Мельник В.М., Тривайло М.С., Карачун В.В.,

Колесник М.М., Михайленко Н.О.

Національний технічний університет України «КПІ»

РЕГУЛЮВАННЯ РОСТУ МІКРООРГАНІЗМІВ У ФЕРМЕНТЕРАХ

Пропонуємий пристрій відноситься до біотехніки, а саме до систем аерації робочих рідинних середовищ в ферментерах. Він може бути використаний в мікробіологічній промисловості для культивування мікроорганізмів і клітин.

Відома конструкція для аерації рідини в ферментерах, яка містить вертикальну трубу для подачі аеруючого газу і радіально приєднані до труби в її нижній частині барботажні трубки з отворами в стінках для виходу в рідину газу, а також похило розташовані над барботажними трубками в декілька ярусів пластини. Недоліки цієї конструкції полягають в складності механізмів внаслідок наявності пластин з необхідним кріпленням та в схлопуванні (коалесценції) бульбашок газу при проходженні ними пластин, що знижує ефективність масообміну, а отже, і продуктивність ферментера.

Відомий також пристрій, який містить вертикальний трубопровід з колектором в нижній частині і радіально приєднані до колектора трубки з поздовжніми щілинами (прорізами) і заглушками на периферійних кінцях, а також розташовані над щілинами в трубках газорозподілюючі циліндричні вставки у вигляді стрижнів з кільцевими проточками. Цей пристрій має простішу від попереднього конструкцію, але він також не забезпечує інтенсивного перемішування газу і рідини (диспергування), що слугує головним його недоліком. Інша вада полягає у відсутності можливості регулювання інтенсивності перемішування.

Вказані недоліки уповільнюють ріст мікроорганізмів, що приводить до зниження продуктивності.

В основу пропонуємої моделі поставлена задача вдосконалення технологічного процесу шляхом зміни форми газорозподілюючих вставок та введення в конструкцію додаткових елементів, що забезпечить зростання інтенсивності перемішування та створить умови його регулювання. Це прискорить ріст мікроорганізмів і приведе до росту продуктивності.

Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій, який містить вертикальний трубопровід з колектором в нижній частині і радіально приєднані до колектора трубки з поздовжніми щілинами і заглушками на периферійних кінцях, а також розташовані над щілинами в трубках газорозподілюючі циліндричні вставки, згідно пропонуємої ідеї, вставки виконані у формі спіралей.

Газорозподілюючі вставки у формі циліндричних спіралей збільшують число напрямків виходу газу з щілин трубок, що сприяє підвищенню ступеня турбулізації газу і культуральної рідини, внаслідок чого зростає масообмін, а отже і продуктивність.

Відрізняється конструкція і тим, що одні кінці спіралей приєднані до заглушок, а інші з’єднані між собою гайкою (або шайбою з центральним різьбовим отвором), яка нагвинчена на передбачений для цієї мети пропущений через торцьову стінку колектора гвинт. Вказані відмітні ознаки забезпечують можливість регулювання інтенсивності подрібнення газового струменя, що додатково приводить до зростання продуктивності, оскільки усуває необхідність заміни пристрою при зміні складу культуральної рідини або інших технологічних параметрів, наприклад, температури.

На рис. 1 схематично зображена заявляєма конструкція в розрізі; на рис. 2 – вигляд знизу; на рис. 3 – переріз А-А на рис. 1; на рис. 4 –варіант виконання ферментера по рис. 1.

Пропонуєма конструкція містить вертикальний трубопровід 1 з колектором 2 в нижній частині і радіально приєднані до колектора трубки 3 з поздовжніми щілинами 4 і заглушками 5 на периферійних кінцях, а також розташовані над щілинами трубок в їх порожнині газорозподіляючі циліндричні вставки у вигляді спіралей 6 з зазором 7 між витками. Трубки 3 рівномірно розташовані по колу в горизонтальній площині, а вільно розміщені в них спіралі 6 притиснуті до щілин 4 гвинтами 8. Крім внутрішнього, спіралі 6 можуть мати зовнішнє розташування (не показано), що спрощує очистку ферментера. Величину зазорів 7 між витками спіралей 7 обирають в межах 0,1 – 0,2 від діаметра витків, а зовнішній діаметр спіралей може бути однаковим з внутрішнім діаметром трубок 3.

При внутрішньому розташуванні спіралі 6 можуть бути приєднані одними кінцями до заглушок 5 (рис. 4), а іншими кінцями – з’єднані між собою гайкою 9, яка нагвинчена на передбачений для цієї мети пропущений через дно колектора гвинт 10. Таке закріплення спіралей дозволяє шляхом загвинчування гвинта 10 змінювати зазор 7 між витками спіралей 6 і налагоджувати апарат на оптимальний режим роботи за необхідності коректування параметрів аерування.

Працює апарат наступним чином. Стиснений газ (повітря) подають по трубопроводу 1, звідки він через колектор 2 надходить в трубки 3 та спіралі 6 і через щілини 4, подрібнюючись, витісняється в аеруєму рідину, турбулізує її і насичує, наприклад, необхідним для життєдіяльності мікроорганізмів, киснем.

При цьому, розташований зовні спіралей 6 газ витісняється через щілини 4 в дотичних до витків спіралей напрямках 11 (рис. 3), а з порожнини спіралей – в радіальному напрямку 12, що відсутнє в згаданих апаратах. Утворюваний спіралями 6 додатковий напрямок 12 витікання газу підвищує інтенсивність його подрібнення і час контакту з аеруємою рідиною та збільшує міжфазову поверхню, що підвищує масообмін в газорідинному середовищі і приводить до зростання продуктивності. Підвищенню продуктивності сприяє і забезпечення можливості регулювання перемішування, яке здійснюється зміною зазорів 7 між витками спіралей, шляхом загвинчування (відгвинчування) гвинта 10 (рис. 4).