Тонкостінний ферментаційний апарат

1. Ферментаційний апарат, що складається з вертикального циліндрового корпусу з оболонкою, барботера (аератора) і технологічних патрубків, який відрізняється тим, що корпус і оболонка виконані у вигляді "посудина у посудині", простір між ними сполучено з атмосферою і заповнено високотемпературним теплоносієм, в який занурено джерело водяної пари, що виконане у вигляді трубчасто го змійовика, який охоплює корпус ферментера по всій висоті, а в нижній частині оболонки розміщено пристрій для підведення теплової енергії. 2. Ферментаційний апарат за п. 1, який відрізняється тим, що як високотемпературний теплоносій використано гліцерин. Винахід відноситься до обладнання, що використовується в мікробіологічної промисловості, а саме до апаратів для вирощування мікроорганізмів та їх термічної стерилізації. Одною з умов, що найбільш суттєво впливає на процес отримання продуктів мікробного синтезу, є забезпечення стерильності процесу культивування мікроорганізмів, що здійснюється в ферментаційному апараті. У мікробіологічному виробництві найбільш поширено впровадження термічної стерилізації обладнання із застосуванням вологого тепла, яке ґрунтується на тій засаді, що при високих температурах гинуть як вегетативні клітини, так і спори патогенної мікрофлори. На практиці термічна стерилізація ферментерів здійснюється використанням насиченої водяної пари при тиску 0,27-0,3МПа (2,7-3кг/см 2) і температури 130-135°С [1]. Внаслідок цього обладнання, мікробіологічного виробництва (ферментаційні апарати, парогенератори, комунікації та ішн.) розраховують і виготовляють для умов експлуатації при тиску до 0,6МПа (6кг/см 2). Тому ферментаційні апарати та пароге нератори, що виробляють пару, є товстостінні, масивні та металоємні. Для їх виготовлення використовують корозійностійку сталь, що дорого коштує. Це призводить також до підвищеної витрати електроенергії для отримання пари і нагріву ферментаційного апарату при стерилізації його, а також для підтримки температури процесу ферментації. Необхідно відзначити, що процес ферментації продовжується 48-72 години при температурі 2532°С і тиску, який не перевищує 0,02МПа (0,2кг/см), а процес стерилізації ферментаційного апарату триває 1-4 години при тиску до 0,3МПа (3кг/см). Таким чином, ферментаційний апарат лише незначний час працює при підвищеному тиску (при його стерилізації), але вимагає використання обладнання, яке розраховане на підвищений тиск. Вказані обставини обумовлюють додаткові непродуктивні витрати енергії й матеріалів, суттєво ускладнюють і підвищують вартість виробництва мікробного синтезу. Додатково відзначимо, що посудини ємністю (19) UA (11) 52896 (13) C2 (21) 2001096646 (22) 28.09.2001 (24) 15.12.2004 (46) 15.12.2004, Бюл. № 12, 2004 р. (72) Добров Віктор Іванович, Косой Станіслав Михайлович, Старчевський Ігор Петрович (73) ІНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ "БІОТЕХНІКА" (56) SU 585848, 30.12.1977 SU 1393430 A1, 07.05.1988 SU 1807876 A3, 07.04.1983 RU 2067455 C1, 10.10.1996 RU 2111766 C1, 27.05.1998 US 4276384, 30.06.1981 Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств.-М.: Агропромиздат, 1990.-271с. 3 52896 4 більш за 0,3м 3, які працюють при підвищеному ментаційного апарату і забезпечення автономності тиску, підлягають обов'язковій державній реєстрайого роботи. ції з щорічним оглядом. До того ж ці апарати маЦе досягається конструктивним виконанням ють складні конструкції і небезпечні в експлуатації. ферментаційного апарату, який складається з верВідомі різні рішення термічної стерилізації фетикального циліндрового корпусу і оболонки, викорментаційних апаратів. наних у вигляді "посудина в посудині", і заповненТак відомо ферментаційний апарат , який стеням простору між ними, що