/
Author: Федосеев К.Г.
Tags: вирусология химия биохимия микробиология учебное пособие биотехнологии фармацевтика
Year: 1969
Text
К. Г. Федосеев
' Р
• * *
Процессы и аппараты
биотехнологии
в химико-фармацевтической
промышленности
Допущено Главным управлением учебных заведений
Министерства здравоохранения СССР
в качестве учебного пособия
для студентов технологических факультетов
химико-фармацевтических институтов
Издательство «Медицина»
Москва— 1969
i У
3 W,
УДК 578(024) : 61](075.8)
1
Б учебном пособии изложены вопросы технологии промышленных
микробиологических процессов, главным образом описаны процессы
и аппараты микробного синтеза антибиотиков, а также других
веществ, вырабатываемых химико-фармацевтической промышленностью
(в числе рассмотренных процессов— стерилизация питательных сред,
массопередача кислорода, перемешивание культуральной жидкости.
теплообмен при ферментации, очистка технологического воздуха, пе-
нообразоваиие и пеногашение).
При описании процессов по возможности раскрывается их физико-
химический механизм, даются примеры подхода к расчету некоторых
параметров процесса и характеристик аппаратов.
Пособие предназначается для студентов технологических
факультетов химико-фармацевтических институтов, а также для
биохимиков-технологов, работающих в этой области.
*
I й. $4 -. У)
г.*,,*..
I тл&м mm есвр
ч
| ФНСЛНО
• и*
L
** Г* '"* г*
1^ \'
5—1
20—69
£>-ЛЙ--Ли —
* . 4*ih
г**лщдин*^ ■ -^ii >■ WB^i jiwp л ikj ■ i ^JrtP|ar,^r
.-*■■: ч -чл'*, .^.вду *!Я дая«1?»адиеи.*ч" чт ■■* ni»i<wf *^4^r«wff*» та
ч
ПРЕДИСЛОВИЕ
Технология промышленных микробиологических
процессов, для краткости условно называемая
биотехнологией, будучи прародительницей химической технологии,
в настоящее время является ее ответвлением,
оперирующим с микроскопическими живыми существами,
тканями, клетками, ферментами и другими продуктами их
жизнедеятельности.
Биохимический синтез полезных продуктов
распространен в пищевой, микробиологической и
химико-фармацевтической отраслях промышленности, где
используются разнообразные биологические материалы.
Настоящее руководство посвящено процессам и аппаратам
микробного синтеза антибиотиков, а также других
веществ, вырабатываемых химико-фармацевтической
промышленностью, и предназначено главным образом для
лиц, специализирующихся в этой отрасли знания и
производства.
Содержание книги, отвечая программе курса, препо-
, даваемого в Ленинградском химико-фармацевтическом
''институте, в значительной мере соответствует
проблематике новой научной дисциплины, получившей название
«биоинженерия». В данном учебном пособии
определенное внимание уделяется аппаратурным, экономическим,
специальным технологическим вопросам и не
излагаются биохимические основы технологии биосинтеза,
а также вопросы термодинамики, кинетики биосинтеза,
непрерывной ферментации и др., выходящие за рамки
указанного курса.
»
•
ВВЕДЕНИЕ
Производство антибиотиков, ферментов и других
продуктов микробного синтеза методом глубинной
ферментации сложно и недостаточно изучено. В отличие от
химических производств оно характеризуется
присутствием живых объектов, с их лабильностью, способностью к
развитию, чувствительностью к проникновению в
промышленный аппарат ничтожных масс материалов,
содержащих постороннюю микрофлору. Целевые продукты
биосинтеза, как правило, присутствуют в культуральной
жидкости по окончании ферментации в малых
концентрациях, отличаются разнообразием химической природы и
часто не выдерживают жестких режимов переработки.
Для синтеза, выделения и очистки этих продуктов
необходимы тонкие и избирательные методы воздействия,
современные конструкции аппаратов, высокая культура
производства.
Это является своеобразной платой за преимущество
синтеза сложных органических соединений в одну
производственную стадию.
По указанным причинам инженеру
биохимику-технологу необходимы широкие знания. Ему ни в малейшей мере
непозволительно замыкаться в своей области науки и
техники. Он обязан знать и уметь применять опыт других
отраслей. Например, опыт быстро развивающейся
ядерной техники может оказаться полезным при решении
проблем герметизации аппаратуры, очистки воздуха от
тонких аэрозолей, выделения активных веществ из
полупродуктов и т. п. Технология микробиологического
синтеза как наука весьма молода. Эта область знания
возникла в 40-х годах с освоением глубинного метода
производства антибиотиков, затем витаминов, аминокислот и
других биологически активных веществ. Овладение
процессами и аппаратами биотехнологии означает знание
того, как успехи микробиологов, генетиков, биохимиков,
химиков, экспериментирующих в стеклянных
лабораторных сосудах, перенести в промышленное производство с
хорошими экономическими показателями.
4
Сфера приложения этих знаний в будущем будет
быстро расширяться в производстве кормовых, пищевых и
ряда других продуктов. Развитие микробиологических
производств, в которых инженер-биотехнолог будет
выполнять очень важную роль, окажет в ближайшие
десятилетия, по мнению ряда ученых, существенное влияние
на экономическую и социальную жизнь общества.
Глубинное культивирование клеток растений и животных
или целых растений может стать одним из эффективных
средств преодоления наблюдаемой в некоторых странах
диспропорции между ростом народонаселения и
сельскохозяйственным производством пищевых и кормовых
продуктов, особенно белков. Возможность производить
методами микробного синтеза биомассу в количестве 100 т в
год с 1 м2 производственной площади является
убедительным опровержением мальтузианства. Микробный синтез
в погруженной культуре приобретает все возрастающее
значение и в связи с проблемой жизнеобеспечения при
продолжительных космических полетах.
Основным содержанием книги является изложение
вопросов стерилизации питательных сред, массопередачи
кислорода, перемешивания культуральной жидкости,
теплообмена при ферментации, очистки технологического
воздуха, обеспечивающей его стерильность,
ценообразования и пеногашения. В последней главе
рассматриваются мероприятия по поддержанию стерильности
оборудования в промышленных условиях. Процессы
описываются по возможности с раскрытием их физико-химического
механизма. Даются .примеры подхода к расчету
некоторых параметров процессов и характеристик аппаратов,
включающего в отдельных случаях
технико-экономические расчеты. Особое внимание уделяется вопросам
масштабного перехода от лабораторных к промышленным
установкам.
В современном производстве остро стоит проблема
внедрения в промышленность результатов научных
исследований. Опыт показывает, что экономические затраты
при внедрении во многих случаях превышают затраты на
проведение исследований. В связи с этим методика
постановки исследований в лаборатории и обработки
результатов опытов'должна в максимальной степени
облегчать переход от лабораторных масштабов производства
к промышленным -—так называемый масштабный
переход. Его целью является возможность непосредственного
5
перехода от лабораторной модели процесса к
промышленному аппарату, минуя одну или несколько
промежуточных стадий проверки и доработки процесса в
полупроизводственных аппаратах с постепенным увеличением
масштаба. Овладение методами масштабного перехода
может также облегчить распространение результатов
исследования не на один, а на ряд различных объектов.
Основные пути масштабного перехода в химической
технологии изображены на схеме. Научными основами
методов масштабного перехода являются физическое
моделирование с применением теории подобия или анализа
размерностей и математическое моделирование, не
исключающее, впрочем, проведения эксперимента на
модели, но без обязательного соблюдения условий подобия.
Масштабирование на основе теории подобия получило
широкое распространение в химической технологии.
С помощью математического аппарата этой теории
дифференциальные уравнения гидродинамики, тепло- и
массоперсдачи преобразуются в критериальные
уравнения. Эти уравнения представляют собой эмпирические
зависимости между безразмерными комплексами
(критериями подобия и симплексами), которые
характеризуют совокупность физических условий процесса.
Критериальные уравнения нередко весьма громоздки, вклю-'
чают до 10 комплексов, что затрудняет инженерные
расчеты и понимание физического смысла явления. Часто
уравнения справедливы в слишком узких пределах
изменения параметров. Тем не менее метод подобия позволил
получить основные расчетные уравнения для
гидродинамических и тепловых процессов (в меньшей степени для
процессов массопередачи) в однофазных потоках.
Однако в ряде случаев его применение встретило столь
значительные трудности, что оказалось неплодотворным
или просто невозможным. К этим случаям относятся
процессы массопередачи в двухфазных системах со свободной
подвижной поверхностью раздела фаз (газ — жидкость,
жидкость — жидкость) или в двухфазных системах,
включающих газ (жидкость) и твердую зернистую фазу, в
которой происходит химическая реакция (В. В. Кафаров,
Г. К. Боресков, М. Г. Слинько). Примерами такой твер-
: дой фазы могут служить многие катализаторы
химических процессов, зерна ионообменных сорбентов, колонии
грибов. Чтобы применить теорию подобия к сложному
технологическому процессу, включающему химическую
6
h
"■ F .
Л
<
О
X
о.
с
о
X
ш
<
3
<
О
о
ш
О
а
С
X
аэ
О
ч
X
ч
<
X
с
О
СИ
X
X
ч
ш
с
о
<
§
X
X
2
я
со
з
X
X
о
X
X
X
0J
X
со
я
CL
>>
X
CL
d
X
ч
X
3
X
-о
ч
я
X
=f
X
0J
CL
OJ
•&
■е-
X
л
X
н
о
0J
СО
СО
X
0J
X
о
о
о
CL
X
■
да
ч
я
X
ЕГ
X
0J
сц
0J
^
о
о
QJ
-&=г
X
d
я
CL
>»
укт
о
а
X
X
X
С
а я
н
о
Р"
о
0J
TJ
L-
я
§
X
п
0J
о.
со
3
о
X
с
О
•
=х
X
X
0J
X
СО
Я
X
X
ч
X
я
X
н
о
ол
СО
70
£
1-4
X
X
L-
>*
X
х
2
X
fe
3
X
личи
со
0J
о
со
V
X
3
X
н
о
1 Изве
оцесс
Q.
