношения наиболее рациональны, так как обеспечивают устойчивую работу аппарата с эффективными гидродинамическим и массообменным взаимодействиями в многофазной среде. При этом диапазон рекомендуемых углов связан с минимальными потерями энергии потока в связи с деформацией потока и его трением. Так, например, при угле диффузора менее 3^о коэффициент местного сопротивления возрастает в 1,5-2 раза, а при угле более 10^о происходит отрыв потока от стенок. В расширяющейся диффузорной трубе установлены перфорированные тарелки 14 с насадкой 15, которая под действием восходящего потока переходит в псевдоожиженное состояние и способствует диспергированию малорастворимого субстрата. Размещение в диффузоре 13 перфорированных тарелок 14, между которыми расположена насадка, обеспечивает вторичное образование турбулентных вихрей и препятствует отрыву газожидкостного потока от стенок расширяющегося диффузора. В отличие от известного аппарата установленная соосно с цилиндрическим корпусом конфузорно-диффузорная труба Вентури обеспечивает высокую турбулизацию газожидкостного потока. При этом, за счет большой скорости обмена рециркуляции потока вверх по трубе и вниз по кольцевому пространству, культуральная среда с микробными клетками в течение 40-70% от времени пребывания в аппарате находится в зоне с эффективным диспергированием газового потока и турбулентного межфазного взаимодействия. Такое циклически повторяющееся воздействие, как показали опыты, интенсифицирует внутриклеточные процессы и приводит к повышению скорости роста клеток микроорганизмов в аппарате, а следовательно, к увеличению его производительности. Лабораторные испытания модели аппарата показали высокие гидродинамические и массообменные характеристики, в том числе время гомогенизации среды 2-4 мин при среднем времени пребывания жидкости 4 ч (в непрерывном процессе выращивания), скорость массопередачи кислорода 12-14 кг О₂/м³ ч (по сульфитной методике) с удельными энергозатратами на 1 кг кислорода 0,8-0,9 кВт/ч. При выращивании дрожжей на жидких н-парафинах нефти достигается удельная производительность 5,2-5,5 кг/м³ч, что на 18-20% выше производительности известного аппарата. При выращивании дрожжей на этаноле достигается удельная производительность 5,6-6,2 кг/м³ч, что также на 15-17% выше, чем в известном аппарате. Конструктивная простота, отсутствие вращающихся элементов, подшипников и др. малая установочная площадь и эксплуатационная надежность позволят эффективно использовать предлагаемый тип аппарата в крупнотоннажном производстве кормовых дрожжей.

Формула изобретения

АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ преимущественно на малорастворимых углеродсодержащих субстратах, содержащий вертикальную цилиндрическую емкость с расширяющейся верхней частью, соосно установленный в ней циркуляционный стакан, аэратор, размещенный под циркуляционным стаканом, патрубки ввода минеральной питательной среды и углеродсодержащего субстрата, теплообменник, расположенный по высоте аппарата в кольцевом пространстве между стенкой емкости и циркуляционным стаканом, отличающийся тем, что, с целью обеспечения эффективного диспергирования субстрата, повышения массопереноса в газожидкостной среде и, как следствие, увеличения удельной производительности аппарата, циркуляционный стакан выполнен в виде трубы Вентуры, при этом патрубки подвода минеральной питательной среды и углеродсодержащего субстрата подключены к нижней части диффузора трубы Вентури, а в верхней ее части укреплены перфорированные тарелки, между которыми расположена насадка.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 12.06.2002

Извещение опубликовано: 10.07.2008        БИ: 19/2008