Аппарат для выращивания микроорганизмов Советский патент 1975 года по МПК C12B1/08 

1

Изобретение относится к области микробиологической промышленности.

Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий сообщающиеся в верхней и нижней частях колонны для создания восходящего и нисходящего потоков газожидкостной смеси с системой для ввода питательной среды, воздуха и отвода готового продукта и отработанных газов.

Известный аппарат не обеспечивает интенсификацию процесса выращивания микроорганизмов.

С целью интенсификации процесса выращивания микроорганизмов колонна с нисходящим потоком газо-жидкостной смеси снабжена последовательно установленными по вертикали чередующимися между собой устройствами для насыщения жидкости газом и устройствами для разрушения газо-жидкостной смеси с образованием секций, каждая из которых сообщена с системой подвода воздуха, теплохладоносителя и имеет патрубок для отвода отработанных газов, колонна восходящего потока разделена по вертикали на секции и снабжена аэрирующими устройствами, расположенными в каждой секции, при этом колонна с нисходящим потоком имеет секцию для дозревания, расположенную в ее нижней части.

Кроме того, устройство для насыщения жидкости газом, расположенное в колонне с нисходящим потоком жидкости, выполнено в виде системы вертикально установленных эжекторов, ввальцованных в горизонтальные трубные решетки с образованием воздушных и теплообменных камер.

Кроме того, устройство для разрушения газо-жидкостной смеси выполнено в виде многоярусно расположенных на конической обечайке конических отражателей, установленных под каждым эжектором, при этом обечайка укреплена большим основанием на нижней трубной решетке.

Входной и выходной патрубки эжекторов имеют шестигранную форму, а их грани жестко связаны друг с другом. Нижние концы сопел эжекторов снабжены направляющими по спирали.

Кроме того, в колонне с восходящим потоком газо-жидкостной смеси вертикально установлены эрлифтные и гидродинамические трубы с аэраторами, связанными с нижними участками труб.

Над выходными участками труб, расположенными в верхней секции колонны восходящего потока газо-жидкостной эмульсии, расположены отражатели.

Секции колонны восходящего потока сообщены с секцией дозревания колонны нисходящего потока.

Секция для дозревания, расположенная в колонне нисходящего потока, снабжена диффузором, аэратором и теплообменником, а патрубок для отвода готового продукта подключен к нижней части секции дозревания.

Аэраторы, расположенные в гидродинамических трубах, выполнены в виде эжекторов, ось которых параллельна оси труб.

Конические отражатели, установленные под эжекторами, снабжены лопастями, например Эвольвентного профиля, для закрутки отражаемой струи газо-жидкостной эмульсии.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый аппарат, общий вид; на фиг. 2 и 3 - разрезы по А-А и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 и 5 - коническое сопло с направляющими, виды сбоку и спереди; на фиг. б - отражатели с лопастями эвольвентного профиля, вид в плане.

Аппарат состоит из колонн 1 и 2 соответственно для создания восходящего и нисходящего потоков культуральной жидкости, сообщающихся между собой в верхней и нижней частях переливными трубами 3.

Колонна 2 с нисходящим потоком жидкости снабжена последовательно установленными по вертикали чередующимися между собой устройствами для насыщения культуральной жидкости газом, например воздухом, и устройствами для разрущения газо-жидкостной эмульсии с образованием секций 4, каждая из которых патрубками 5 и 6 сообщена с системой подвода воздуха и теплохладоносителя и имеет окно 7 для отвода отработанных газов.

. Устройство для насыщения жидкости газом выполнено в виде системы вертикально установленных эжекторов, каждый из которых имеет верхний входной и нижний выходной патрубки 8 и 9 и состоит из цилиндро-конического диффузора 10 и конического сопла 11, нижний конец которого снабжен направляющими 12, расположенными по спирали для закручивания воздущной струи.