з'єднаний з рилізують шляхом витиснення повітря із стериліатмосферою, високотемпературним теплоносієм. заційної камери та обробкою ферментаційного В теплоносій занурено джерело водяної пари, апарату парою в умовах підвищеного тиску [2]. яке виконане у вигляді тр убчастого спірального Подачу пари у камеру та видалення із неї позмійовика, що охоплює корпус ферментаційного вітря проводять ступеневе: кожного разу підвищуапарату по всій його висоті. ють тиск у камері на 2-3кг/м 2 і витримують при доТеплоносій використовується для передачі тесягнутому тиску апарат, який стерилізується, плової енергії до корпусу ферментаційного апаранеобхідний час. До його недоліків слід віднести ту від пристрою підводу теплової енергії, розміщетривалість та багатоступеневість процесу стериліного в нижній частині оболонки. зації, наявність додаткового обладнання (камери), Високотемпературні органічні теплоносії (далі парогенератора, повітряного компресора), значні - ВОТ) - високотемпературні рідини (температура пароємність та енерговитрати на проведення прокипіння 200-350°С при атмосферному тиску), що цесу стерилізації. дозволяє використовувати їх в запропонованому Відомо ферментаційний апарат [3], який привинаході середовище - передавача теплової йнято за найближчий аналог. енергії. Стерилізацію його ємності здійснюють у автоЗастосування проміжного високотемпературклаві шляхом витиснення повітря текучою водяного теплоносія дозволяє одержувати температуною парою при тиску 1кг/см 2. ри, необхідні в процесах стерилізації, без підвиПри 25-хвилинному нагріві в автоклав подають щеного тиску, інтенсифікувати процес насичену водяну пару температурою 130°С, а в теплопередачі і здійснити рівномірний (без переферментер, який стерилізується, - стиснене повітгрівів) підвід теплової енергії до всієї зовнішньої ря при тиску 2,7кг/см. Тиск насиченої водяної пари поверхні корпусу ферментеру. в автоклаві на 0,1-0,5кг/см менш, ніж тиск насичеПередача тепла здійснюється практично незаної водяної пари в ферментері, який стерилізуєтьлежно від зміни температурного напору, що стабіся. Після температурної витримки тиск водяної лізує процеси стерилізації та ферментації (привопари в автоклаві і ферментаційному апараті скидить до зниження градієнту температур у дають до атмосферного. внутрішніх порожнинах апарату. Недоліком цього рішення є необхідність у виНайбільш розповсюдженими і вивченими оркористанні додаткового обладнання: автоклава, ганічними теплоносіями, які застосовують при темісткість якого в два рази завбільшки місткості мпературах до 200°С, є мінеральні мастила. До стерилізуємого апарату, що призводить до громізосновних переваг масляних теплоносіїв, слід віддкості обладнання та додатковим витратам пари нести їх доступність, малокоштовність і нетоксичта електроенергії. Потрібний також повітряний ність. До групи ВОТ відноситься і гліцерин, викокомпресор для подання стисненого повітря, що ристання якого в пропонуємому винаході найбільш дорого коштує. доцільно. При початковому нагріві протягом 25 хвилин у Гліцерин розчиняється у воді, не викликає коферментер подається стиснене повітря, а потім розії, входить до складу поживних середовищ, які насичена водяна пара у наступні 20 хвилин. Тобто використовуються в процесах ферментації, що не спочатку стерилізація здійснюється сухим нагрірозширює номенклатур у використовуємих в фервом, але використання тільки сухого нагріву не ментаційному виробництві препаратів, доступний, досить ефективно, бо, у цьому разі мікроорганізми відносно недорогий і зручний в експлуатації. гинуть лише внаслідок окислення внутрішньокліВикористання ВОТ, наприклад, гліцерину, в тинних компонентів. пропонуємому винаході дозволяє здійснити проПроцес стерилізації ферментаційного апарату цес стерилізації без підвищення