Модуль-ферментер

Предлагается конструкция модуля-ферментера, который используется, преимущественно, в производстве биопродуктов, например, ферментов, аминокислот и т.д Ферментер выполнен в виде модуля, содержащего емкость, вертикальный размер которой существенно меньше горизонтальных, причем емкость заключена в силовой каркас, выполненный из профилированного проката конструкционной стали. Емкость же изготавливается из нержавеющей стали минимальной толщины, определяемой скорее необходимым сроком эксплуатации, чем прочностными характеристиками. Дело в том, что по периметру внешней стороны емкости расположены шпангоуты, жестко связанные с боковой стенкой емкости с одной стороны и с элементами силового каркаса - с другой. Так что статическое усилие от столба жидкости и динамическое от перемешивания и аэрации будет воспринимать силовой каркас, выполненный из конструкционной, сравнительно недорогой, стали. Силовой каркас представляет собой продольный и поперечный силовые наборы, выполненные из профилированного проката и жестко связанные между собой, например, сваркой. Это может быть труба, швеллер или еще что-нибудь. Возможна комбинация различных профилей. Поперечный силовой набор содержит ряд замкнутых контуров, выполненных из вертикальных элементов в виде труб и горизонтальных- в виде швеллеров или двутавров. Вертикальные и горизонтальные элементы каждого контура жестко связаны между собой разъемными или неразъемными соединениями. Продольный силовой набор представляет из себя балки, например, из стального профиля, соединяющие между собой поперечные контуры для обеспечения их устойчивости в рамках единого силового каркаса. Что касается энергетики, то малая высота столба жидкости (питательной среды) позволяет заменить высокомощные энергозатратные компрессоры для аэрации на небольшие одноступенчатые турбинные воздуходувки. Для традиционных ферментеров, высотой 13-15 м. мощность компрессора составляет порядка 500кВт., а для плоского-35-50кВт. Для того, чтобы обеспечить наиболее рациональное (плотное) размещение предлагаемого модуля на цеховой площадке, а также исключить возможность образования застойных зон при перемешивании, емкость изготавливается в виде прямого цилиндра в основании которого лежит прямоугольник со скругленными углами. В частном случае это может быть круг. Для повышения жесткости, верхнее и нижнее днища емкости выполняются в виде усеченных конусов. Применение таких модулей-ферментеров открывает возможность довольно простого создания предприятий с предполагаемым расширением производства. Модули-ферментеры можно укладывать в виде этажерки, один на другой. Для этого на верхней плоскости крепится устройство причаливания, выполненное в виде ловушки, любой известной конструкции. Это так называемая «мама», а на нижней плоскости верхнего модуля-ферментера - стыковочное устройство, например отрезок трубы с элементами фиксации и уплотнения - «папа». При наращивании производства, через монтажные проемы, заранее выполненные на крыше цеха, опускают дополнительные модули-ферментеры. Стыковочные устройства опускаемого модуля-ферментера попадают в ловушки причальных устройств, где и происходит их механическое соединение. Т.е. производство культуральной жидкости можно увеличить без дополнительного капитального строительства и, по сути, без остановки производства. Далее, предлагаемая модульная конструкция позволяет еще на заводе-изготовителе проложить все воздушные, жидкостные и электрические коммуникации, т.е. полностью обвязать ферментер, а внешние пневмо-, гидро- и электроразъемы закрепить в удобном месте на силовом каркасе, причем трубчатые элементы силового каркаса, с целью уменьшения трудоемкости при монтаже и стоимости обвязки, служат элементами пневмо и гидромагистралей обвязки, а устройства стыковки и причаливания выполнены в виде ответных частей пневмо и гидроразъемов любой известной конструкции. Таким образом, при монтаже модулей-ферментеров в «этажерку», происходит не только механическое соединение их силовых каркасов, но и объединение их пневмо и гидросистем, что существенно сокращает стоимость и время монтажа оборудования. Учитывая, что, в общем виде, у емкости модуля-ферментера отсутствует круговая симметрия, для более эффективного перемешивания использовать, как минимум две мешалки с осями вращения, находящимися под некоторым пространственным углом друг к другу. С целью снижения нагрузки на емкость модуля-ферментера, элементы трансмиссии крепятся на его силовом каркасе.