Входные и выходные патрубки 8 и 9 эжекторов и верхние концы диффузоров 10 ввальцованы соответственно в верхнюю, нижнюю и промежуточную трубные рещетки 13 с образованием верхней воздущной камеры В и нижней теплообменной камеры Г.

Входные и выходные патрубки 8 и 9 эжекторов имеют шестигранную форму, а их грани 14 жестко связаны одна с другой.

Устройство для разрущения газо-жидкостчой эмульсии выполнено в виде многоярусно расположенных на конической обечайке 15 конических отражателей 16, установленных под каждым эжектором, при этом обечайка 15 укреплена больщим основанием на нижней трубной рещетке 13 устройства для насыщения жидкости газом.

Отражатели 16 снабжены лопастями 17, например эвольвентного профиля, для закручивания отражаемой струи газо-жидкостной эмульсии.

В нижней части колонны 2 с нисходящим

потоком имеется секция 18 для дозревания

микроорганизмов, снабженная диффузором 19,

аэратором 20 и теплообменником 21, при этом

патрубок 22 для отвода готового продукта

подключен к нижней части секции 18 для дозревания, которая отделена от выщерасположенной секции 4 горизонтальной перегородкой 23 и сообщена с ней вертикальной трубой 24. Переливной трубой 25 с задвижкой 26 секция

18 дозревания сообщена с нижней частью колонны 1 с восходящим потоком газо-жидкостной эмульсии.

Горизонтальными перегородками 23 колонна 1 разделена на секции 27 и снабжена расположенными в каждой из них патрубками 28 для выхода отработанных газов и патрубками 29 для ввода питательной среды и реагента-регулятора рН с подачей их, например, во вторую снизу секцию 27.

Аэрирующие устройства выполнены в виде эрлифтных гидродинамических труб 30, 31, нижние участки которых связаны с аэраторами 20, которые выполнены в виде эжекторов, а их ось параллельна оси труб.

Над выходными участками труб 31 имеются конические отражатели 32, которые могут быть установлены и над трубами 31 и в нижерасположенных секциях 27. Каждая секция 27 колонны 1 соединена

патрубками 33 с вертикальной трубой 34, сообщенной внизу с верхней частью секции 18 дозревания продукта колонны с нисходящим потоком. Колонна 2 с нисходящим потоком жидкости и труба 34 в верхней части снабжены распылителями 35, подключенными к системам подачи пеногасящей эмульсии и воды для мойки аппарата. Аппарат работает следующим образом.

Во вторую секцию 27 колонны 1 с восходящим потоком через патрубки 29 вводится культуральная жидкость с посевной культурой микроорганизмов, выращенных в аппарате малой емкости. Одновременно включается система для ввода питательной среды, подаваемой в эту секцию 27 через патрубок 29, и система подвода воздуха, нагнетаемого от турбовоздуходувки (на чертежах не показана) в аэраторы 20 эрлифтных труб 30 и сообщенных с

ними гидродинамических труб 31.

По заполнении второй секции 27 жидкость по эрлифтным и гидродинамическим трубам подается в виде газо-жидкостной эмульсии в выщерасположенную третью секцию 27.

На выходе из труб 31 газо-жидкостиая эмульсия от удара о конические отражатели. 32 разрущается, при этом отработанные газы под действием избыточного давления выходят через патрубки 28 в атмосферу, а жидкость

падает в нижнюю часть третьей секции 27,

по заполнении которой она затем подается в четвертую секцию 27 и так далее вплоть до заполнения всех секций колонны 1 с восходящим потоком, кроме нижней.

Из верхней секции колонны 1 культуральная жидкость по трубе 3 самотеком поступает в верхнюю часть колонны 2 на верхнюю трубную решетку 13 верхней секции 4, заполняя сопла 11.

В этот момент включается система подачи воздуха в камеры В всех устройств для насыщения жидкости газом от низконапорных воздуходувных мащин (на чертежах не показаны), например вентиляторов.

