Пиво и напитки

Ферментаторы и биореакторы

Аппараты для проведения ферментативных процессов называют ферментаторами, а для создания наиболее благоприятных условий жизнедеятельности микроорганизмов — биореакторами.

Оборудование, предназначенное для культивирования микроорганизмов — продуктов биологически активных веществ, называют растильными установками.

Вибрационные растильные установки

Вибрационные растильные установки основаны на динамическом методе выращивания культур грибов в непрерывно движущемся вибрационном слое. Сущность способа заключается в том, что стерильную питательную среду, смешанную с посевной культурой, в процессе выращивания подвергают вибрационным колебаниям с одновременным перемещением в непрерывном потоке. Под действием высокочастотных колебаний в пределах 10…17,5 Гц питательная среда, находящаяся на транспортируемом органе, приобретает специфические свойства: становится более подвижной, уменьшается коэффициент внутреннего трения и снижается сопротивление перемещению. Колебательные импульсы передаются слою транспортируемой среды и она переходит во взвешенное состояние.

Режим вибрационного транспортирования характеризуется непрерывным обновлением поверхностного слоя: часть пути среда совершает в контакте с поверхностью грузонесущего органа, затем отделяется от нее, а через некоторое время снова падает. В результате среда интенсивно перемешивается. Каждая частица среды находится в непрерывном движении в течение 36 ч, при этом интенсивно аэрируются отдельные мельчайшие частицы среды, что в тысячи раз увеличивает активную поверхность среды по сравнению со статическим кюветным способом выращивания.

Физиологическая теплота, выделяемая культурой в процессе активного роста, отводится водой, в результате чего расход кондиционированного воздуха сокращается с 20 000 до 500 м3 на 1 т культуры.

Применение вибрации позволяет интенсифицировать процессы массо- и теплообмена и микробиологического синтеза, механизировать все технологические операции, повысить активность культуры и организовать высокоэффективный процесс.

Вибрационная установка может быть как горизонтальной, так и вертикальной.

Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия

Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия производительностью 3,5 т/сут (рисунок 1) состоит из рамы 1, бункера для отрубей 2, стерилизатора 5, вибростерилизатора 3 и четырех последовательно соединенных герметизированных вертикальных вибрационных конвейеров лоткового типа 7. Собственно растильной частью установки являются первые три конвейера, составляющие соответственно первую, вторую и третью зоны роста. Четвертый конвейер предназначен для сушки культуры. Каждый виброконвейер снабжен индивидуальным приводом 8 с дебалансовыми вибраторами, трубопроводами 9,10 к 11 для подачи среды соответственно на второй, третий и четвертый конвейеры.

Рисунок 1 - Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия
Рисунок 1 — Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия

Стерильная засеянная питательная среда из вибростерилизатора 3 поступает в приемный лоток 6 первого виброконвейера и под влиянием виброимпульсов, сообщаемых желобу от вибропривода 4, перемещается снизу вверх. Из верхнего лотка первого виброконвейера среда по трубе поступает в нижний приемный лоток второго виброконвейера. Конструктивно второй виброконвейер отличается от первого только тем, что лотки его снабжены водяной рубашкой для отвода теплоты, выделяемой в период активного роста культуры. Для отвода продуктов жизнедеятельности микроорганизмов во второй виброконвейер подается кондиционированный воздух. Из верхнего лотка второго виброконвейера среда поступает по трубе в нижний приемный лоток третьего виброконвейера, устройство которого аналогично первому.

Скорость движения среды по лоткам виброконвейеров составляет 2…3 мм/с, а диаметр и число витков всех виброконвейеров рассчитаны так, чтобы среда находилась в непрерывном движении в течение всего процесса роста. Из верхнего лотка третьего виброконвейера выращенная культура гриба по трубе поступает в нижний приемный лоток четвертого конвейера на сушку. Устройство этого виброконвейера идентично второму, но в рубашку лотков подают воду температурой 70 °С и дополнительно подводится воздух температурой 70…80 С. Выращенная и высушенная культура гриба выгружается, а воздух после бактериальной очистки удаляется.

Техническая характеристика вибрационной растильной установки винтового типа:Техническая характеристика вибрационной растильной установки винтового типа

Стерильный кондиционированный воздух, необходимый для аэрации в количестве 500… 1800 м3 на 1 т культуры, подается кондиционером.

Ферментаторы с механическим перемешиванием барботажного типа

Ферментаторы с механическим перемешиванием барботажного типа широко применяются для стерильных процессов выращивания микроорганизмов — продуцентов биологически активных веществ. Ферментатор (рисунок 2) такого типа представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической формы, изготовленный из стали Х18Н10Т или биметалла с эллиптическими крышкой и днищем. Отношение высоты к диаметру равно 2,6 : 1. На крышке аппарата расположен привод перемешивающего устройства, состоящий из электродвигателя 1, редуктора 2, муфты 3, подшипника 4 и сальника 5. Здесь же установлены штуцеры для загрузки питательной среды и посевного материала 18, подачи и вывода воздуха 19, смотровые окна, люки для погружения моющей механической головки; предохранительный клапан.