Предлагаемое техническое решение относится к технике и технологии производства биопродуктов, например, ферментов, аминокислот и т.д., использующего процесс обработки питательной среды микроорганизмами. Как правило, в промышленном масштабе, для этих целей используется ферментер, представляющий из себя вертикальную емкость из нержавеющей стали объемом 100, 200 и более кубических метров. При этом, как правило, соотношение диаметра к высоте находится между 1:2 и 1:6. Для поддержания теплового режима ферментер содержит термостатирующее оборудование, например, внешнюю водяную рубашку, перемешивающее устройство и, если процесс ферментации требует постоянного восполнения кислорода в питательной жидкости, еще и аэратор. Аэратор, как правило, представляет собой либо свернутый в кольцо или другую фигуру перфорированный металлический или пластиковый трубопровод либо такой же трубопровод, заполненный мелкопористым материалом. Такой аэратор укладывается на нижнее днище ферментера для того, чтобы обеспечить прохождение пузырьков воздуха через всю толщу питательной жидкости. А это может быть и 15 и 20 метров. Недостатком такой конструкции ферментера является его высокая энергоемкость. Действительно, для продавливания такой толщи жидкости потребуется компрессор, который бы, с учетом гидравлических потерь, обеспечил давление воздуха на входе в ферментер 2-3 бара. Для ферментации в аэробном процессе необходима подача воздуха в количестве 1-го объема воздуха на 1 объем питательной жидкости в минуту. Т.е. если ферментер содержит 60 м питательной жидкости, через него необходимо прокачивать 60 м³ воздуха в минуту. Для традиционного решения проблемы существует эмпирическая зависимость, из которой следует, что на каждый м³ воздуха, прокачанного через ферментер с такими параметрами, необходима электрически мощность 7-8 кВт. Таким образом, для ферментера с активным объемом 60 м³ необходим компрессор, установленной мощностью около 500 кВт. На перемешивание 15-ти метрового столба питательной жидкости традиционными мешалками, например турбинными, требуется еще от 100 до 150кВт установленной мощности электроэнергии.

Известны технические решения, например патент 2081578, кл. А01К 63/04, C02F 3/16, С12М 1/04, заявка 1995 г., суть которого заключается в том, что в ферментере размещают стакан, в низу которого устанавливают эжекторный насос, к входу которого подсоединен трубопровод, соединенный другим своим концом с воздушной подушкой ферментера. Крыльчатка насоса гонит питательную жидкость в верхнюю часть верх ферментера, засасывая при этом воздух из воздушной подушки. В струе потока питательной жидкости происходит интенсивное растворение кислорода и перемешивание массы питательной жидкости. Эффект инжекции позволяет снизить энергозатраты на аэрирование. Примерно тот же принцип заложен в патенте ФРГ 949696 кл. А01К 63/00. Похожее техническое решение представлено в мешалке - аэраторе FRINGS TRG 18000.Все перечисленные технические решения направлены на преодоление последствий, связанных с конструктивными особенностями принятых повсеместно схем промышленных ферментеров, а именно, большая высота при малом диаметре сечения. Кроме того, большая высота столба жидкости ведет к необходимости усиления нижних ярусов ферментера. При высоте в 13-15 метров толщина обечайки нижних ярусов достигает 10 мм. Ферментеры, как правило, изготавливаются из нержавеющей стали, так что стоимость металла в общей цене ферментера имеет существенное значение. Одной из целей настоящего технического решения является снижение энергоемкости и металлоемкости ферментера.