Проходя через кольцевые щели между нижними концами сопел И и верхними концами диффузоров 10, воздух, поступающий из камеры В в эжекторы, приобретает спиралеобразное (вихревое) движение.

Под действием собственного веса и направленного вниз избыточного давления жидкость из сопел 11 поступает в диффузоры 10 и попадает в вихревые потоки воздуха, диспергирующегося в ней с образованием тонкодисперсной воздушно-жидкостной эмульсии.

При этом в эжекторах осуществляется интенсивный обмен массами между жидкостью и газом, в результате чего жидкость насыщается кислородом воздуха и освобождается от продуктов метаболизма, в частности от углекислого газа.

После установления динамического равновесия концентраций компонентов газовой смеси в жидкости и газовых пузырьках, последние отделяются от нее при ударе газо-жидкостной эмульсии о конические отражатели 16, которых она достигает с больщой скоростью после выхода из эжекторов.

В результате соприкосновения с отражателями 16, скорость газо-жидкостной эмульсии изменяется по величине и направлению, причем жидкая фаза опережает газовые пузырьки, которые обедняются ею, укрупняются путем коалесценции (слияния) и затем разрушаются без образования большого количества пены.

Жидкость со взвешенными в ней мелкими газовыми пузырьками падает на верхнюю трубную решетку 13 нижерасположенной секции 4, заполняя сопла 11.

При этом в установившемся режиме работы аппарата динамический уровень жидкости в секции 4 выше верхней трубной решетки 13, а при заполнении аппарата он может колебаться. Однако в случае его расположения ниже верхней решетки 13 жидкость в соплах И служит гидрозатвором, препятствующим всасыванию в эжекторы нижерасположенной секции 4 отработанных газов от деэмульсирования газо-жидкостной эмульсии, выходящей из

эжекторов вышерасположенной секции 4.

Под действием избыточного давления отработанные газы из колонны 2 через окна 7 выходят в атмосферу и, огибая обечайку 15, изменяют направление движения на противоположное, вследствие чего уменьшается унос капель жидкости.

В случае повышения уровня жидкости или пены в секции 4 колонны 2 избыток ее но наклонной трубе переливается в нижерасположенную секцию 27 колонны 1 с восходящим потоком газо-жидкостной эмульсии.

Проходя аналогичным образом все секции колонны 2 сверху вниз, культуральная жидкость многократно насыщается воздухом в устройствах для насыщения жидкости газом и освобождается от отработанных газов в устройствах для разрущения газо-жидкостной эмульсии, при этом массообмен между жидкостью и газом осуществляется в условиях непрерывного образования и разрущения газовых пузырьков, что обеспечивает максимальную скорость массопередачи. Из второй снизу секции 4, расположенной

над секцией 18 дозревания, жидкость по трубе 3 самотеком поступает в нижнюю секцию 27 колонны 1. По заполнении ее включается система подачи воздуха в аэраторы 20 эрлифтных труб 30 и гидродинамических труб

31. По этим трубам жидкость подается в вышерасположенную вторую секцию 27. При этом циркуляционный контур в аппарате замыкается. Аппарат загружается жидкостью вплоть до

поступления ее избытка в секцию 18 дозревания по переливным трубам 33 и 34, после чего на трубе 25 открывается задвижка 26 с таким расчетом, чтобы из нижней секции 27 колонны I в секцию 18 дозревания колонны 2

поступало столько жидкости, сколько подается в аппарат питательной среды через патрубок 29.

Температура культуральной жидкости в аппарате поддерживается в необходимых пределах с помощью теплохладоносителя, вводимого в теплообменные камеры 5 через патрубки 6. Для поддержания оптимального рН.жидкости в колонну I с восходящим потоком через патрубок 29 вводится аммиачная вода или

соляная кислота.

В дозревателе культуральная жидкость аэрируется воздухом, подаваемым в нижнюю часть диффузора 19 через аэратор 20, а ее температура регулируется с помощью теплообменника 21.