тиску. При цьому в найближчому аналозі складний і тривалий, бо відпадає необхідність в герметичному, товстостінздійснюється поступово наданням стисненого поному, розрахованому на великий (до 0,6МПа) вітря і насиченої водяної пари при тиску 2,65кг/см 2. надмірний тиск, обладнанні. Це дозволяє значно До того ж підвищення тиску знижує ефективність знизити металоємкість і вартість апарату, а також дії високих температур, на підлеглу до знищення витрати (на 10-15%) електроенергії в порівнянні з мікрофлору, бо температура та підвищений тиск є найближчим аналогом. Підвищується надійність компенсуючими один одного факторами, які впликонструкції і забезпечується безпека її експлуатавають на ефективність проведення процесу стеції. Тоді як обладнання, яке працює під підвищерилізації. ним тиском, суворо регламентується по вимогам Завданням, на розв'язання якого спрямовано техніки безпеки, вибухо-пожежобезпеки і т. п. даний винахід, є спрощення конструкції ферменВ порівнянні з найближчим [3], в пропонуємотаційного апарату, зниження його металоємкості, му винаході зволоження водяною парою внутріскорочення часу проведення процесу стерилізації шніх порожнин апарату здійснюють на протязі та підвищення її якості, зменшення енерговитрат, всього процесу стерилізації. При цьому повніше підвищення надійності і безпеки експлуатації ферпроявляється бактерицидний ефект водяної пари 5 52896 6 при підвищеній·температурі (130-132°С). Загибель Простір між корпусом 1 і оболонкою 5 заповнено мікроорганізмів відбувається не тільки внаслідок високотемпературним теплоносієм 7. В нижній окислення внутрішньоклітинних компонентів як при частині оболонки 5 на днищі 6 встановлено присухому нагріві, а і внаслідок коагуляції білків. Важстрій підводу теплової енергії 8 (термоелектронагливе значення має вміст вологи у патогенних клірівальний елемент ТЕН). тинах. Чим більше вологи містить клітина, тим ниДжерело водяної пари виконано у вигляді тружча температура коагуляції білків в ній. В цьому бчастого спірального змійовика 9, який охоплює полягає високий стерилізаційний ефект водяної корпус 1 по всій його висоті і постачений регулююпари: здійснюється не тільки нагрів, але і додаткочим вентилем 10 і 3-ходовим вентилем 11. Спіраве зволоження клітин, що підвищує їх термічну льний змійовик 9 закінчується патрубком подачі вразливість. Це досягається об'єднанням ферменводяної пари 12 в внутрішні порожнини корпусу 1. тера і парогенератора (джерела водяної пари) в Конструкцію тонкостінного ферментаційного єдину конструкцію і використанням високотемпеапарату постачено запірними технологічними венратурного теплоносія в якості середовища - перетилями 13 і покрито теплоізоляцією 14. давача тепла, що забезпечує швидкий і рівномірПропонуємий апарат працює слідуючим ний нагрів до температури стерилізації з чином. одночасним отриманням водяної пари. При цьому При включенні в роботу термоелектронагрівавідпадає потреба в використанні парогенератору льного елементу (ТЕН) 8 здійснюється контролюяк окремого пристрою з комплектом з'єднувальних ємий нагрів високотемпературного теплоносія трубопроводів та арматури, які працюють при під(гліцерину) до температури 140-145°С, що забезвищеному тиску, а також повітряного компресору. печує рівномірний без локальних перегрівів, нагрів Одержання і підтримка потрібної температури внутрішніх порожнин корпусу 1, який стерилізуєтьв пропонуємому апараті здійснюється за допомося, до температури 130-135°С. Рівень теплоносія гою пристрою підвода теплової енергії, наприклад, контролюється датчиком і підтримується автоматеплоелектронагрівальних елементів (ТЕН), розтично (на відмітці 20-25мм від верхнього краю ташованих в нижній частині оболонки і занурених оболонки). в високотемпературний теплоносій, який заповнює При