Рисунок 2 - Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа
Рисунок 2 — Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа

Для выгрузки культуры в днище аппарата предусмотрен спускной штуцер 16. Внутри корпуса 7 проходит вал 6 с закрепленными на нем перемешивающими устройствами, состоящими из закрытых турбин 8. Барботер 13 соединен с трубой 11 для подвода воздуха и выполнен в виде разборного ромба из перфорированных труб. В верхней его части расположены в шахматном порядке 2000…3000 отверстий. Вал 6 и перемешивающие устройства 8, 12, 14 с муфтами 10 и 15 приводятся во вращение от мотор-редуктора 2.

Ферментатор оборудован рубашкой 17, состоящей из 6…8 ярусов-секций. Каждая секция состоит из 8 навитых опоясывающих каналов, выполненных из уголкового профиля. Площадь поверхности охлаждения рубашки 60 м2, внутренняя поверхность которой состоит из змеевиков 9 диаметром 600 мм и общей высотой 2,4 м.

Ферментатор рассчитан для работы под избыточным давлением 0,25 МПа и стерилизации при 130… 140 °С, а также для работы под разрежением. В процессе выращивания микроорганизмов давление внутри ферментатора в пределах 50 кПа; расход стерильного воздуха до 1 м3/(м3·мин). Высота столба жидкости в аппарате 5…6 м при высоте аппарата более 8 м.

Для обеспечения стерильности процесса предусмотрены торцевые уплотнения вала перемешивающего устройства с паровой защитой. Торцевые уплотнения рассчитаны для работы при давлении до 0,28 МПа и остаточном давлении не ниже 2,7кПа, температуре 30.. .250 °С и частоте вращения вала до 500 мин-1. С помощью торцевых уплотнений удается практически полностью предотвратить утечку среды или попадание воздуха в полость аппарата в месте вывода вала.

Торцевые уплотнения, соприкасающиеся с рабочей средой, изготовляются из стали Х18Н10Т и Х17Н13М2Т, а также из титана ВТ-10. Длительность безотказной работы торцевого уплотнения не менее 2000 ч при ресурсе работы 8000 ч. Допустимое радиальное биение вала в зоне торцевого уплотнения не более 0,25 мм, угловое биение вала не более 0,25°.

Техническая характеристика ферментаторов с пневматическим перемешиванием:Техническая характеристика ферментаторов с пневматическим перемешиванием

Ферментаторы с пневматическим перемешиванием и внутренним циркуляционным контуром

Наибольшее распространение получили эрлифтные дрожжерастильные аппараты с внутренним циркуляционным контуром. Данные конструкции ферментаторов не имеют механических средств пеногашения. Пена гасится под тяжестью столба жидкости при ее циркуляции. Воздух в аппарат проходит по центральной трубе в кювету, где из подаваемого сусла и жидкости, содержащейся в нижней части аппарата, образуется газожидкостная смесь, которая движется по внутреннему диффузору. Часть воздуха отделяется от пены и выходит в атмосферу через отверстие в крышке аппарата, а другая часть вместе с пеной опускается по кольцевому зазору между диффузором и стенкой. При движении вниз пена гасится. Кратность циркуляции достигает 1,5…2 объема рабочей жидкости в минуту. Промышленные аппараты имеют высоту 12…15 м. Пена поднимается до высоты 10…12 м. Охлаждение ферментатора производится орошением наружной стенки и подачей воды в рубашку диффузора. Расход воздуха составляет 20 м3 на 1 кг сухих дрожжей.

Техническая характеристика промышленных ферментаторов этого типа, работающих при атмосферном давлении, приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Техническая характеристика ферментаторов с пневматическим перемешиванием и аэрированием для производства кормовых дрожжей
Таблица 1 — Техническая характеристика ферментаторов с пневматическим перемешиванием и аэрированием для производства кормовых дрожжей

Цилиндрический эрлифтный ферментатор

Цилиндрический эрлифтный ферментатор (вместимостью 1300 м3) предназначен для непрерывного выращивания дрожжей на сусле, которое является отходом гидролизно-дрожжевого производства.

Он представляет собой стальной сварной корпус 1 с днищем в виде усеченного конуса и конической крышкой с центральным отверстием (рисунок 3). Внутри аппарата установлены четыре диффузора 7, которые создают четыре самостоятельно циркулирующих потока. Через коллектор 2 в центральные трубы каждого диффузора, на конце которых имеются конус и кювета 8, подается сжатый воздух.

Рисунок 3 - Цилиндрический эрлифтный ферментатор
Рисунок 3 — Цилиндрический эрлифтный ферментатор

На крышке аппарата установлен распределительный бачок, куда через штуцера 3,4 и 5 поступают бражка, сусло, засевные дрожжи и аммиачная вода. Все компоненты смешиваются и образуют питательную смесь, которая свободным потоком по трубам диаметром 100 мм поступает вниз, в кюветы аэрирующего устройства.

Питательная смесь, переливаясь через край кюветы, смешивается с воздухом, выходящим через щели под кюветой. Образовавшаяся воздушно-жидкостная эмульсия поднимается вверх по диффузору к отбойнику 6, откуда, разрушаясь, стекает вниз. Для наружного охлаждения стенок аппарата установлен ороситель в виде коллектора. Техническая характеристика ферментаторов приведена в таблице 1.