По достижении определенного уровня в секции 18 дозревания готовый продукт отбирается и отводится из нижней ее части через патрубок 22, при этом уровень в секции дозревания поддерживается постоянным.

Секция 18 дозревания служит также в качестве сборника жидкости из вышерасположенных секций 4 колонны 2 в случае аварийного отключения электроэнергии и прекращения подачи воздуха в аэраторы 20 аэрирующих устройств колонны I с восходящим потоком. В этот момент приводится в действие система подачи пеногасящей эмульсии в верхнюю часть колонны 2 и трубы 34 через распылителн 35. При этом жидкость из колонны

7

2 по вертикальной трубе 24 поступает в секцию 18 дозревания.

Колонна 2 с нисходящим потоком жидкости может действовать также без принудительной подачи воздуха в устройства для насыщения жидкости газом. В этом случае колонна 2 становится самоаэрирующейся, и воздух в устройство для насыщения жидкости газом засасывается из атмосферы за счет разрежения, создаваемого на входе в диффузоры 10 жидкостью, подающей через эжекторы с определенной скоростью под действием собственного веса.

Формула изобретения

1.Аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий сообщающиеся в верхней и нижней частях колонны для создания восходящего и нисходящего потока газо-жидкостной смеси с системой для ввода питательной среды, воздуха и отвода готового продукта и отработанных газов, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса выращивания, колонна с нисходящим потоком газо-жидкостной смеси снабжена последовательно установленными по вертикали чередующимися между собой устройствами для насыщения жидкости газом и устройствами для разрущения газо-жидкостной смеси с образованием секций, каждая из которых сообщена с системой подвода воздуха, теплохладоносителя и имеет патрубок для отвода отработанных газов, колонна восходящего потока разделена по вертикали на секции и снабжена аэрирующими устройствами, расположенными в каждой секции, при этом колонна с нисходящим потоком имеет секцию для дозревания, расположенную в ее нижней части.

2.Аппарат по п. I, отличающийся тем, что устройство для насыщения жидкости газом, расположенное в колонне с нисходящим потоком жидкости, выполнено в виде системы вертикально установленных эжекторов, ввальцованных в горизонтальные трубные рещеткн с образованием воздущных и теплообменных камер.

3.Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что устройство для разрушения газо-жидкостной смеси выполнено в виде многоярусно расположенных на конической обечайке конических отражателей, установленных под каждым эжектором, при этом обечайка укреплена больщим основанием на нижней трубной рещетке.

4.Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки эжекторов имеют щестигранную форму, а их грани жестко связаны одна с другой.

5.Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийс я тем, что нижние концы сопел эжекторов

снабжены направляющими по спирали.

6.Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в колонне с восходящим потоком газожидкостной смеси вертикально установлены эрлифтные и гидродинамические трубы с аэраторами, связанными с нижними участками труб.

7.Аппарат по пп. 1 и 6, отличающийс я тем, что над выходными участками труб, расположенных в верхней секции колонны восходящего потока газо-жидкостной смеси, расположены отражатели.

8.Аппарат по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что секции колонны восходящего потока сообщены с секцией дозревания колонны нисходящего потока.

9.Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что секция для дозревания, расположенная в колонне нисходящего потока, снабжена диффузором, аэратором и теплообменником, при этом патрубок для отвода готового продукта подключен к нижней части секции дозревания.

10.Аппарат по пп. 1 и 6, отличающийс я тем, что аэраторы, расположенные в гидродинамических трубах, выполнены в виде эжекторов, ось которых параллельна оси труб.

11.Аппарат попп. 1 и 3, отличающийся тем, что для закрутки отражаемой струи газо-жидкостной эмульсии, конические отражатели, установленные под эжекторами, снабжены лопастями, например эвольвентного профиля.

В

2

J

fui 3

Риг. f

12

12

ui 5