X
0J
X
=*
9
>*
СО
X
0J
н
^
1 xapa
*
3
X
X
F
«Г*
-А*
ч
0J
СО
СО
3
X
н
о
а>
а
СО
S
■
про
о
X
2
Леи
а.
0J
н
х
я
Q.
Я
X
о
^^»
*
^
о
a
X
X
э-
X
ч
CU
с:
с:
си
О
х
а
а;
х
со
я
с
го
ч
я
X
<
1
Lad
X
а.
X
и
&
Л
k1 f
V
3
X
V
X
33
х х
X
я
со
о
CL
X
X
я
ч
X
CL О
С
н
pi
а
о
о
я
^
*
3
X
а>
X
X
V
СО
н
и
V
т
я
•*■ 1
1
CU 1
со -
о ;
X
о
° !
1
1
я
X
о
3
с
с
V
а
с
X
ч
X
ч
си
о
X
т
X
а
*
X
я
со
X
а
X
X
V
X
X
я
а.
>>
8
*
U
V
э-
X
CL
X
X
X
I
*
3
н
X
0J
X
сперн
я
сп
0J
рнь
о
рат
1абс
^
■
я
н
о
0J
основ
я
X
0J
3
X
X
я
со
о
CL
X
я
ч
X
о
X
о
о
н
0J
X
X
^
стичес
X
н
I
V
X
со
я
а
>*
0J
X
£
fj
0J
^
X
бра;
и
L-
ч
<
^^
X
X
о
о
V
а
(per
X
X
X
со '
и и
о £
X
з s
X s
о я
ю
и
X
V
л х
х 5
« £
™ й
•е¥
О X
5е
О х
со
о
о
0J
=f
с
с
X
| скнх
->
X
X
о
о
О
X
а;
■
X
CL
!-
-я х
A QJ
K.S х
g-асо
2J о я
x-9-g;
а: а
о
=1Ю
21
з
CQ х
О
и
О
X
ч
я
1 ^ ' '
« х 2d я
S я С Я
2£о а.
S я Ч Н =
енты
обр;
ов д
нстан
v 5 с- к 3
?,«)>,1 =
«■у « я -о
_» я « щ *
СО и а г; я
1
I
а о
0J
н
9
X
X
V
э-
>>
СО
X
о
X
V
ЕГ
О
CL
X
X
£
X
н
V
X
X
tt
3
X
4>
X
X
X.
V
б
£
X
X
tt
X
X
я
X
X
d
о
m х
р
X
о
с ^ Я
X О
х -во
3 Ч я
° о к
2 4
т <
х с X
ж 3
QJ X
4 П X
О н с
1
X
о
X
я
И
я
Л
я
X
X
X
*
>>
CL
н
о
я
о>х
и о
О X
X t-
о а
и *
X О
X
о
И
X
X
X
5
Н
X
X
X
а.
х
х
о
Л Я
X
о
хю
0J Я
Ос
со w
о
с
X
X
I
2
я
со
X
X
ч
со
>*«
ю
X я
Я (j
СХ cq
Ss
О
!£ U
1
X
с
о
3
X
И
я
У
л
X
<L>
гг
си
■
0J
X
ьным
ч
t
э
3
X
про
О X
=14
И
о
о
X
X
о
Й"ж
о
с
ct
7
3
X
X
V
Е
>^ си
X
1
CJ
V
CL
X
о
я
И
я
сх
я
X
X
я
о
о
г
X
0J
О.Ч
{ЦНИ
cvrpyi
X
о
с:
о
X
X
0J
ч
X
X
X
я
со
о
d
о
X
X
X
о ш
С о
х
о
X
X
X
я
си
а х
И
о«
*•
3
X
х о
о
я
Q.H
О
я
3
X
си
X
э
нх мае
*
Я
^
■
с*
О
X
0J
CL
X
X
X
о
5
^^ т
V
3
X
маль
X
X
• О
1
X
си
ч
Э
3
X
о
1
X
V
ч
0J
CL
X
схо
X
со
есса
ЕГ
О
я
CL
аппа
X
X
ЕГ
^
CL
КО НС1
х*=
CLQ
X
о
X
о
X
X
о и
ехх
X
X
3
CJ Я
X Ч
со
я
со
X
я
X
н
э-
о
я
a
X
si
1°
я
X С
х X
схо
CU «
н
X
сх
~ 3
X
X
2 со
дз о
о о
X О
х си
о =г
сх
си
X
со
я
сх^
со X
0> CU Я
3
X
X
X
х 5 =
О s
«9 н и
£ я о
5 к =*
О 0J О
С н Н
О га 1»
х я
X
X
X
СО
■1
X
X
CD
О
X
=х
0J
X
0J
о
£
(J
0J
D"
X
X
о v
ах
с х
га
со
О
а
s
X
£
л
С
и.
X
и
X а
с4
я я
=f
х g
s X
С X
сх
= о
о
If я я
5 я н
ч ч О.
3 6 я
X 3* х
,11 S
5х*
1
о
сх
X
О
X
XCQ
я
я
х я *
= S5
** со
Э я х
о. >,^
-о О
ч =
я и
X ==
X X
н
X
>х
w X
со
о
£5
S >.
QJ
О -о
х я
5
о
X
X
X
о X
я
н
я
сх
я
X
X
я
о
о
X
X
о
ч
I
X
я
СХХ
X
я
X
X
ч
d
о
X
X
X
я
d
о
н
S
1?
а?
Н Я
^ X
X F-
I
сх
X
о
о
X
X
сх
qj a
s о
Со
°6
х я
5*
X
3
X
X
X
ч я
я
X
X
(-
X
о
I
я
X
X
я
X
о
X
X
си
ч
э
3
X
о
сх
X
X
d
о
a
X
X
сх
о
о
>х
о
X
я
7
X
CU й *
о s; s
я ¥о
4>
я
сх
Ич»"Ч*ч"-т-.^ ^
h
I
H
реакцию, теплопередачу и т. д., надо сохранить в
аппаратах разной величины численное постоянство критериев
химического, теплового, диффузионного и
гидродинамического подобия. Обычно это недостижимо. Причина
h ■
заключается не в неудачном выборе критериев или в
несовершенстве теории подобия, а в неприменимости ее к
сложным явлениям, которые состоят из нескольких
этапов или явлений, описываемых разными классами
дифференциальных уравнений. Исключением, позволяющим
обеспечить все условия подобия, являются процессы в
аппаратах идеального смешения с твердой фазой при
условии, что молекулярный перенос "вещества не влияет
на скорость процесса (процесс находится в
кинетической области). Сюда же относятся процессы, суммарная
скорость которых равна скорости переноса реагирующих
веществ из жидкости к наружной поверхности зерен —
процесс находится во внешней диффузионной области.
Среди ферментационных процессов такие условия
создаются лишь при массопередаче от жидкости к дрожжевым
или одиночным бактериальным клеткам в аппаратах с
мешалками, если не принимать во внимание передачу
кислорода при его барботажной абсорбции.
Кроме указанного случая, теория подобия или метод
анализа размерностей в биотехнологии могут быть
эффективными при изучении таких гидродинамических
вопросов, как возрастание объема культуральной жидкости
за счет накопления в ней газовой фазы при аэрации,
скорость всплывания воздушных пузырей, мощность,
потребляемая мешалкой в системе газ — жидкость. К этому
перечню следует прибавить теплопередачу при
стерилизации питательных сред и ферментации, а также вопросы
гидродинамики и массопередачи при осаждении
аэрозолей на неподвижных насадках.
Математическое моделирование— весьма
перспективный научный метод моделирования, имеющий целью
масштабирование аппаратов и поиск оптимальных
решений. Он требует выражения свойств изучаемой системы
математическим языком, обычно в форме
дифференциальных уравнений. При этом отдельные стороны процесса —
тепловая, массообменная, химическая—изучаются
раздельно. Лабораторные исследования при этом ставятся
для познания первичных закономерностей отдельных
стадий процесса, а не для воспроизводства
промышленных условий.
Полученная система уравнений описывает процесс в
реакторах любого масштаба и любой - конструкции. Их
решение аналитическим путем достигается редко.
Применение аналоговых или цифровых вычислительных
машин позволяет не только решить совместно систему
уравнений, но и осуществить расчетным путем поиск
оптимальных условий, выбор наилучшего типа химиче-
Рис. 1. Отделение ферментации (общий вид).
ского реактора и определение его размеров.
«Проигрывание» на математической машине множества вариантов
путем изменения параметров и быстрый поиск
оптимальных решений — основное достоинство и основное
содержание математического моделирования.
Производство антибиотиков отличается от других
биотехнологических и химических производств поразительно
быстрым за два с половиной десятилетия его развития
прогрессом в важнейшем технологическом показателе —
выходе продукта при ферментации. Концентрации
антибиотиков в культуральной жидкости увеличились в
десятки и сотни раз. Этот прогресс достигнут в основном
селекцией и внедрением в производство более активных
штаммов микроорганизмов-продуцентов, а также
увеличением концентрации и улучшением качественного
состава питательных сред.
В настоящее время раскрытие возможностей и
использование резервов, заложенных в штамме и среде, в зна-
9
ЛИТЕРАТУРА
f
t
1
чительной степени определяются способностью инжене- j
ров-биотехнологов подобрать оптимальные условия и j
режимы аэрации, перемешивания, пеногашения, отвода j
теплоты и т. д. Поиск этих режимов и их поддержание
на оптимальном уровне в отдельные периоды процесса
ферментации требуют, широкого привлечения средств-
автоматического управления и математических"машин.
Следует отметить, что в этом направлении в
промышленности антибиотиков делаются лишь первые шаги.
Технологическое оборудование ферментации (рис. 1)
недостаточно удовлетворяет возрастающим требованиям.
Например, на ряде производств мала мощность
электродвигателей ферментаторов, отсутствуют вариаторы
скорости вращения мешалки, неудовлетворительно пенога-
шение, мала поверхность теплообменных элементов.
