Способ аэрации культуральной жидкости микроорганизмов Советский патент 1993 года по МПК C12N1/00 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности, к способам аэрации в процессах культивирования микроорганизмов, утилизирующих метанол, этанол, н-парафины, гидролизаты, сульфитные щелока, отходы сельскохозяйственного производства и т.д.

Цель изобретения - снижение энергозатрат и увеличение коэффициента исполь; зования газообразного субстрата.

Это достигается тем, что способ аэрации при культивировании микроорганизмов, предусматривающий непрерывную аэрацию жидкой фазы с распределенными в ней компонентами субстрата осуществляют под вакуумом, герметизируя емкость соответствующим температуре кипения жидкой фазы, равной оптимальной температуре культивирования. При этом снижается температура начала кипения воды. Аэрирующий газ. поступая в слой жидкости

через диспергирующее устройство является инициатором образования паровых каверн. Вскипая паровые пузырьки сталкиваются, дробятся и перемешиваются в слое жидкости. Поверхностный слой границы пар, газ- жидкость активно турбулизуется за счет испаряющихся с этой поверхности молекул воды. При устойчивом режиме кипения, скорость испарения жидкой фазы на несколько порядков превосходит требуемую скорость растворения аэрирующего газа в жидкости и процесс, аэрации будет лимитироваться подводом тепла требуемого для испарения. Очевидно, что в данном случае скорость массопередачи будут определяться скоростью подвода свежего газа к границе раздела фаз, т.е. количеством подаваемого на аэрацию газа.

При культивировании микроорганизмов лимитирование процесса будет находиться в области перехода границы жидкость-клет(Л

С

;оо

ю

4 4 ;СО OD

кя, и определяется скоростью биосинтеза, но п любом случае скорость переноса кислорода будет выше, чем в традиционных способах аэрации, так как энергия вводимая и аппарат извне (мешалками, насосами, эжекторами и т.д.) п основном тратится на создание поверхности контакта фаз, и на преодоление сопротивления поверхностного слоя жидкой фазы на границе раздела газ-жидкость, В предлагаемом способе эта энергия подводится изнутри за счет тепла, выделяемого биохимической реакцией.

Процесс массопередачи кислорода переходит из диффузионной области (в которойосновноесопротивлениесосредоточено из границе раздела газ-жидкость) в кинетическую и определяется скорость подвода тепла, получаемого в результате биохимической реакции, таким образом процесс становится автомодельным. Все тепло в оптимальном для ведения процесса ферментации идет на испарение воды. При этом, постоянно обновляется по- перхность раздела фаз и ускоряется массо- передача аэрирующего газа - основного компонента питания микроорганизмов. При культив 1ровании микроорганизмов общая скорость ферментации будет определяться кинематическими характеристиками штаммов культуры микроорганизмов,

На чертеже схематично изображена схема предлагаемого способа аэрации при культивировании микроорганизмов.

Ферментатор представляет собой емкость 1 с установленным в ней газораспре- делтелем 2 кислорода, штуцеры 3 подачи кислорода, штуцером 4 выхода отработанной парогазовой смеси и 5 для отбора дрож- жеоой суспензии, и встроенного каплеотделителя 0. Отработанная газовая смесь отсасывается вакуум-насосом 7 и поступает в заводскую систему очистки или на рециркуляцию для отбора оставшегося кислорода и его возвращения на аэрацию.

Преимуществом предлагаемого способа аэрации лвляется автомодельность процесса выращивания микроорганизмов. Чем больше тепла будет выделяться при ферментации, тем интенсивнее процесс испарения и, соответственно скорость массопередачи кислорода. В аппарате реализующем предлагаемый способ исчезнет необходимость использования теплообменников, перемешивающих устройств, диффузоров и вообще любых внутренних устройств за исключением аэраторов.

Пример1.В аппарате рабочим объемом 1 м культивируют дрожжи, ассимилирующие и-злканы.

0

5

0

5

0

Основным газообразным компонентом питания является кислород (подавать воздух невыгодно, так как сдувка образующегося диоксида углерода происходит паром, образующимся при кипении.

В аппарат подают растворы минеральных солей, воду, субстрат, засевные дрожжи, включают подачу технического кислорода и начинают откачивать парогазовую смесь вакуум-насосом.

Процесс культивирования осуществляют при ...34°C.

Необходимо достичь величины абсолютного давления 0,05 кгс/см, чтобы вода закипела. Удельная скорость роста микроорганизмов составляет 3 кг/м3-час . При этом выделяется 180 ккал тепла.

При удельной теплоте паробразования примерно 600 ккал/кг будет испаряться около 30 кг воды, что даст 750 м3/час пара. Необходимое количество кислорода составит 6 кг 02/час или 8,5 м3 02/час.

Учитывая, что степень использования в лучших на сегодняшний день аппаратах редко превышает 25...30%.принимаем расход кислорода 30 м /час. При этом выделится немного более 4 кг углекислого газа, или 8 кг С02/час.

