Аппарат для выращивания микроорганизмов
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ . СВИДЕТЕЛЬСТВУ
С. И. Писарев и Б. Я. Максимук Институт газа АН Украинской СОР (7l) Заявитель (54) АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Изобретение относится к аппаратуре для бродильных процессов, в частности к бродильным резервуарам, и может быть использовано для выращивания микроорганизмов из родов Pseudomonas или Васiilus. Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальную емкость, концентрично установленный вал с перемешивающим устройством, 10 расположенным в нижней части емкости, снабженный системой гидродинамического пеногашения, включающий циркуляционный насос и трубопроводы, а также двумя дисками, установленными на l5 валу в верхней части емкости, и ребрами, закрепленными на валу над перемешивающим устройством (1 . Однако наличие циркуляционного насоса и трубопроводов, а также двух пеноотбойных дисков значительно усложняет конструкцию .аппарата. Наиболее близким к предлагаемому является аппарат ля выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальную цилиндрическую емкость, укрепленные в ней на приводном валу пеногаситель и мешалку, размещенную в нижней части емкости, аэратор и трубопроводы для подвода питательной среды, аэрирующего газа и культуральной жидкости на пеногаситель и отвода культуральной жидкости и отработанных газов 2». Общим недостатком известных аппа-. ратов является сложность конструкции и недостаточный массообмен в аппарате. Последнее объясняется тем, что внутри этих аппаратов образуется жидкостная воронка, вследствие чего происходит эфекция отработанного газа из свободного от культура|тьной жидкости пространства аппарата в культуральную жидкость, что снижает парциальное давление необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов газов, например метана и кислорода, а следовательно, и массообмен в аппарате. Кроме того, в результате 859437 10 недостаточного диспергирования газов, подаваемых в культуральную жидкость, они, не успевая раствориться в культуральной жидкости, выходят иэ, аппарата. Все это приводит к снижению массообмена в аппарате, а также уменьшает коэффициент использования газового сырья. Цель изобретения — интенсификация маесообмена между газом и культуральной жидкостью. Поставленная цель достигается тем, что аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальную цилиндрическую емкость, укрепленные в ней на приводном валу пеногаситель и мешалку, размещенную в нижней час". ти емкости, аэратор и трубопроводы для подвода питательной среды аэрирующего газа и культуральной жидкости на пеногаситель и отвода культураль ной жидкости и отработанных газов, снабжен эллиптической перегородкой со всасывающим и нагнетательным отверстиями, укрепленной в емкости под углом 30-60 к вертикальной оси с образованием в нижней части емкости.реакционной, а в верхней части отстойной зон, причем отверстия выполнены по обе стороны от большой оси . эллиптической перегородки и смещены относительно этой оси íà pcccTQHEHp) определяемое по формуле э где L — расстояние от большой оси эллиптической перегородки до отверстия t Й вЂ” радиус вертикальной цилиндрическойй емко сти R®- эффективный радиус мешалки, определяемый по формуле 27Г .в которой R„ начальный радиус лопастей мешалки; R - радиус мешалки Z — оптимальное количество лопастей; - толщина лопастей, при этом тру бопровод для подвода питательной среды подведен под эллиптическую перегородку. Трубопровод для подвода культуральной жидкости на пеногаситель ук4 реплен в верхней части эллиптической перегородки. На фиг.1 изображен предлагаемый аппарат для выращивания микрооргачизмов, вертикальный разрез; на фиг.2 и 3 — разрез А-А на фиг.1, а также возможная форма и место расположения на тарелке всасывающего и нагнетательного или нагнетательных отверстий1 на фиг.4 — результаты сравнительных испытаний предлагаемого аппарата и известного, а именно, время нейтралиэации водного раствора Na0H угле- . кислым газом в сравниваемых аппаратах. Аппарат для выращивания микроорганизмов содержит вертикальную цилиндрическую емкость 1, укрепленные в ней на приводном валу 2 пеногаситель 3 20 и мешалку 4 размещенную в нижней часЭ ти емкости 1, и аэратор 5, выполненный в виде кольцевой трубки с отверстиями, сообщенный е трубопроводом 6 для подвода газа. Цилиндрическая В емкость закрыта крышкой 7, на которой расположены трубопровод 8 для подачи питательной среды и трубопровод 9 отвода отработанного газа, K верхней части