Конструкции стерилизатора, ферментатора и других
аппаратов должны давать производству возможность гибкого
маневрирования параметрами процессов.
Развитие технологии ферментации определяет развитие
всего производства антибиотиков. Знание тенденций
такого развития необходимо для прогнозирования
аппаратурного оформления всех последующих стадий
производства и определения правильных пропорций в мощностях
отдельных участков, включая ферментацию,
предварительную обработку к фильтрацию культуральной
жидкости, выделение и химическую очистку антибиотика,
сушку, фасовку и упаковку готового продукта.
От работы инженера-биотехнолога зависит успех
промышленного производства, количество и качество важ- \
ных лекарственных и других продуктов, обеспечивающих
потребности здравоохранения и экономики страны.
■к
t
Боресков Г. К., Слинько М. Г. Хим. пром., 1964, 1, 22—29.
Герольд М. Антибиотики. М. Изд. «Медицина», 1966.
Г у х м а н А. А. Хим. пром., 1965, 7, 481—488.
Кафаров В. В. Методы кибернетики в химии и химической
технологии. М. Изд. «Химия», 1968.
Непрерывное культивирование микроорганизмов. Под редакцией
И Малека и 3. Фенцля. М. Изд. «Пищевая промышленность»,
1968.
Фремель В, Б. Производство кормового биомицина на спиртовых
заводах. М. Пищепромиздат, 1963. *
Aiba S. et al. Biochemical Engineering. New York, 1965.
Webb F. C. Biochemical Engineering. London — Toronto — New York,
1964.
10
■#tJt ■;*"-!;*
^».л-..^кк,^^-.^.^я-в№'-яч-.»*<»'«'---Ч1'.гЯ'^- .•wrtrwftMiwmwf"**' - "••тшзмш»'™*.*•»*ттШтнЯ>ш « ' "*'''Wmmn'-m-mm^mimmm
I
СТЕРИЛИЗАЦИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
СКОРОСТЬ ОТМИРАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Стерилизация оборудования, питательных сред,
готовых препаратов, так же как и хирургических материалов,
пищевых продуктов сводится по существу к созданию
условий для отмирания обитающей в них микрофлоры.
Другой способ стерилизации, применяемый к жидким
и газовым средам, заключается в их механической
фильтрации через пористые перегородки,
задерживающие микробные тела. Такая стерилизация используется
для подготовки подаваемого на ферментацию воздуха и
для очистки растворов антибиотиков, выпускаемых в
стерильном состоянии. Вопросы очистки воздуха
рассматриваются в главе IV, а стерилизующая фильтрация
растворов, которая принципиально не отличается от обычной
фильтрации суспензий, здесь не рассматривается.
В основе кинетики отмирания микроорганизмов лежит
одна и та же закономерность, независимо от того,
применяются ли высокая температура, бактерицидное
облучение или химические дезинфицирующие вещества.
Следует отметить, что практически нельзя убить популяцию
микробов мгновенно, создав гибельные для нее условия.
Отмирание происходит в течение некоторого времени,
причем это время тем короче, чем интенсивнее ингиби-
рующий («губительный») фактор. Микробы отмирают не
все одновременно после определенной выдержки в
неблагоприятных условиях, а путем постепенного
уменьшения числа выживших организмов из-за различной
устойчивости отдельных особей популяции. Поэтому чем
больше микробов подвергнуто воздействию, тем больше
должна быть экспозиция для достижения стерильности.
Если культура микробов гомогенна, т. е. состоит из
организмов одного штамма, не слишком молода и не
слишком стара, то скорость отмирания, отнесенная к
количеству живых организмов, постоянна:
dN
-Ji^k, ■■•":
. . 1 .. . р . _ . /V .-.■■ .- > ■ ■ ■
11
\> &' \-
где N — число живых бактерий; т — длительность, сек;
k — константа скорости отмирания, сек-1. Это значит, что
в единицу времени отмирает некоторая постоянная часть
выживших клеток или спор. Если, например, за первую
минуту отомрет половина спор, то за вторую минуту
отомрет половина из оставшихся спор.
Интегрируя уравнение, получаем:
— In N+C = kx.
Чтобы найти постоянную интегрирования, задаемся
т = 0, тогда N = N0 — количеству спор в начальный момент
времени. Число выживших спор для любого момента
времени определяется следующим образом:
*
Это уравнение в координатах lg N — x выражается
прямой линией.
Константа скорости k является угловым
коэффициентом указанной прямой, имеющим "отрицательный знак.
Она не зависит от количества микробов и длительности
процесса и численно равна доле организмов (от числа
живых); отмирающих в единицу времени. Величина,
обратная константе, имеет физический смысл средней
продолжительности жизни отдельной особи в период
отмирания и характеризует устойчивость организма к инги-
бирующему фактору. При изучении влияния различных
переменных (температуры, рЫ и др.) на отмирание
микробов в качестве функции следует выбирать не число
погибших организмов популяции, а константу скорости
отмирания, которая характеризует поведение особи со
средними свойствами. Константа скорости отмирания резко
различна для отдельных видов микробов. Помимо
природы организма и условий развития культуры, большое
влияние на эту константу оказывают физические и
химические воздействия. Максимальная термоустойчивость
с.порообразующих бактерий обнаруживается в
нейтральной области реакции среды при рН 6,0—7,0 (рис. 2).
Жиры, присутствующие в среде в виде эмульсии,
повышают термоустойчивость микробов. Поэтому жиры-пено-
гасители требуют более продолжительной стерилизации,
а введение их в питательную среду перед ее
стерилизацией нежелательно.
В смешанной культуре организмов линия отмирания не
является прямой (рис. 3). Пусть, например, в смеси из
12
трех организмов а, в, с наиболее устойчив организм с.
Суммарная линия отмирания вначале почти параллельна
прямой а, а в конце процесса, когда организмов а и в
остается очень мало, — почти параллельна линии с.
Поэтому суммарная линия всегда обращена выпуклостью
вниз.
МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ СТЕРИЛИЗАЦИИ
В процессе стерилизации среды достигается
сокращение числа живых микробов во сеем объеме от исходной
величины No до некоторой заранее заданной величины
(так называемой нестерильности среды) N. Очевидно,
нельзя принять в стерильной среде величину
нестерильности равной нулю, поскольку в этом случае длительность
стерилизации:
Стерильность обеспечивается при /V < 1 (нет ни одного
живого микроба). Необходимо задаваться величиной N
как вероятностью выживания одной споры в
стерилизуемой среде. Обычно задаются N — 0,01. Это значит, что- в
среднем в одной из ста операций стерилизации во всем
стерилизуемом объеме выживет одна спора.
Условием масштабного перехода в процессе
стерилизации является равенство величины «нестерильности»
среды (Дейндорфер). Поскольку величина N выбирается
независимо от объема стерилизуемой среды,
продолжительность необходимой выдержки среды при температуре
стерилизации зависит от масштаба производства, т. е. от
объема стерилизуемой жидкости:
где С0 — концентрация микробов в исходной среде, м~3;
Уж —объем стерилизуемой среды, м3. Под величиной С0
следует понимать лишь концентрацию спор бактерий, по
сравнению с которыми все прочие организмы обладают
исчезающе малой выживаемостью при высокой
температуре. Величину NQ определяют путем высева проб среды
после их нагревания до 100°.
Необходимая длительность стерилизации сравнительно
мало меняется с изменением объема жидкости, благодаря
И
-—W_ у-^±тют»"\У№тт~ л * *""1И*'" '"" ""■'■■ — *—»■» ■■ ■■■■■ ■■*■■*■* \ммлятжы*тишлшч1\\нм\чштптшютт*тшшашт ^^т^ПМОТМПШЧЯНР^МОТРЩРЧ
логарифмической зависимости между ними, однако при
большой разнице в объемах длительности становятся
заметно различными. Например, при С0 .= 2000 мл~1 и
/V = 0,01 стерилизация в автоклаве 1 л и 1 мл жидкости
при одинаковой длительности нецелесообразна,
поскольку:
*л lg (Со-1000/AQ _ *g 2'108 ~ 1 5
тмл" \g(C0IN) lg 2.106
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ ПРОЦЕССА
Охарактеризуем вначале термическую устойчивость
различных групп микроорганизмов. В целом микробы
способны противостоять значительно более высоким
температурам и в течение более длительного времени, чем
другие организмы. Известны термофилы,
выдерживающие 20—30-минутное пребывание в воде при температуре
120°. Устойчивость различных микроорганизмов к
высоким температурам по отношению к устойчивости
кишечной палочки, принятой за единицу, имеет следующие
значения:
Кишечная палочка 1
Споры плесневых грибов . . . 2—10
.Вирусы и бактериофаги . ... . 1—5
Споры бактерий 3 000 000
Как видно, споры бактерий неизмеримо устойчивее всех
других организмов.
Для изучения влияния температуры на отмирание
микробов в консервной промышленности пользуются
спорами термофила Вас. stearothermophilus как одного из
самых устойчивых к температуре организмов.
В 50-х годах исследователи для изучения этой
зависимости применяли запаянные стеклянные капилляры
(d = l-r-1,5 мм), в которых споровая суспензия
нагревалась погружением капилляров в горячий раствор
(температура ПО-г-1250). Нагрев длился 6—10 секунд, после
чего следовала выдержка в изотермических условиях в
течение десятков секунд, а затем определялось конечное
количество спор высевом охлажденной жидкости на
поверхность агаризова'нной среды. Такая простая методика
не позволяла применять температуру выше 130° из-за
гибели всех спор за короткое время и требовала внесения
рассчитанных поправок на отмирание в период нагрева по
15
известной кривой нарастания температуры в капиллярах,
Ванг применил в связи с этим трубчатый непрерывный
стерилизатор (диаметр трубки 2 мм), в котором
дистиллированная вода, нагретая в исходном резервуаре до
температуры 1204-145°, протекала под давлением сжатого
азота со скоростью 2,5 м/сек. Суспензия микробов в
буферном растворе через ротаметр непрерывно вводилась
в горячую воду в начале трубы. Через 0,6-М
миллисекунду достигалось температурное равновесие между
водой и суспензией. После протекания через определенный
отрезок трубки в течение 0,2—4 секунд суспензия
охлаждалась в испарительной камере, где давление снижалось
до атмосферного, и из нее отбиралась проба.
