Радиально-осевой ферментёр
advertisement
Радиально- осевой ферментёр для аэробных процессов с высокой вязкостью культуральной жидкости. (Архипов М.Ю.) Мицелиальные микроорганизмы • Мицелиальные микроорганизмы обычно существуют в виде микроколоний (микробных агломератов) , в которых связанные между собой гифы образуют сложную структуру. • Снабжение кислородом клеток микроорганизмов, находящихся внутри агломерата, происходит через внешнюю поверхность агломерата и далее путём диффузии по каналам, образуемым промежутками между гифами мицелия микроорганизмов. Виды морфологии растущего в ферментёре мицелия Варианты профиля распределения кислорода по глубине агломерата Агломерат Жидкость 1, 2, 3, 4, 5 ‐ удельная скорость потребления кислорода внутри агломерата в порядке возрастания его размера Сегрегация в ферментационных жидкостях • Перемешивание никогда не бывает полностью идеальным. • Жидкость, содержащая растворенные компоненты питательной среды, нерастворимые частицы (например, муку), микроорганизмы и их микроколонии, не перемешивается до молекулярного уровня и даже до уровня отдельных клеток или их микроколоний. • В соответствии с теорией Данквертса перемешивание происходит до размеров «жидких частиц», соизмеримых с наименьшим масштабом турбулентных пульсаций Следствия сегрегации • В результате рабочий объем аппарата распадается на множество сегрегированных неперемешиваемых объемов жидкости, функционирующих как отдельные биореакторы-агломераты. • Размеры агломератов больше размеров отдельных клеток, или микроколоний, или жестких сцеплений микроколоний. В принципе такого рода агломераты – неперемешиваемые объемы жидкости – существуют в любой, особенно вязкой, жидкости («жидкие частицы» по Данквертсу). • Распределение кислорода в таких неперемешиваемых объёмах жидкости аналогично рассмотренному выше для микробных агломератов с фиксированными размерами Диапазон изменения параметров в мицелиальных ферментациях • В процессах мицелиальных ферментаций основные параметры изменяются в следующих пределах: • Вязкость – от 1…5 до 300…800 мПа*с • Концентрация биомассы – в 10...15 раз • Скорость потребления кислорода Qm – от 0,3 до 10 г/ л в час Неравномерность турбулентности в ферментёре • Уровень турбулентности в ферментёре неодинаков в разных частях аппарата и существенно отличается от средней величины диссипации энергии εср • Если стремиться к тому, чтобы турбулентность была равномерной (изотропной) и к тому же везде обеспечивала высокое относительное дыхание, то это повлечёт за собой значительное повышение энергозатрат и усложнение конструкции аппарата • Более целесообразно использовать эффект комбинации зон интенсивного перемешивания и циркуляционных потоков Распределение диссипации энергии (ε/εср) в ферментёре Циркуляционная модель структуры потоков в ферментёре Зона циркуляции Зона интенсивного перемешивания Зона циркуляции Радиальное и осевое течение жидкости в ферментёре Радиальное течение Осевое течение Динамика изменения концентрации кислорода в зоне перемешивания • Объём зоны интенсивного перемешивания обычно не превышает 10% от общего объёма, занятого жидкостью в ферментёре. • В зоне интенсивного перемешивания размер микробных агломератов мал, и они насыщаются кислородом до высоких концентраций. • При переходе в зону циркуляции малоразмерные агломераты объединяются в более крупные, и в каждом из них в начале пути концентрация кислорода практически одинакова на поверхности и в глубине агломерата. Динамика изменения концентрации кислорода в циркуляционном контуре • По мере прохождения циркуляционного контура происходит непрерывное снижение концентрации кислорода в агломерате из-за его потребления и недостаточного снабжения им через поверхность «циркуляционных» агломератов большого размера (из-за низкой турбулентности в циркуляционном контуре). • При входе в зону интенсивного перемешивания происходит насыщение кислородом – и в итоге изменение концентрации кислорода у клеток имеет пилообразный характер: Динамика изменения концентрации растворённого кислорода в агломерате 1-й цикл циркуляции 2-й цикл циркуляции Необходимая модификация ферментационных аппаратов • Разделение рабочего объёма жидкости в аппарате на две зоны: зону интенсивного перемешивания и зону циркуляции. • В зоне перемешивания использовать турбинную мешалку с высокой локальной диссипацией энергии. циркуляционного потока • Для создания использовать мешалки с осевым течением жидкости, в которых вся энергия должна быть сосредоточена на обеспечении наиболее быстрой циркуляции жидкости. Смысл модификации • Каждый элемент жидкости вместе с находящимися в нем микроорганизмами периодически попадает в зону интенсивного перемешивания, насыщается в ней кислородом, а затем в течение определенного времени (времени циркуляции ) может либо вообще не снабжаться кислородом, либо снабжаться в наименьшей степени. Возможный пример реализации предложения 1. Зона интенсивного перемешивания расположена в нижней части аппарата (турбинная мешалка). 2. Центральная часть аппарата выполнена в виде цилиндрического диффузора (обечайки), внутри которого проходит вал с одним или более ярусами осевых (например, пропеллерных) мешалок, обеспечивающих циркуляцию жидкости сверху вниз. 3. Радиальный поток жидкости от турбинной мешалки идёт вверх у стенок аппарата ПРЕИМУЩЕСТВА • При работе на вязких культуральных жидкостях аппарат с комбинированной радиально-осевой системой перемешивания обеспечивает 2-кратное снижение энергозатрат по сравнению с традиционной многоярусной системой радиального перемешивания турбинными мешалками