емкости 1 подсоединен трубопровод 10 для отвода культуральной жидкости. Пеногаситель 3 расположен в верхней части емкости выше трубопровода 10 для отвода культуральной жидкости и выполнен в виде диска, на нижней поверхности которого закрепле35 ны радиальные лопасти. Над мешалкои 4 под углом 30-60 к оси емкости 1 6 установлена эллиптическая перегородка 11, прикрепленная посредством стоек 12 и 13 к крышке 7 емкости 1, Пе4О регородка 11 разделяет рабочий объем аппарата на две эоны: нижнюю — реакционную и верхнюю — отстойную, причем рабочий объем аппарата, находящийся выше мешалки 4 разделяется перегород3 кой 11 на две равные части. Между перегородкой 11 и цилиндрической емкостью.1 обеспечивается минимальный зазор, IIosBoJIHI A свободную установку перегородки 11. В полости эллиптичес- кой перегородки 11 симметрично, на расстоянии L от ее большой оси, выполнены всасывающее отверстие 14 и нагнетательное или нагнетательные отверстия 15, причем всасывающее M отверстие 14 Желательно расположить ниже малой оси (фиг.2 и 3) . Расположение этих отверстий в той или дру: гой частях плоскости, симметричных 859437 большой оси перегородки 11, э ави сит от направления вращения мешалки 4. Нагкетательное отверстие 15 (отверстия) выполняют в той части плоскости перегородки 11, на которую наталкивается поток жидкости, отбрасывае мый мешалкой 4, а всасывающее отверстие 14 — в противоположной части плоскости. Величина L определяет расстояние границы возможного распо- О ложения отверстий 14 и 15 в перегородке 11. Такое расположение отверстий 14 и 15 в указанных частях плоскости перегородки l! предотвращают образование воронки в отстойной зоне аппарата.Величина L рассчитывается по формуле где 1 — расстояние от большой оси эллиптической перегородки до отвер стий «1 R — радиус вертикальной цилиндС рической емкости R — эффективный радиус мешалки, Э определяемый по формуле где R — начальный радиус лопастей 1 мешалки; R - радиус мешалки; 1 — - оптимальное количество лопастей; — толщина лопастей. Эта формула получена в результате анализа структуры потоков жидкости в аппарате. Точность ее проверена экспериментально. Визуально установлено, что при уменьшении расстояния между большой осью перегородки 11 и отверстиями 14 и 15 в ней более чем на IOX по сравнению с величиной L, рассчитанной по формуле, в отстойной зоне аппарата возникает воронка. Последнее приводит к эжекции отработанного газа через отверстия 14 и 15 под перегородку. Однако предотвраще- . ние образования воронки в аппарате достигается только при углах наклона перегородки к оси аппарата, равных 30-60 . Визуальными наблюдениями установлено, что при с1-)60 под перев городкой возникает воронка, при этом наличие газового объема в воронке снижает объем жидкости, находящийся в реакционной зоне. При aL < 30 в верхней части реакционной зоны наблюдается снижение газосодержакия. Поэтому угол наклона перегородки должен быть выбран в пределах 30-60 Всасывающее и нагнетательное отверстия 14 и 15 перегородки 11 могут иметь любую форму: круглую, овальную, каплеобразную, Кроме того, нагнетательное отверстие 15 может быть рассредоточено (фиг.3). В верхней части перегородки 11 закреплен трубопровод 16 для подвода культуральной жидкости на пеногаситель 3. Площадь всасывающего отверстия можно приближенно рассчитать по формуле Ss ††(1-0,5) II R . Площадь нагнеЧ. тательного отверстия (суммарная площадь отверстия) выбирается в пределах S„ =(1-0,5) Ss. Диаметр аэратора желательно принять равным D=2L. Аппарат работает следующим обраl зом. 2Э Емкость 1 через трубопровод 8 для подачи питателькой среды заполняют культуральной жидкостью до высоты трубопровода 10 для отвода этой жидкости. При вращении мешалки 4 по чазо совой стрелке (фиг.l) культуральная жидкость стремится принять вращательное движение относительно оси емкости 1 в том же направлении, Однако перегородка 11 препятствует этому движению. В результате под перегородкой 11 происходит интенсивное перемешивание культурапьной жидкости, при этом в реакционной зоне под нагнетательным отверстием 15 образуется повышенное давление, а под всасывающим отверстием 14 — пониженное. Вследствие этого культуральная жидкость из реакционной эоны через нагнетателькое (нагнетатрлькые) отверстие 15 поступает в отстойную зону, а через всасывающее отверстие 14 из отстойной - в реакционную, что обеспечивает циркуляцию культуральной жидкости. Газы подают через трубопровод 6 и аэратор 5 в реакционную зону где образуется высокодисперсная система с сильно развитой