Константа скорости отмирания, вычисляемая по
приведенному выше уравнению, увеличивалась при
повышении температуры от 110° (k = 0,00045) до 145°
(k — 8,5 сек-1) в 19 000 раз. Для описания изменения
константы скорости отмирания с температурой можно
применить уравнение Аррениуса:
Это уравнение в логарифмической форме:
lg k^ £ -fig Л
Ь 2,3 RT S
выражает линейную зависимость lg k от величины,
обратной температуре. Угловой коэффициент этой прямой,
равный —ja/2,3 R, позволяет вычислить энергию
активации \х. Располагая двумя парами соответствующих
значений k = k (l/Г), можно графически, построив
указанную прямую, или аналитически с помощью уравнения
Аррениуса рассчитать константу скорости для
изотермических условий стерилизации. Такие условия создаются в
выдерживателе при непрерывном методе стерилизации.
Если пренебречь отмиранием микробов в период нагрева
среды, когда ее температура повышается до температуры
стерилизации и в период охлаждения среды, то можно
рассчитать продолжительность выдержки среды для ее
стерилизации. Для этого либо определяют константу
скорости по графику (рис. 4) и рассчитывают длительность
стерилизации по уравнению:
In
к N
16
либо осуществляют расчет аналитически после
подстановки в это уравнение значения k из уравнения
Аррениуса. При отмирании Вас. stearothermophilus
Л=1047'2 мин-1 и ц = 351 000 дж/моль (Ванг).
w
1
J
=з
'§*
*$
а
5
I
4
W
W
/о
uo
о*
1
—— 1 ■——
1
,
0^
j— ^
.—r- _
In 5J
-~*—*s
^Jyr
■
■
-
- ■,,.—
j
|
T~
2,36 2,W 2,M 2,48 2,52 2,56 2,60
^
Величина, обратная, абсолютной температуре,
Рис. 4. Зависимость скорости отмирания спор
Bacillus stearothermophilus от температуры (103/°К).
(Wang).
Понятие энергии активации применительно к
отмиранию микрофлоры является весьма условным. Можно
предположить, что-в основе отмирания лежит
денатурация ферментов и белков микробной клетки. Денатурация
наступает при столкновениях белковых молекул с
молекулами воды и друг с другом. В результате «активных»
н***А£'""
/200
столкновений избыток энергий поглощается с&йзямй б
молекулах белков, что вызывает их разрыв или
перегруппировку.
ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫ СТЕРИЛИЗАЦИИ
ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ
На продуктивность большинства питательных сред
вредно влияет продолжительное прогревание вследствие
разрушения некоторых питательных веществ, например
витаминов группы В, или образования веществ,
ухудшающих свойства питательной среды, например аминосаха-
ров из углеводов и
аминокислот (Дейн-
дорфер). Поэтому
продолжительное т ь
стерилизации среды
должна быть
минимальной, а сахара
желательно
стерилизовать отдельно.
Снижение качества
среды в результате
стерилизации зависит от
ее состава и
проявляется различным
образом при исполь-
разных
продуцента
1
/000
800
600
ЬОО
200
л
О
2\
-
/
3^
-
- ——
■
■—
30 60 90 120
Длительность, мин
ISO
Рис. 5. Влияние длительности
стерилизации среды при температуре 120° на
выход стрептомицина.
/ _ мутантныЛ штамм на среде с соевой
мукой; 2 — мутантный штамм на улучшенной
среде с соевой мукой; 3 — штамм Ваксмана
на среде с соевой мукой (Bartolomew et al.).
зовании
штаммов
(рис. 5).
С увеличением
температуры
стерилизации
продолжительность ее может быть
резко сокращена.
Как показала
практика, определенное
повышение температуры стерилизации (при
соответствующем уменьшении ее продолжителньости) улучшает
качество (продуктивность) питательных сред. Это
происходит потому, что константа скорости разрушения спор
с увеличением температуры растет быстрее, чем
константа нежелательных изменений в среде. Особенно
нежелателен продолжительный период нагрева и охлаждения
18
&■
'.*
■т h
А
.-.-л-ун.*г * 'i
ът&тётт'щт*™*» «> ттутьт ятящ**
h
Среды из-за неблагоприятного соотношения указанных
констант при пониженных температурах. Длительные
периоды нагрева и охлаждения характерны для
периодического процесса стерилизации (см. рис. 7). Длительности
нагрева и охлаждения в непрерывном процессе должны
быть минимальны, особенно при более высоких
температурах (выше 135°), чтобы длительность выдержки была
в несколько раз больше их суммы. С повышением
температуры стерилизации увеличиваются расходы на пар
и охлаждающую воду и капитальные вложения на теп-
лообменное оборудование. Высокие температуры
стерилизации в некоторых случаях приводят к снижению
качества среды из-за необходимости увеличить
длительность выдержки, чтобы предварительно прогреть
твердые частицы, находящиеся в среде. Температуру
стерилизации рассчитывают, выбирая длительность
отмирания микрофлоры в 2—3 раза больше длительности
прогрева твердых частиц и охлаждения среды. Обычно
применяют температуру непрерывной стерилизации в
пределах 120—140°.
Выбор температуры периодической стерилизации
производится тем же путем. Дополнительно следует
учитывать ограниченную прочность корпуса аппарата,
рассчитанного на рабочее давление не более 3 ат. Температуру
выше 135° (избыточное давление 2,2 ат) по этой причине
обычно не применяют. Более высокое давление считается
недопустимым также из-за деформации
герметизирующих прокладок аппарата и арматуры.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ И НЕПРЕРЫВНЫЙ
МЕТОДЫ СТЕРИЛИЗАЦИИ
В настоящее время применяют два метода
стерилизации питательной среды: метод стерилизации
непосредственно в ферментаторе — периодический метод—и
метод непрерывной стерилизации, которую проводит
одновременно с загрузкой среды в предварительно простери-
лизованный ферментатор.
Для периодической стерилизации приготовленная
нестерильная среда загружается в ферментатор и
нагревается глухим и острым паром до температуры
стерилизации, выдерживается при этой температуре 30—40
минут и затем охлаждается в аппарате водой пуском ее
через змеевик или рубашку. После нагрева среды в аппа-
2* 19
i
•ттщщ/мтт и iimpijinumii'iiH^j» mui. ищтьщщут
рате до 100° удаляют воздух из аппарата в атмосферу
продувкой паром или кипячением жидкости. Если не
удалить воздух, то при стерилизации суммарное давление
воздуха и паров воды в аппарате превысит допустимое
рабочее давление. Образование воздушной подушки
затруднит стерилизацию крышки аппарата и штуцеров на
ней (см. главу VI).
Метод периодической стерилизации среды в аппарате
отличается простотой, что обусловливает
«микробиологическую надежность» аппарата в этом процессе.
Стерилизация аппарата происходит одновременно со
стерилизацией среды. Однако метод имеет существенные
недостатки, ограничивающие его использование по сравнению с
непрерывным методом.
1. Ухудшается качество питательной среды из-за более
длительного действия высокой температуры (см. рис. 7).
По некоторым данным, на среде, простерилизованной
периодическим методом, выход пенициллина уменьшается
на 10%.
2. Требуется повышенный расход пара в короткий
период нагрева среды (!/г—1 час), тогда как при
непрерывном процессе стерилизации меньшее количество пара
потребляется более длительное время — в течение всей
■стерилизации (2—4 часа), т. е. обеспечивается более
равномерная нагрузка системы пароснабжения. Кроме того,
при непрерывном методе большую часть теплоты
нагретой среды можно регенерировать. Это позволяет иметь
паровые котлы меньшей мощности и уменьшить
энергетические затраты на стерилизацию.
3. Периодический процесс труднее поддается
автоматизации.
В настоящее время периодический метод применяется
для стерилизации среды только в аппаратах малой
емкости (до 3,2 м3).
СХЕМА ПОДГОТОВКИ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ
Питательную среду готовят путем тщательного суспен-
дирования нерастворимых компонентов (соевая мука,
мел), растворения солей и Сахаров и клейстеризации
крахмала. Эти операции проводят в одном или
нескольких реакторах. Отдельные части среды смешивают в
смесителе — чаще всего это более простой по
конструкции реактор с плоским днищем и крышкой. Таким обра-
20
п
А
п
Секция
нагреб а
копонна
двухтрубный хп
паровой
инжектор
с
пластинчатый
с
Секция
Выдержки
k
"Г трубчатый
э
Л*
емкостный
Секция ох
паждения
с
п
er—iH/
пластинчатый
, м
двухтрубный 8
с \ с
...
испаритель-
ная камера
Рис. 6. Различные типы секций непрерывных
стерилизаторов.
с — стерилизуемая среда; п — пар; к — конденсат; в —вода.
150*-
Непрерывная стерилизация
1
I
!
50 -
О
выдержка
периодическая
стерилизация
Время
Рис. 7. Изменение температуры элементарного объема жидкости
в различных типах секций стерилизаторов.
тег7лГоС°нЙниИкНЖ4еКТОР^ *-нагРевательнэя колонна; 3 и 6 - пластинчатый
теплообменник. 4 и 7 —двухтрубный теплообменник; Ь - испарительная
камера (Deindoerfer et al.).
зом готовят концентрат, объем которого обычно
составляет треть объема питательной среды.
При непрерывном методе стерилизации среды
концентрат среды насосом подают через систему аппаратов
состоящую из нагревателя, выдерживателя (аппарата
21
для выдержки среды при температуре стерилизации)
и теплообменника для охлаждения среды до температуры
ферментации.
