К т.н.В. М. Поводзинський, М. Г. Кутовий

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Ферментер з вібраційним перемішуванням для інтенсифікації масообмінних процесів при культивуванні біологічних агентів

Сучасні біотехнології, що базуються на використанні клітинних культур та мікроорганізмів базуються на інтенсивних процесах масо передачі, в ферментерах з введенням енергії механічними перемішуючими пристроями.

Ферментери з введенням енергії обертовими мішалками не завжди задовольняють задачі по забезпеченню високих концентрацій біомаси і метаболітів в періодичних та безперервних процесах що синтезуються в аеробному біосинтезі.

Як правило ферментер з введенням енергії низькочастотними механічними коливаннями для вирощування мікроорганізмів, містить корпус, перфоровані перегородки, закріплені на валу з можливістю зворотно-поступального руху в вертикальній площинні та аератор, що розташований під нижньою перегородкою [а.с. СРСР №759586, МПК С12С1/10, бюл. №32, 1980]. Недолік відомого апарата для вирощування мікроорганізмів є те, що процес перемішування проходить за рахунок стиснення та розрідження газової фази між перегородками, а виникаючі при цьому коливання тиску значно менші, чим в суцільній рідкій фазі, що не дозволяє досягти достатньої інтенсивності масопередачі.

Перспективна конструкція ферментеру для вирощування мікроорганізмів, що містить корпус з ємністю, всередині якої встановлено рухомий шток з пакетами контактних елементів, які здійснюють зворотно-поступальних рух в вертикальній площині [а.с. СРСР №755835, МПК С12В1/10, бюл. №30, 1980]. Недоліками відомого апарату для вирощування мікроорганізмів є: складна соосність напрямних та валу перемішуючого пристрою, апарат перенасичений рухомими та нерухомими елементами, що зменшують робочий об’єм. В апараті встановлений сильфон в нижній частині корпусу, що не може гарантувати герметичність апарату, і це неприпустимо для біосинтезу в асептичних умовах.

Для створення ферментеру, в конструкції якого враховані вищезгадані недоліки розроблена конструкція в якій для оптимізації масообмінних процесів об’ємі ферментера запропонований ферментер для культивування БА що містить герметичний корпус з технологічними патрубками та розташованими всередині корпусу барботером та перемішуючим пристроєм (Фіг. 1), що складається з вертикального валу з приводом, який встановлений на осі корпусу з можливістю зворотно-поступального руху в вертикальній площині та набір перемішуючих елементів конічної форми, що мають перфорацію отворами конічної форми (Фіг. 2), що виконують роль дифузорів для диспергування газової фази. За рахунок ежекційного ефекту, що виникає в отворах насадок перемішуючого пристрою при русі, відбувається диспергування газової фази, що збільшує площу масообміну в усьому об’ємі апарата. Також в ферментері встановлені кільцеві перегородки, що виконують роль напрямних для газової дисперсії та, при русі перемішуючого пристрою, формують додаткові опори, чим спричиняють додаткове дроблення газової фази.

Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому представлено схему ферментера з вібраційним перемішуючим пристроєм та схему руху газової фази через перфорацію насадок перемішуючого пристрою.

Ферментер з вібраційним перемішуючим пристроєм складається з корпусу 1, валу перемішуючого пристрою 2, насадок перемішуючого пристрою 3, кільцевих перегородок 4, барботеру 5, піногасника 6, теплообмінної сорочки 7, сильфона 8, приводу перемішуючого пристрою 9, фільтру повітря 10, штуцера подачі стерильного повітря 11, штуцера подачі поживного середовища 12, штуцера для посівного матеріалу 13, штуцера для подачі гострої пари 14, штуцера виходу відпрацьованого повітря 15.

На Рис 1 представлено схему ферментера з вібраційним перемішуючим пристроєм, на Фіг. 2 представлено схему руху культуральної рідини та газової фази через перфорацію насадок перемішуючого пристрою.

Ферментер з вібраційним перемішуючим пристроєм працює наступним чином. В ферментер після миття та стерилізації через штуцера 12 та 13 подаються відповідно поживне середовище та посівний матеріал. Через фільтр 10, штуцер 11 та барботер 5 подається стерильне повітря для аерації. Відпрацьоване повітря виходить з ферментеру через штуцер 15. Вал перемішуючого пристрою 2 з’єднаний з приводом 9, що здійснює зворотно-поступальний рух, разом з ним переміщуються насадки перемішуючого пристрою 3. При русі насадок перемішуючого пристрою 3 вниз під ними виникає зона підвищеного тиску, що спричиняє перетікання рідкої та газової фаз через перфорацію насадок. Виникаючий при цьому ежекційний ефект диспергує газову фазу, що збільшує площу масообміну. Підчас перемішування газова дисперсія переміщається від нижньої насадки до верхньої, при цьому направляючись напрямними 4 з поверхні нижчої насадки у внутрішній об’єм верхньої. За рахунок такого режиму в апараті мінімізуються об’єми застійних зон.

Утворена при перемішуванні піна гаситься піногасником 6, що закріплений на валу перемішуючого пристрою 2. Для герметизації ферментера на валу в верхній частині апарата встановлений сильфон 8. Температурна стабілізація досягається завдяки теплообмінній сорочці 7, в яку подається охолоджуюча вода.

Ферментер з вібраційним перемішуючим пристроєм, який забезпечить максимальну площу масообміну в процесі культивування БА, за рахунок аерації та перемішування культуральної рідини насадками перемішуючого пристрою спеціальної форми. Це дозволить збільшити вихід цільового продукту.