Цель достигается тем, что ферментер выполняется в виде модуля, содержащего емкость, вертикальный размер которой существенно меньше горизонтальных, причем емкость заключена в силовой каркас. Емкость выполняется из нержавеющей стали минимальной толщины, определяемой скорее необходимым сроком эксплуатации, чем прочностными характеристиками. Дело в том, что по периметру внешней стороны емкости расположены шпангоуты, жестко связанные с боковой стенкой емкости с одной стороны и с элементами силового каркаса - с другой. Так что статическое усилие от столба жидкости и динамическое от перемешивания и аэрации будет воспринимать силовой каркас, выполненный из конструкционной, сравнительно недорогой, стали. Силовой каркас представляет собой продольный и поперечный силовые наборы, выполненные из профилированного проката и жестко связанные между собой, например, сваркой. Это может быть труба, швеллер или еще что-нибудь. Возможна комбинация различных профилей. Поперечный силовой набор содержит ряд замкнутых контуров, выполненных из вертикальных элементов в виде труб и горизонтальных- в виде швеллеров или двутавров. Вертикальные и горизонтальные элементы каждого контура жестко связаны между собой разъемными или неразъемными соединениями. Продольный силовой набор представляет из себя балки, например, из стального профиля, соединяющие между собой поперечные контуры для обеспечения их устойчивости в рамках единого силового каркаса. Схема модуля-ферментера показана на Фиг.1 Характерные размеры ферментера емкостью 100 м³ - это цилиндр со сферическими или эллиптическими днищами, диаметром ~3-х метров и высотой более 13 м. Толщина обечайки нижних ярусов - до 10 мм, верхнего - 4-5 мм. Вес ~15 т. Все это нержавеющая сталь.

Предлагаемый модуль-ферментер: размеры (Д*Ш*В) 8×4×3, толщина стенки 5 мм. Вес ~6 т. Это нержавейка, вес силового каркаса (черный металл) ~5 т. Выигрыш в металлоемкости очевиден. Далее, для аэрации питательной среды на вход в модуль-ферментер надо будет подавать воздух давлением не 2-2.5 бар., а только 0.5 бар., т.к. высота столба жидкости не 13 м, а только 3 м. Это позволит вместо компрессора, с электрической мощностью 500 кВт. Применить воздуходувку, мощностью порядка 100кВт.

Для того, чтобы обеспечить наиболее рациональное (плотное) размещение предлагаемого модуля на цеховой площадке, а также исключить возможность образования застойных зон при перемешивании, предлагаем емкость изготавливать в виде прямого цилиндра в основании которого лежит прямоугольник со скругленными углами. В частном случае это может быть круг. Для повышения жесткости, верхнее и нижнее днища емкости предлагаем выполнить в виде усеченных конусов, как показано на Фиг.1.

Применение таких модулей открывает возможность довольно простого создания предприятий с предполагаемым расширением производства. Модули-ферментеры можно укладывать в виде этажерки, один на другой. Для этого на верхней плоскости крепится устройство причаливания, выполненное в виде ловушки, любой известной конструкции. Так называемая «мама», а на нижней плоскости верхнего модуля-ферментера - стыковочное устройство, например отрезок трубы с элементами уплотнения, «папа». При наращивании производства, через монтажные проемы, заранее выполненные на крыше цеха, опускают дополнительные модули-ферментеры. Стыковочные устройства опускаемого модуля-ферментера попадают в ловушки причальных устройств, где и происходит их механическое соединение. Т.е. производство культуральной жидкости можно увеличить без дополнительного капитального строительства и по сути, без остановки производства. Поясним на примере.

Появилась потребность, например, в производстве ферментов. Годовая производительность, к примеру - 9000 т. С расширением производства до 18-20000 т. Проектировщики, в рамках традиционного подхода, предлагают ферментный цех, содержащий 12 ферментеров по 100 м³ каждый, диаметром 3 м и высотой 13 м. Размеры цеха - (Д×Ш×В) 40×21×22 м. При необходимости удвоения производства, предлагают выстроить рядом такой же ферментный цех.