В схеме стерилизации могут применяться различные
варианты аппаратов (рис. 6). Для сохранения качества
среды следует применять аппараты, обеспечивающие
Материальная
пиния
Вода
Пар
Канапизация
конденсат
Рнс. 8. Технологическая схема стерилизации питательной
среды.
/ — аппарат для растворения и суспе«дирования компонентов; 2 —
смеситель; 3— насос, 4 — нагреватель; 5 — ьыдег>ьиватель; 6 —
испаритель; 7 — теплиибменник; 8 — ферментатор.
кратчайшую длительность операций (рис.
изображен вариант аппаратурной схемы
среды.
Нагреватель
7). На рис. 8
стерилизации
Нагреватель в схеме представлен вертикальной
колонной, в которую снизу в межтрубное пространство
поступает среда, а сверху через барботер, имеющий отверстия
по всей длине, поступает острый пар с давлением 3—4 ат.
Объем межтрубного пространства колонны обеспечивает
пребывание в ней каждого элементарного объема среды в
течение 10—15 секунд. Быстрый нагрев холодной среды
острым паром сопровождается гидравлическими
ударами, создающими в цехе шум. Чтобы уменьшить
.гидравлические удары среду предварительно нагревают в
смесителе до температуры 70—80°. Нагрев необходим также
для ускорения растворения компрнентов среды и лучшего
2?
суспендирования (разбивания комков, внутри которых
могут сохраниться споры микробов).
Оставшиеся комки задерживаются сетчатым фильтром,
установленным на трубопроводе между насосом и
нагревателем. Для частиц нерастворимых компонентов,
прошедших через фильтр в выдерживатель, необходимо рас-
1
4ч л
*/
/
/$/;
4
7
/
"4
"5г—
>•
■—Q/Qo
*t^
*" -
i 'j i i
0,5
2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 со
0,000/ 0,00/ -, 0,0/ 0J t /0 BL^aR/ji
Рис. 9. Относительная теплоотдача шара.
0,05
считать длительность нагрева до температуры
стерилизации тп. Величина тн в сумме с длительностью отмирания
микрофлоры т дает необходимую длительность
выдержки:
в
* +V
Расчет тн является задачей на теплопроводность в
твердом теле при нестационарном режиме.
Рассчитывается длительность нагрева сплошного шара с диаметром,
равным ширине отверстия в сетчатом фильтре.
Величина тн определяется по номограмме (рис. 9).
Для этого вычисляется число Био:
Bi
«R
где R — радиус частицы, м; а — коэффициент
теплоотдачи к поверхности частицы, вт/м2-град. По номограмме
определяется кривая, достигающая отношения текущей
теплоты нагрева к полной теплоте нагрева частицы
Q/Qo=l при вычисленном числе Био. Это — кривая
постоянства числа Фурье:
Fo
/?2
?з
.*.. н
«..
**mt&r*
>
,-ч
I J*
-iV :"
где а — коэффициент температуропроводности, м2/сек.
По величине найденного числа Fot записанного на
номограмме, находится длительность тн достижения Q/Qo —
величины, близкой к единице.
Нагреватель может быть выполнен в виде струйного
инжектора, в котором нет гидравлических ударов и
отсутствует другой недостаток колонны — засорение
отверстий барботера осадками из питательной среды.
Применяются также нагреватели, передающие теплоту через
стенку — пластинчатые и трубчатые теплообменники (см.
рис. 7).
При этом нагрев до 90—110° может в принципе
осуществляться в холодильнике, в котором охлаждается
стерильная среда путем пропускания среды вместо
охлаждающей воды. Препятствие для использования в
качестве нагревателя двухтрубных и кожухотрубных
теплообменников создают трудно удаляемые из этих
аппаратов отложения осадков солей, обусловливающих
жесткость воды.
Выдерживатель
Основное требование, предъявляемое к выдерживате-
лю — постоянство длительности пребывания в нем
каждого элементарного объема среды, содержащего одну
спору.
Это обеспечивается работой аппарата по принципу
полного вытеснения (поршневого течения).
Длительность пребывания в выдерживателе первого из
поданных в пустой аппарат элементарных объемов, очевидно,
равна длительности заполнения аппарата средой.
Последующие объемы среды, вытесняя предыдущие, будут
находиться в аппарате столько же времени лишь при
условии постоянства объемной скорости протекания
жидкости через аппарат. Этот период времени и есть
длительность выдержки. Зная длительность выдержки,
определяют величину рабочей емкости по очевидному
уравнению:
К
рао
*"сек в
в
on
где Усек — расход жидкости через систему стерилизации,
м3/сек; V — объем стерильной среды (загрузки), м3;
Топ — длительность операции стерилизации загрузки
среды в один ферментатор, сек.
24
*<ГЦЮШ
; При относительно низких и умеренных температурах
стерилизации применяют выдерживатель в виде
емкостного аппарата, покрытого теплоизоляцией для
обеспечения изотермичности процесса. Работа этого
биологического реактора по принципу полного
вытеснения может быть обеспечена при постоянстве
скорости во всех точках поперечного сечения столба жидкости.
Если жидкость подавать в
штуцер, расположенный в днище
аппарата, то при свободном истечении
затопленной струи образуется
суживающееся ядро потока, содержащее
только исходную жидкость, и
конически расширяющийся пограничный
слой, в котором происходит
перемешивание струи с окружающей
жидкостью. Скорость в ядре постоянна,
а в пограничном слое убывает в
радиальном и осевом направлениях
(рис. 10), причем осевая скорость в
5 раз превышает среднюю
арифметическую скорость струи.
Вследствие продольного смешивания струй
длительность выдержки различна
для разных частей жидкости.
Минимальная длительность приблизи-.
тельно в 2 раза меньше средней. Для
гашения затопленной струи
применяют конические или сферические
отражатели, укрепленные над
штуцером подачи среды, и сегментные
полки либо подают жидкость по
касательной к стенке аппарата или
сверху вниз по трубе,
расположенной по оси аппарата (см. рис. 8).
При относительно высоких температурах
стерилизации, когда по расчету емкость выдерживателя
измеряется десятками литров, вместо емкостного выдерживателя
целесообразно использовать трубу, изогнутую в виде
плоского змеевика для удобства монтажа на стене.
В трубчатом выдерживателе легко регулировать
длительность выдержки, не меняя объемной скорости (на
которую рассчитан теплообменник), путем изменения
длины трубы. Диаметр Д длину / трубы и скорость дви-
Рис. 10. Движение
жидкости в
выдерживателе, не
обеспечивающее постоянства
времени выдержки.
25
жения v жидкости в трубе находим, решая систему из
трех уравнений:
Vva6 = 0,785 D4;
i
Режим движения жидкости в трубе должен быть
развитым турбулентным (/?е=104—106) для создания
условий, близких к поршневому течению жидкости.
Турбулентный режим в трубчатом выдерживателе улучшает
теплоотдачу к твердым частицам и вследствие этого
позволяет применить более высокую температуру
стерилизации.
Холодильник
Выбирая тип теплообменника — наиболее
дорогостоящего аппарата в системе стерилизации — прежде всего
исходят из требований соблюдения стерильности
питательной среды и необходимости очистки поверхностей
теплообмена от осадков.
Как свидетельствует практика, герметичной, хорошо
сохраняющей стерильность конструкцией является
двухтрубный теплообменник (типа «труба в трубе») сварной
конструкции. Он имеет довольно высокий коэффициент
теплопередачи, /С~2,3 квт/м2град при скорости среды
2 м/сек. Высокая скорость препятствует выпадению
осадков из среды. Для большей гарантии герметичности
среда подается по внутренней трубе теплообменника.
Конечная температура охлаждающей воды выбирается
не выше 50° для предупреждения образования накипи.
К недостаткам этого типа теплообменника относятся
недоступность теплообменной поверхности для
механической очистки, увеличенный расход металла на 1 м2
теплообменной поверхности (в 3—5 раз больше, чем у
кожухотрубных теплообменников) и громоздкость.
Применение кожухотрубных теплообменников
обычной конструкции недопустимо из-за опасности
заражения питательной среды охлаждающей водой, которая
может проникнуть в местах закрепления большого числа
труб в трубных решетках. Лишь особо герметичные
крепления, применяемые для кожухотрубных
теплообменников в атомной промышленности, допустимы в 0ИО-
i
технологии. Например, по французскому патенту (Пей-
рон) у концов труб делают тороидальное расширение.
Цилиндрический конец вставляют в решетку до упора в
расширение и разбортовывают с другой стороны.
Помимо герметизации, вздутие играет роль компенсатора
температурных удлинений.
Компактен и эффективен пластинчатый
теплообменник, широко используемый в пищевой промышленности
Стерильная
среда
60'
№
i
п
Вода
2¥* 107 *
исходная среда
М
К*МШ
»
Рис. 11. Регенерация теплоты при стерилизации
питательной среды в пластинчатом теплообменнике (а, Ь% с)
и трубчатом выдерживателе (d) (Whitmarsh).
для пастеризации молока.. Он отличается хорошей
герметичностью, высоким коэффициентом теплопередачи
(З-т-3,5 квт/м2град) и большой поверхностью
теплообмена на единицу объема аппарата. Эффективность
теплопередачи позволяет применить теплообменник в качестве
и холодильника, и нагревателя, а легкость разборки его
для очистки создает возможность регенерации 70—80%
теплоты нагретой среды (рис. 11) по сравнению с
10—15% в случае применения двухтрубного
теплообменника. Для этого теплообмеиная поверхность разбивается
на три секции. Нестерильная среда нагревается в секции
регенерации, теплоты (й), например, от 24 до 107° за
счет отнятия теплоты от среды, прошедшей выдержку в
трубчатом выдерживателе (d) и охлаждающейся в этой
секции на столько же градусов, на сколько нагревается
нестерильная среда, т. е. от 144 до 60°. Далее
нестерильная среда нагревается глухим паром в секции нагре-
27
&>
щяттттшшш
Шщтттт*
ва (с) до температуры выдержки. Охлаждение среды
после секции регенерации происходит в секции
охлаждения (а) водой. Применение.столь же эффективных
спиральных теплообменников недопустимо из-за
ненадежности уплотнения между торцами листов и крышками.