поверхностью контакта фаз, обеспечивающая в основном массообмек в аппарате, при этом большая часть газов, подаваемых в 55 емкость 1, задерживается перегородкой 11 и не выходит из реакционной зоны. Это обеспечивает более полное использование газового сырья и сни85 9437 8 принимают равным 25,30,45 и 604, диаметр всасывающего и нагнетательного отверстий 14 и 15 — 40 мм. Испытания показывают (фиг.4), что для нейтрализации одинакового раствора NaQK в предлагаемом аппарате (кривая 1) требуется в два раза меньше времени по сравнению с известным (кривая 2). Кроме того, в предлагае10 мом аппарате при добавке ПАВ наблюдается удовлетворительное пеногашение. Таким образом, при установке перегородки в предлагаемом аппарате соз13 даются гидродинамические условия, при которых интенсифицируются процес", сы массообмена и пеногашения, а также происходит более полное использование газов. газов, подаваемых в реакционную зону, через нагнетательное (нагнетательные) отверстие 15 попадает в отстойную зону. Этот газ, а также газообразные продукты метаболизма (СО ) выходят из отстойной зоны в свободный от культуральной жидкости объем аппарата, при этом образующаяся на свободной поверхности культуральной жидкости пена разрушается лопатками пеногасителя 3 и культуральной жидкостью, отбрасываемой диском пеногасителя 3 к периферии емкости 1. Культуральная жидкость подается на пеногаситель 3 из реакционной зоны через трубопровод 16 за счет давления, создаваемого мешалкой 4 в верхней части этой зоны. В процессе ферментации через трубопровод 8 осуществляется непрерывная подача питательной среды под перегородку 11. Отработанные газы, а также газы, образовавшиеся в ре. зультате ферментативной реакции, выводятся через трубопровод 9. Через трубопровод 10 осуществляется непрерывный отбор избытка культуральной жидкос1и. Незначительное перемешивание культуральной жидкости в отстойной зоне предотвращает образование воронки и эжекции отработанного газа в культуральную жидкость. Последнее имеет большое значение при подаче в реакционную зону вместо газов через аэратор 5 насыщенного этими газами воды. В этом случае обеспечивается практически полное потребление подаваемых в аппарат газов и значительно снижается пенообразование. Формула изобретения жает пенообразование на свободной поверхности культуральной жидкости. Культуральная жидкость в результате циркуляции, проходя реакционную зону, насыщается газами, что обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов. Однако незначительная часть ), Аппарат для выращивания микроорганизмов, .содержащий вертикальную цилиндрическую емкость, укрепленные в ней на приводном валу пеногаситель и мешалку,.размещенную в нижней части емкости, аэратор и трубопроводы для подвода питательной среды, аэрирующего газа и культуральной жидкости на пеногаситель и отвода культуральной жидкости и отработанных газов, отличающийся тем, что, с целью интенсификации массообмена между газом и культуральной жидкостью, аппарат снабжен эллиптической Э5 перегородкой со всасывающим и нагнетательным отверстиями, укрепленной в емкости под углом 30-60 к вертикальной оси с образованием в нижней части емкости реакционной, а в верх40 ней части отстойной зон, причем отверстия выполнены по обе стороны от большой om эллиптической перегородки и смещены относительно этой оси 45 на расстояние, определяемое по формуле Испытания проводят в прозрачном аппарате со следующими габаритами: диаметр емкости 1-200 мм, диаметр S0 перемешивающего устройства (мешалки с радиальными лопастями) — 97 мм, число оборотов мешалки 4 — 360 об/мин, объем раствора - 8 л. Расход углекислого газа поддержи-вают постоянным и равняется 2 л/мин, температуру раствора в аппарате - равной 15-0,5оС. Угол расположения перегородки 11 в предлагаемом аппарате где L — расстояние от большой оси эллиптической перегородки до отверстия R - радиус вертикальной цилинд4 рической емкости; R>- эффективный радиус мешалки, определяемый по формуле в которой К вЂ” начальный радиус лопастей ме1 шалки» R — радиус мешалки; Z — оптимальное количество лопастей„ Ф - толщина лопастей, при этом трубопровод для подвода питательной среды подведен под эллиптическую перегородкт. 859437 2. Аппарат но п.1, о т л и ч а к»шийся тем, что трубопровод для подвода культуральной жидкости на пе ногаситель укреплен в верхней части эллиптической перегородки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Ф 461114, С 12 В 1/LO, 1973. 2. Авторское свидетельство СССР Р 355214» кл. С 12 В 1/10» 1971, Ляпаем дна