При использовании модуль-ферментера, описанного выше (8×4×3), их можно расположить, как показано на Фиг.2 Таким образом, сохраняя тот же объем здания цеха без дополнительного строительства можно удвоить или даже утроить производство культуральной жидкости. Просто нужно предусмотреть монтажные проемы. Далее, предлагаемая модульная конструкция позволяет еще на заводе-изготовителе проложить все воздушные, жидкостные и электрические коммуникации, т.е. полностью обвязать ферментер, а внешние пневмо-, гидро- и электроразъемы закрепить в удобном месте на силовом каркасе, причем трубчатые элементы силового каркаса, с целью уменьшения трудоемкости при монтаже и стоимости обвязки, служат элементами пневмо и гидромагистралей обвязки. Далее, предлагаем причальные и стыковочные устройства силового каркаса выполнить в виде ответных частей гидро и пневморазъемов любой известной конструкции. Таким образом, при монтаже модулей-ферментеров в «этажерку» происходит не только механическое соединение их силовых каркасов, но и объединение их пневмо и гидросистем, что существенно сокращает стоимость и время монтажа оборудования.

Учитывая, что, в общем виде, у емкости модуля-ферментера отсутствует круговая симметрия, предлагаем для эффективного перемешивания использовать, как минимум две мешалки. На моделях наибольший эффект перемешивания в цилиндрической емкости с основанием, выполненным в виде прямоугольника со скругленными углами (емкость типа консервной банки из под сардин), наблюдался при использовании мешалок с осями вращения, находящимися под некоторым пространственным углом друг к другу. Кроме того, с целью снижения нагрузки на емкость модуля-ферментера, элементы трансмиссии приводов мешалок предлагаем располагать на его силовом каркасе, как показано на Фиг.1.

1. Модуль-ферментер, состоящий из корпуса, системы термостатирования, перемешивающего устройства с приводом, аэратора, контрольно-измерительной и запорной арматуры, впускных и выпускных патрубков, отличающийся тем, что ферментер снабжен силовым каркасом для размещения в нем корпуса, корпус выполнен в виде прямого цилиндра, имеющего верхнее и нижнее днища и основание, выполненное в форме прямоугольника со скругленными углами или в форме овала, таким образом, что его вертикальный размер меньше одного или обоих горизонтальных размеров прямого цилиндра, при этом верхнее и нижнее днища прямого цилиндра выполнены в виде прямого усеченного конуса, большие основания которых лежат на боковой поверхности корпуса, а силовой каркас состоит из силового набора продольных и поперечных трубчатых профилей и имеет размещенные по периметру боковой стенки корпуса прямого цилиндра шпангоуты, закрепленные одной стороной на стенке корпуса, а другой - на силовом наборе.

2. Модуль-ферментер по п.1, отличающийся тем, что корпус обвязан трубопроводами подачи и выпуска воздуха и жидкостей и электрическими кабелями, причем их внешние разъемы укреплены на силовом каркасе.

3. Модуль-ферментер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен укрепленным на верхней части силового каркаса узлом причаливания, а на нижней части - стыковочным устройством, причем узел причаливания и стыковочное устройство размещены таким образом, что их оси совпадают.

4. Модуль-ферментер по одному из пп.2 и 3, отличающийся тем, что по меньшей мере часть трубчатых профилей силового каркаса выполнены в виде элементов обвязки модуля-ферментера воздушными и жидкостными коммуникациями, а стыковочные устройства и узлы причаливания выполнены в виде ответных частей пневморазъемов и гидроразъемов.

5. Модуль-ферментер по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен, по крайней мере, двумя перемешивающими устройствами, оси вращения которых расположены под пространственным углом друг к другу, а элементы трансмиссии приводов перемешивающих устройств укреплены на силовом каркасе.