В случае стерилизации среды при высокой
температуре (135° и выше) жидкость после выдержки находится
под избыточным давлением, превосходящим то, которое
необходимо для прохождения среды через холодильник
в ферментатор.'Это резервное давление на некоторых
зарубежных заводах используют для частичного охлаж-
* дения среды с помощью испарительной камеры
(см. рис. 8). После дросселирующего вентиля давление
жидкости становится ниже давления насыщенного пара,
соответствующего температуре стерилизации. Это
вызывает вскипание жидкости в испарительной камере и
температура снижается до уровня, соответствующего новому
давлению. Вторичный пар с пеной подают з смеситель.
Стерильная охлажденная питательная среда
поступает в предварительно простерилизованный пустой
ферментатор, находящийся под избыточным давлением
стерильного воздуха. Систему аппаратов для стерилизации
изготовляют из нержавеющей стали и перед каждой
операцией стерилизуют острым паром.
Контроль непрерывного нагрева и охлаждения
питательной среды автоматизирован. Регулирование
осуществляется с помощью термометров сопротивления
(датчики температуры), установленных на выходе среды из
нагревателя и холодильника, электронных
уравновешенных мостов типа ЭМД или ЭПП и пневматических
клапанов (исполнительные органы), установленных на
линии подачи греющего пара или охлаждающей воды и
действующих с помощью подведенного к мосту сжатого .
воздуха. Таким же способом регулируется температура
культуральной жидкости в процессе ферментации. Из-
за нестабильности подачи среды насосом в систему
аппаратов для стерилизации, приводящей к непостоянству
выдержки, на материальной линии необходим
регулятор, поддерживающий постоянство расхода.
ЛИТЕРАТУРА
Барановский Н. Б. Пластинчатые теплообменники пищевой про-.
мышленности. М. Пищепромиздат, 1962.
28
i ■
fry-з* ^^^gf^yt^^ffyggH ^ЧШЯ&^ЩЩИЯЯ№$&**,'К rfr**X ■****W4WP?m*WV'
Пейрон А. Реф. журн.: Ядерные реакторы, 1964, 50, 9, 126 П.
Почапинский В. И. и др. Антибиотики, 1964, 10, 926—930.
Фла.уменбаум Б. Л. Теоретические основы стерилизации
консервов. Изд. Киевского университета, 1960.
Deindoerfer F. H. Appl. Microbiol., 1957, 5, 4, 221—228
Deindo.erfer F. H. et al. Appl. Microbiol., 1959, 7, 4, 256—270.
Deindoerfer F. H. et al. Appl. Microbiol., 1961, 9, 2, 234—239.
Fndrickson A. G. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 1, 167—182.
Shu 11 J. J. et al. Appl. Microbiol., 1962, 10, 5, 452—457.
Toplin J. Biotechnol. Bioeng., 1962, 4, 3, 331—340.
Wang D. Biotechnol. Bioeng., 1964, 6, 4, 367—379.
i
i
» ■*- ■*
f.
11
МАССОПЕРЕДАЧА И ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА
МАССОПЕРЕДАЧА КИСЛОРОДА
?7:
*•'.
b^J
-*-J
.Д*7
Определения и основные переменные
Необходимость создания при глубинном
культивировании микроорганизмов определенной концентрации
кислорода, растворенного в жидкости, непосредственно
примыкающей к клеточной стенке, является сложной
технологической задачей. Трудности возникли в
основном при освоении глубинной ферментации при
биосинтезе антибиотиков микробами-продуцентами,
образующими развитый мицелий. Мицелий — это ветвящиеся нити
(гифы) грибов и актиномицетов, часто образующих в
погруженной культуре шаровидные «кусты» — колонии
диаметром 0,2—1 мм. Трудности усугублялись при
использовании, с целью интенсификации биосинтеза,
концентрированных питательных сред. Стремление
использовать концентрированные среды экономически
оправдано, поскольку в себестоимости антибиотиков затраты на
питательные среды составляют около 15%. В то же
время продуктивность продуцента на среде постоянного
качественного состава, оптимального для данного штамма,
в определенных пределах пропорциональна количеству
выросшей биомассы и тем самым, по М. М. Левитову,
прямо связана с концентрацией среды. Рост содержания
биомассы резко увеличивает вязкость жидкости,
особенно при малых градиентах скорости движения. Это
значительно ухудшает условия массопередачи кислорода
из воздуха к клетке. Вместе с тем потребность в
кислороде возрастает пропорционально концентрации
биомассы.
Во многих микробиологических производствах
затруднения в массопередаче кислорода ограничивают
дальнейшее увеличение концентрации сред и тем самым —
производительности ферментаторов.
Влияние недостаточности скорости массопередачи
кислорода на культуру грибов иллюстрирует рис. 12. На
30
>-tAp.r?-%K^'Xffl1P*Wt*'W&\ WPl«>
Нем отражены Первые 20 часбЬ pocfa верного асПергИлла
при постоянной небольшой аэрации культуры. После
засева питательной среды, пока концентрация биомассы
мала, растворенного кислорода достаточно. К 16-му
часу культивирования, когда парциальное давление
кислорода (5) уменьшается до 0,06 ат, возникает его
недостаток. При этом логарифмический рост биомассы
, *
Время роста, часы
Рис. 12. Лимитирование кислородом роста
Aspergillus niger (Phiilips et. al.).
Объяснение в тексте.
(2, в г/50 мл) переходит в линейный, объемная скорость
потребления кислорода (/, в ммолях/л-мин) достигает
максимума и затем снижается, удельная скорость
потребления кислорода (4, в ммолях/2 • г■ мин) начинает
уменьшаться, время генерации клеток, т. е. период их
деления (5, в часах-20), начинает увеличиваться.
Микроорганизмы в глубинной культуре могут
использовать только растворенный кислород (Финн). Массопе-
редача кислорода складывается из абсорбции его из
воздуха жидкостью и переноса из основной массы жидкости
к клеточной стенке. Оба этапа массопередачи связаны с
преодолением нескольких диффузионных сопротивлений.
Этот процесс осуществляется путем аэрации культураль-
31
ГМНЧИЮ»*****,'»*.
**TW**№4»rtM Ч^Ш^ыя^*тн*ф№Ю№*-\'^г1М**.*1
ной жидкости, обеспечивающей контакт между
воздушной и жидкой фазами.
В настоящее время общепринят барботажный метод
аэрации культуральных жидкостей при механическом их
перемешивании. Из-за слабой растворимости кислорода
в водных растворах (0,2 ммоль/л) в условиях
равновесия с воздухом при давлении 1 ат, движущая сила
процесса абсорбции мала, и значительные сопротивления на
границе раздела фаз обусловливают малую величину
коэффициента абсорбции — параметра, обратного
сопротивлению. По этим причинам мала скорость абсорбции.
При отсутствии механического перемешивания
потребовалась бы подача чрезмерно большого количества
воздуха, чтобы обеспечить необходимое снабжение
культуры кислородом. Интенсивный барботаж может вызвать
повышение объема жидкости и образование обильной
пены, с трудом поддающейся гашению, а также связан
с большими энергетическими и капитальными затратами
на получение сжатого стерильного воздуха.
Механическое перемешивание, интенсифицируя процесс массопе-
редачи, позволяет сократить подачу воздуха и удешевить
процесс. Роль перемешивания при массопередаче
кислорода весьма велика и его обычно рассматривают как ее
неотъемлемую составную часть.
С помощью перемешивания достигается равномерное
распределение растворенного кислорода, питательных
веществ и микроорганизмов во всем объеме жидкости,
облегчается подвод компонентов питательной среды и
кислорода к клетке, а также отвод продуктов
метаболизма.
Следует разграничивать процессы перехода молекул
кислорода в жидкость и подачи воздуха в аппарат (бар-
ботажа). Лишь незначительная часть — около
Vio—подаваемого в ферментатор кислорода сорбируется в
жидкости, и эта доля уменьшается с увеличением подачи
воздуха.
Массопередачу кислорода характеризуют по ее
скорости, достаточности и экономической эффективности.
Скорость массопередачи в стационарном состоянии про-
цесса должна соответствовать неограниченной скорости
потребления кислорода продуцентом. Достаточность
характеризует определенная концентрация кислорода,
выше которой продуцент не испытывает недостатка в
кислороде. Экономичный режим массопередачи должен
32
■-■ i * ■■
i
обеспечить ее достаточность при минимальных затратах
на приготовление сжатого стерильного воздуха и
перемешивание жидкости.
При абсорбции кислорода водой или питательной
средой, не содержащей микроорганизмов, т. е. в условиях
нестационарного состояния, когда концентрация кисло*
рода в жидкости нарастает, уравнение массопередачи
имеет вид:
jf-=kf(Cp-C),
где С—рабочая концентрация кислорода в жидкости, *
моль/м3; Ср—равновесная концентрация; / — удельная
поверхность массопередачи, м2/м3 жидкости; k —
коэффициент абсорбции, м/сек.
Для стационарного состояния абсорбции, когда
сорбированный кислород поглощается микроорганизмом
или связывается химическими соединениями, например
сульфитом натрия, скорость массопередачи и
концентрация кислорода постоянны и уравнение приобретает вид:
^абс = А/(Ср-С).
Коэффициент абсорбции численно равен количеству
молей Ог, диффундирующих за секунду через 1 м2 площади
массопередачи при движущей силе процесса Ср—С~
1 моль/м3. Произведение kf называют объемным
коэффициентом массопередачи.
Весьма важным свойством коэффициента абсорбции k
кислорода и других газообразных веществ является его
малая зависимость от технологических условий
абсорбции в данной жидкости — от высоты столба жидкости,
объемной скорости газа в аппарате, диаметра пузыря и
интенсивности перемешивания. Например, зависимость k
от удельной мощности, потребляемой мешалкой,
выражается уравнением:
i
показатель 'степени которого колебался в указанных
пределах в исследованиях разных авторов. Таким
образом, объемный коэффициент массопередачи kf зависит в
основном от изменений удельной площади пузырей /.