досягненні температури ВОТ 50-60°С за простір між корпусом та оболонкою. допомогою регулюючого вентиля 10 в змійовик 9 Тоді як у найближчому аналозі нагрів ферменподається вода. Протягом проходження води по таційного апарату і його внутрішніх порожнин відзмійовику 9 вода перетворюється в насичену пару, бувається в автоклаві (в камері), а насичена водяяка крізь 3-ходовий вентиль 11 по патрубку 12 пона пара подається у ферментер не на протязі ступає в вн утрішні порожнини корпусу 1. усього процесу стерилізації, а тільки короткочасно При досягненні температури 100°С насичена водяна пара починає перегріватись і протягом (»20 хвилин), що не гарантує високого стерилізаподальшого підвищення температури перетворюційного ефекту. ється в перегріту пару, а температура у вн утрішніх В пропонуємому апараті джерело водяної папорожнинах корпусу 1 доводиться до 130-135°С. ри виконано у вигляді спірального трубчастого змійовика, який охоплює корпус по всій висоті, і в Стерилізаційна витримка здійснюється про досягненні цієї температури протягом 20-25 хвилин, який подається вода з можливістю регулювання її подача пари при цьому не припиняється. розходу. Після закінчення стерилізаційної експозиції В процесі стерилізації ферментаційного апавентиль 10 відкривається повністю, що забезпечує рату вода, яка подається в змійовик, перетворюється в пару, зволожуючи внутрішні порожнини подачу води в змійовик в кількості, необхідній для охолодження корпусу 1 апарату. апарату, а на стадії процесу ферментації вода, Вентиль 11 при цьому переводиться в полоциркулюючи крізь змійовик, використовується споження, при якому припиняється подача пари в чатку для о холодження апарату до температури внутрішні порожнини корпусу 1 крізь патрубок 12. ферментації, а потім для стабілізації температури ферментаційного процесу. Процес охолодження продовжують до потрібної температури процесу ферментації, після чого Таким чином, в пропонуємому апараті змійовентиль 10 перекривають і ферментаційний апавик виконує дві функції: парогенератора (джерела рат підготовлено до процесу ферментації. водяної пари) і охолоджувача. Це дозволяє значно Порядок роботи пропонуємого апарату поясспростити ферментаційний апарат, об'єднати в єдиній конструкції парогенератор і ферментер, що нюється графіком на Фіг.2. Із нього слід, що час, затрачений на повний суттєво поліпшує його масогабаритні характерисстерилізаційний цикл, складає 45-48хв., а саме тики в порівнянні з найближчим аналогом. При стерилізаційна витримка - 20-25хв. при температуцьому досягається автономність роботи апарату, рі 130-135°С. В порівнянні з прототипом час повнотак як пропонуємий винахід дозволяє простерилізувати і підготовити апарат до процесу ферментаго циклу стерилізації скорочується на 10-15 відсотків. ції без використання додаткового обладнання і Процес стерилізації апарату максимально інвідповідно знизити енергетичні і трудові витрати. тенсифікується, а конструкція його суттєво спроНа Фіг.1 зображено пропонуємий тонкостінний щується. При цьому досягається автономність ферментаційний апарат. Він складається з вертикального циліндрового корпусу 1, товщина стінки роботи ферментаційного апарату при підвищенні безпеки і поліпшенні умов його експлуатації. якого не більш 1,2-1,5мм, і плоскої кришки 2, барДжерела інформації: ботеру (аератору) 3 і дихального фільтру 4. 1. Кантере В.М. Теоретические основы техноКорпус 1 розміщено в оболонці 5 з днищем 6. 7 52896 8 логии микробиологических производств. - Μ.: АгA61L1/100, 1977. ропромиздат, 1990. - 271с. 3. Авторське свідоцтво СРСР №1393430, кл. 2. Авторське свідоцтво СРСР №585848, кл. A61L2/06, 1988. - найближчий аналог. Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко Підписне Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601