Общее количество отбираемого пара, необходимое для поддержания оптималь-. ной температуры кипения (до 35°С) составит 800 м3/ч. Удельные затраты энергии составят около 4,0 кВт/м3. Исследованиями установлено, что при культивировании дрожжей 5 на н-алканах при удельной мощности перемешивания 4,0 кВт/м3 степень использования кислорода составляет, %:

для аппаратов с механическим перемешиванием 20% 0 для аппаратов колонного типа 15%.

Для предлагаемого способа степень использования кислорода составит 25...28%.

Пример 2. В аппарате, рабочим объемом 10,0 м культивируют гидролизные 5 дрожжи.

Потребность в кислороде, при удельной производительности 1,5 кг/м3.ч, составит 10,0 м3. Требуемый расход технического кислорода около 40,0 м3/час. 0 При этом, выделится 8,0 м3/чЗс диоксида углерода. В аппарате создают подушку из растворов солей и микроэлементов, воды, заливают засевные дрожжи, гключают подачу аэрирующего газа-кислорода. 5 При достижении определенным технологическим регламентом концентрации биомассы включают две вакуум-установки общей производительностью 1100 м3/час.

Установленная мощность - 19 кВт. Количество парогазовой смеси, отбираемое из

аппарата с целью поддержания режима кипения (37...38°С, Р - 0,05 кгс/см7) определяется как сумма испаряемой воды и аэрирующего газа и составляет 11250, О м3/час, при этом общее количество парогазовой смеси составит 11,5 тыс.м /час; удельная мощность перемешивания 2 кВт/м3; степень использования кислорода не менее 20...25%. тогда как в существующих системах ферментации не более 5...10%.

Движущая сила массопередачи кислорода в данном процессе пропорциональна его парциальному давлению в газовой фазе и в целом, по сравнению с аэрацией в нормальных условиях, будет ниже. Из основного уравнения массопередачи следует, что в предлагаемом способе при уменьшении движущей силы кислорода пропорционально снижению парциального давления кислорода возрастет объемный коэффициент массопередачи, во-первых, за счет существенного увеличения поверхности контакта фаз, т.к. наряду с обычной аэрацией будет

10

15

20

точено основное сопротивление массопере- носу (80-90) от общего времени массопередачи). Следовательно, скорость сорбции кислорода останется неизменной при сохранении постоянной удельной мощности перемешивания.

При этом степень использования кислорода возрастет в 2 и более раза, что позволит снизить удельные энергозатраты на аэрацию.

Формула изобретения Способ аэрации культуральной жидкости микроорганизмов, предусматривающий непрерывную подачу газа под слой жидкости в емкость ферментера и последующий отвод отработанного газа, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат и увеличения коэффициента использования газообразного субстрата, емкость ферментера герметизируют и создают в ней разрежение путем откачки отработанного газа вакуум-насосом, при этом степень разрежения поддерживают в преVl/Ow I 14 Aiy Ч W/Of т Jr I r j ..-..--(.- p-. « . ,

иметь место обьемное кипение жидкой фа- 25 делах, соответствующих температуре кипеэы. а во-вторых, за счет уменьшения сопротивления диффузии кислорода через пограничный слой газ-жидкость. При кипении жидкости именно в этом слое сосредо 6L

I

ПО

ния культуральной жидкости в оптимальном интервале культивирования микроорганизмов 32 - 38°С, причем в качестве аэрирующего газа подают технический кислород.

0

5

0

точено основное сопротивление массопере- носу (80-90) от общего времени массопередачи). Следовательно, скорость сорбции кислорода останется неизменной при сохранении постоянной удельной мощности перемешивания.

При этом степень использования кислорода возрастет в 2 и более раза, что позволит снизить удельные энергозатраты на аэрацию.

Формула изобретения Способ аэрации культуральной жидкости микроорганизмов, предусматривающий непрерывную подачу газа под слой жидкости в емкость ферментера и последующий отвод отработанного газа, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат и увеличения коэффициента использования газообразного субстрата, емкость ферментера герметизируют и создают в ней разрежение путем откачки отработанного газа вакуум-насосом, при этом степень разрежения поддерживают в ..-..--(.- p-. « . ,

5 делах, соответствующих температуре кипеделах, соответствующих температуре кипе

ния культуральной жидкости в оптимальном интервале культивирования микроорганизмов 32 - 38°С, причем в качестве аэрирующего газа подают технический кислород.

Использование: микробиологическая промышленность, культивирование микроорганизмов п жидкой среде при аэрации. Сущность изобретения: способ предусматривает непрерывную подачу газа под слой культуральной жидкости в ферментере и отвод отработанного газа, при этом емкость ферментера герметизируют и создают в ней рэзрсм еиие путем откачки отработанного газа вакуум-насосом, а степень разрежения поддерживают в пределах, соответствующих температуре кипения культуральной жидкости в оптимальном интервале культи- оирования микроорганизмов 32 - 38°С, причем в качестве аэрирующего газа подают технический кислород, 1 ил.

Ошрайомамые газь/ NO ovucsnxy о узел рециркуляции