Этот важный вывод позволяет направить основное
внимание при изучении способов интенсификации
массопередачи кислорода на удельную поверхность пузырей
3 К. Г. Федосеев ' 33
газа в жидкости /. Определим зависимость / от подачи
газа, допуская вначале, что пузыри образуются при бар-
ботаже воздуха через неперемешиваемую мешалкой
жидкость, а также, что все пузыри равновелики и
шаровидны при любых подачах газа. Количество пузырей,
образующихся у барботера за секунду, равно расходу
■Усек, деленному на объем пузыря шаровидной формы
п
6К
сек
7lrf3
За одну секунду пузыри пройдут путь, численно
равный скорости всплывания vBcn, и количество пузырей в
слое жидкости высотой 1 м равно:
6 ксек
пя
1
^Vecn
■
Поверхность всех пузырей в слое Н м:
F,
6К
Kd\vBQn
Я£-НъсР
п
^ всп"п
I
Поверхность пузырей в единице объема жидкости с
площадью горизонтального сечения F:
я
Ft
6VrovH
сек
V.
сек
V
ж
^всп^п^
^всп"п
F
(1)
С другой стороны,
/
б vytH
^всп"п
(2)
где V
V,
сек
УД
V
удельный расход воздуха, м3/м3-сек.
ж
Таким образом, удельная поверхность пузырей и,
следовательно, скорость массопередачи кислорода, при
сделанных нами допущениях, пропорциональна фиктивной
линейной скорости газа, равной VCQJF, или удельному
расходу газа, умноженному на высоту слоя жидкости.
(Скорость фиктивна, так как барботирующий через
жидкость газ занимает лишь часть объема аппарата.)
Для создания одинаковой величины / удельный расход
воздуха в ферментаторах емкостью 50 л и 50 м3 должен
отличаться в 10 раз, потому что высота Я, будучи
линейным размером цилиндра, пропорциональна объему в
степени !/з-
34
В реальных условиях величина / увеличивается
медленнее VceJF вследствие увеличения с расходом газа
размера пузырей и скорости их всплывания. Однако это
не меняет того положения, что расход Vyjx обратно
пропорционален Н при достоянстве VynH с любым
показателем степени. В практической работе для
характеристики аэрации в ферментаторах разной емкости иногда
необоснованно используют удельный расход воздуха.
Удельная поверхность связана с объемным
содержанием пузырей газа в жидкости. Абсолютное количество
газа в жидкости (м3) равно произведению расхода газа
на длительность пребывания пузырей в жидкости.
Относительное газосодержание (м3/м3) соответственно равно
произведению удельного расхода Vyn на длительность
всплывания (пребывания газа в жидкости) тВСп:
Ф
V т
v уд ^всп
*>всп
(3)
Из уравнений (2) и (3)
/
. Из уравнений (1) и (4)
Ф
ц
(4)
п
V,
сек
F • v
В СП
Таким образом, относительное газосодержание
жидкости равно отношению фиктивной линейной скорости
газа к скорости всплывания пузырей.
Барботаж газа (при отсутствии механического
перемешивания)
• Если пропускать газ через отверстие в жидкость, то
при малой линейной скорости газа в отверстии от его
края отрываются отдельные пузыри. Барботаж происхог
дит при пузырьковом режиме. При этом режиме
диаметр пузыря, отрывающегося от отверстия, обращенного
вверх, может быть определен теоретически. Отрыв пу?
зыря от краев отверстия произойдет тогда, когда подог
емная сила пузыря:
(Тж-Гг)—г1
.»
•." »-
станет равной силе сопротивления поверхностного
натяжения отрыву пузыря, которая для круглого отверстия в
барботере равна nDo. При этом диаметр пузыря:
V Тж ™ Тг /
где Ym и Yr — удельные веса соответственно жидкости и
газа, н/м3; D — диаметр отверстия, м; а—поверхностное
натяжение, н/м.
Диаметр пузыря, как видно из данного уравнения,
слабо изменяется с изменением диаметра отверстия.
При пузырьковом режиме барботажа скорость
истечения газа из отверстия также мало влияет на диаметр
пузыря, увеличивается лишь частота образования
пузырей, а расстояние между отдельными всплывающими
пузырями сокращается. Наконец, при некоторой
критической «скорости газа отдельные пузыри сливаются в
струю и наступает струйный режим барботажа. Трение
газа о жидкость вызывает турбулизацию струи,
вследствие чего на высоте 30—100 мм от барботера она
разбивается на отдельные пузыри различной величины.
Критическая скорость газа при барботаже в воде и
касторовом, масле равна 13—17 м/сек при D = 1,1 мм и
1,3—2,8 м/сек при D = 3,8—7 мм (В. Н. Стабников).
При сближении отверстий на трубе барботера можно
наблюдать слияние струй, вытекающих из смежных
отверстий. Слияние струй — нежелательное явление,
вследствие ухудшения распределения газа по поперечному
сечению сосуда и уменьшения дисперсности газа. Поэтому
для раздельного существования струй В. Н. Стабников
рекомендует при скорости истечения газа из отверстия
20 м/сек соблюдать расстояние не менее 25—30 мм для
отверстий с диаметром 4—7 мм и не менее 12 мм — для
отверстий с диаметром 1 мм. Из данных В. Н. Стабнико-
ва следует, что с увеличением скорости газа на каждые
10 м/сек расстояние между отверстиями должно быть
увеличено приблизительно на величину диаметра
отверстия. Не следует стремиться к устройству большого
числа мелких отверстий на барботере, что, к сожалению,
часто имеет место в практике. Это приводит к уменьшению
расстояния между отверстиями, а так как даже из
мелких отверстий пузыри и струи образуются довольно
крупные, то это вызывает слияние струй и результат
бывает противоположный желательному. Вместе с тем уве-
36
-■^Ч"ь^*3**'#* "**?* " Ы*Ъ£(Щ*Ш№-'
личивается гидравлическое сопротивление протеканию
газа. Поэтому целесообразны большие отверстия
(3—5 мм) при соблюдении рекомендованных расстояний
между их осями. С другой стороны, поскольку диаметр
пузыря при струйном режиме не имеет прямой связи с
диаметром отверстия, а зависит главным образом от
скорости истечения, то целесообразнее уменьшать число
отверстий за счет увеличения скорости истечения газа
(В. Н. Стабников).
Скорость всплывания пузырей ьъси и их форма для
данной жидкости и газа определяются диаметром
пузырей dn. На всплывающий пузырь действуют подъемная
сила, вызываемая градиентом давления в вертикальном
направлении, сила сопротивления жидкости и сила
поверхностного натяжения. Последняя стремится придать
пузырю шаровидную форму. Однако шаровидны лишь
малые пузыри —в чистой воде при dn<2 мм, в общем
случае при числе Re движения пузыря менее 700
(Ren = Овсп^иР./м. < 700» гДе ^ — вязкость жидкости,
н*сек/м2). Они поднимаются в неподвижной жидкости по
прямой линии и скорость их всплывания при наличии
поверхностноактивных веществ, устраняющих
подвижность их поверхности, приблизительно подчиняется
закону Стокса. При всплывании, исключая очень краткий
начальный момент ускорения, скорость всплывания
постоянна, благодаря равенству силы сопротивления
среды, записанной по Стоксу, подъемной силе:
о
откуда ' '
и
^всп — 1Q
Пузыри большего размера деформируются,
поднимаются в неподвижной жидкости по спирали, еще более
крупные (dn>6 мм) — по прямой; скорость
всплывания всех этих пузырей в неподвижной жидкости
изменяется мало: 0,25ч-0,4 м/сек, в среднем 0,3 м/сек.
В условиях развитого турбулентного режима скорость
всплывания пузырей, размеры которых превышают
внутренний масштаб турбулентности, больше, чем в
неподвижной жидкости. Это . иллюстрирует уравнение
И, С. Павлушенко;
37
и
и
Например, при d„ = 0,01 м, ^всп = 0,56 м/сек.
Величина газосодержания в жидкости может быть
определена:
F-vBCa 1,74 F'V'dlg
W ,
При отсутствии механического перемешивания и при
числе Re истечения газа из отверстия больше 104
Влияние перемешивания на барботаж
. При наличии механического перемешивания средний
диаметр пузыря слабо зависит от условий его
образования у барботера и определяется в основном величиной
турбулентности жидкой фазы, а также газосодержанием
жидкости. Чем выше турбулентность, тем меньше
размер пузыря, устойчивого при действии пульсаций
скорости (см. ниже). Средний размер пузыря увеличивается с
ростом газосодержания из-за слияния (коалесценции)
пузырей. Коалесценция ослабляется в культуральных
жидкостях из-за присутствия поверхностноактивных
веществ. Ниже рассмотрен метод расчета величины
газосодержания жидкости с учетом влияния биомассы
организма.
Влияние движущей силы на скорость абсорбции
кислорода
В выражении для скорости массопередачи
va6c = kf(Cp-C)
следует отчетливо видеть качественное различие двух ее
составных частей kf и Ср—С. Величина движущей силы
указывает на отклонение системы от состояния
диффузионного равновесия, а коэффициент абсорбции
характеризует ту сторону скорости процесса, которая связана с
преодолением сопротивлений для диффузии молекул
кислорода. В качестве примера возможного
использования движущей силы процесса для интенсификации
газообмена рассмотрим выбор величины парциального дав-
■-
38
L
ленйя кислорода при аэрации в производственных
условиях.
Скорость перехода кислорода в раствор может быть
увеличена, согласно уравнению массопередачи,
повышением kf, увеличением парциального давления кислорода,
в соответствии с законом Генри, и уменьшением
рабочей концентрации кислорода. Увеличения парциального
давления кислорода можно достигнуть повышением
содержания кислорода в воздухе (или даже использованием
для барботажа кислорода вместо воздуха) или же
увеличением давления воздуха. Применение кислорода
экономически невыгодно, к тому же при этом рост Ср не
восполняет уменьшения площади массопередачи /
вследствие уменьшения объема газа.
Повышение давления в ферментаторе на несколько
атмосфер не повреждает микроорганизмы. Но это слабо
увеличивает скорость сорбции кислорода и также
экономически невыгодно. Дело в том, что размер пузырей,
образующихся у барботера при пузырьковом или струйном
режиме барботажа, в соответствии с уравнениями для
диаметра пузырей практически не зависит от давления.
Поэтому при постоянной объемной скорости воздуха,
пересчитанной на стандартные условия (1 ат и 20°),
увеличение давления воздуха приведет к уменьшению во
столько же раз объема газа, количества образующихся у
барботера пузырей и суммарной их поверхности /.
Поэтому увеличение давления сопровождается одинаковым
по величине ростом Ср и падением kf. Это слабо
увеличит скорость абсорбции, поскольку С значительно
меньше Ср. Например, при С = 0,3 Ср увеличение давления в
среднем сечении столба жидкости в 2 раза увеличивает
скорость абсорбции в 1,2 раза. Увеличение давления в
ферментаторе потребует увеличения толщины его
стенки, а также применения компрессоров с более высоким
давлением сжатия. Такие компрессоры потребляют
значительно больше электроэнергии, стоимость которой
составляет главную часть в себестоимости сжатого
воздуха. Поэтому увеличение давления воздуха, подаваемого
в ферментатор для усиления аэрации, в общем случае,
экономически нецелесообразно. Увеличение давления
целесообразно при использовании резерва давления
сжатого воздуха, а также для снижения уровня пены.
Изменение температуры влияет на движущую силу
процесса в связи с тем, что повышение температуры
39
ъ-v:
*r-.
yMeHbtuaet растворимость газой в жидкостях, т. е.
величину Ср. С другой стороны, повышение температуры
уменьшает вязкость жидкостей и увеличивает
коэффициент молекулярной диффузии. В связи с этим
увеличение температуры на 10°, по данным некоторых авторов,
увеличивает объемный коэффициент абсорбции на 15%.
В целом температура, мало влияя на скорость процесса,
по существу не может быть использована как
переменная величина для интенсификации абсорбции кислорода в
связи с тем, что оптимум температуры определяется в
более важном процессе, протекающем в ферментаторе —
биосинтезе продукта.
Вещества, растворенные в культуральной жидкости,
как правило, уменьшают движущую силу абсорбции
согласно уравнению;
Е
lLqB ,
где Е и £о— коэффициент Генри для раствора и
растворителя, численно равный равновесной концентрации
кислорода при парциальном давлении 1 ат;
С—концентрация вещества в растворе; В — постоянная,
зависящая от природы вещества и растворителя. Эта формула
подтверждается в случае обогащения питательных сред.
Например, были вычислены, по данным Т. И. Гринюк и
С. Л. Бринберг, для кукурузно-лактозных сред
(пенициллин) и глюкозо-крахмальных сред (стрептомицин)
значения константы
В
1
С
In
£о
1
С
In
ро
Значения В оказались постоянными (табл. 1). В
уравнении Ср0—равновесная концентрация кислорода в воде.
Таблица 1
Влияние суммарной концентрации компонентов питательной среды
на растворимость кислорода
Жидкость
Вода
Питательная среда для
получения пенициллина
<*
Питательная среда для
получения стрептомицина
С. %
0
/ 4,1
1 7,15
3,85
Ср, мг/л
8,2
6,8
5,9
1
6.8
Константа В
уравнения
0,046
0,046
0,049
В отличие от движущей силы абсорбции объемный
коэффициент абсорбции kf можно изменять в значительно
более широких пределах, в основном путем изменения
поверхности массопередачи. Величина kf меняется с
изменением конструкции и, интенсивности работы
аэрирующих и перемешивающих устройств ферментатора и
физических свойств жидкости.
Методы измерения скорости абсорбции
и потребления кислорода :.
и '
Скорость абсорбции, а также равная ей при
стационарном состоянии скорость потребления кислорода
могут быть измерены с помощью определения
концентрации кислорода в газе, выходящем из ферментатора,
например, с помощью магнитного газоанализатора. Однако
определение скорости абсорбции кислорода не позволяет
оценить ее достаточность. Для этого измеряют
концентрацию кислорода в жидкости. Определение
выполняют манометрическими, химическими,
электрометрическими и некоторыми другими методами. Если
определение связано с отбором пробы, то жидкость отбиоают
в сосуд, содержащий антисептик или раствоо вещества
(например, азида натрия), быстро останавливающего
дыхание микроорганизма.
Из манометрических методов в настоящее время
ограниченно используется лишь метод Ван Сляйка. В
медицине он широко используется для анализа содержания
кислорода в крови. Метод основан на десорбции газов
из жидкости с помощью вакуума и химическом
поглощении из полученной газовой смеси кислорода
щелочным Раствором пипогаллола (20% раствор пирогаллола
и 20% ряствоп КОШ или гидросульфита натрия (20%
рагтвор Na?S204 и 10% раствор КОН).
Химический метод Винклрпя основан на окислении
водной закиси марганца Мп(ОНЬ в шрлочиом растворе
кислородом в водную окись марганца Мп(ОН)3, которая
после растворения в соленой кислоте образует
непрочный хлорный марганец МпСЬ, распадающийся с
выделением свободного хлора. Хлор в присутствии йодистого
калия выделяет свободный йод, определяемый йодомет-
рией. В жидкости, богатой органическими веществами,
например культуральной, делается холостой опыт для
Поправки ца йодопоглощение непредельными органиче-
41
■
. ■' ♦
•
+
Рис. 13. Схема полярографа.
скими веществами. Метод Винклера для культуральных
жидкостей применяется редко.
К химическим методам относится широко
применяемый сульфитный метод (Купер). Раствор сульфита
натрия обычно используется не для определения
концентрации кислорода в куль-
туральной жидкости, а в
качестве химической
модели культуральной
жидкости,
поглощающей кислород.
Ферментатор напол-
+ няют 0,5—1 н.
раствором сульфита натрия,
содержащим ионы
меди или кобальта в
качестве катализаторов
(в 10~5 н.
концентрации). После абсорбции
кислород реагирует с
сульфитом, окисляя его
в сульфат. О
количестве поглощенного
кислорода судят по концентрации непрореагировавшего
сульфита, которую определяют обратным йодометрическим
титрованием. Скорость реакции окисления сульфита
значительно больше скорости растворения кислорода при
концентрации сульфита выше 0,015 н. Поэтому процесс
связывания кислорода лежит в диффузионной области,
т. е. суммарная скорость процесса определяется
скоростью растворения кислорода.
При этом концентрация кислорода в растворе близка
к нулю, а движущая сила процесса пропорциональна
среднелогарифмическому давлению кислорода в
исходном и отработанном воздухе.
Последнее можно вычислить, исходя из найденного
титрованием количества поглощенного кислорода, не
прибегая к непосредственному измерению его содержания в
газе.
Сульфитная модель проста, однако она весьма
приближенно имитирует культуральную жидкость.
Коэффициент абсорбции кислорода в сульфитном растворе
больше, чем в питательной среде или в культуральной
жидкости.* Поэтому сульфитный метод полезен только
4?
'.*™*г
У' ■#-*«*» ' ^* *»W^ *Ч#ЧЩ1Рй*Г* ''^«*W|
для предварительной сравнительной оценки различных
конструкций ферментаторов.
Наиболее распространенным методом измерения
концентрации кислорода в культуральных жидкостях
является полярографический метод. С помощью
полярографа (рис. 13) измеряется сила тока (микроамперы),
проходящего через
исследуемый раствор по мере
увеличения напряжения (вольты),
подаваемого на капельный
ртутный электрод, изображенный
на рисунке, или твердые
электроды. При определенной
разности потенциалов (0,6—0,8 в
на твердых электродах)
происходит восстановление
кислорода в перекись водорода, а
затем в воду. Другие вещества
раствора восстанавливаются
при других напряжениях.
Зависимость силы тока от
напряжения имеет вид полуволны.
Высота волны
пропорциональна концентрации кислорода
или другого вещества, а
потенциал точки перегиба
полуволны характеризует состав
восстанавливаемого вещества.
В качестве катода используют
капельный ртутный,
изображенный на рисунке, платино-'
вый, золотой или серебряный
электрод, анодом^служат неполяризующиеся
электроды — каломельный или серебряно-хлоридный.
Капельный электрод, чувствительный к турбулентному движс
нию, можно использовать только в пробах, взятых из
ферментатора.
Платиновые и из других металлов вращающиеся и
вибрирующие (с целью перемешивания жидкости)
электроды работают нестабильно из-за загрязнения их
поверхности органическими веществами или ионами металлов
в отличие от капельного электрода, поверхность которого
обновляется при формировании капли, вытекающей из
капилляра.
43
Рис. 14. Кислородный
электрод (датчик).
/—корпус из нержавеющей
стали; 2 — проводник; 3 —
эпоксидная смола; 4 — серебряная
проволока; 5 — крышка из
нержавеющей стали; 6 — тефлоиовый
цилиндр; 7 — раствор КС1; 5 —
тефлоиовая пленка; 9— тефло-
иовая шайба (Steel et al.).
*
Применение электродов, контактирующих с жиД*
костью, обязывает поставить холостой опыт с
обескислороженной жидкостью и вычесть из высоты волны
величину тока, обусловленного присутствием аминокислот и
rV
Нг
*
/ -
"
^
2
3
\
>
Рис. 15. Схема измерения концентрации
кислорода с помощью тефлоиовой трубки.
/ — расходомер; 2 — кислородный газоанализатор;
3 — записывающее устройство (Phillips).
других примесей, восстанавливающихся одновременно с
кислородом. От перечисленных недостатков, включая
загрязнение поверхности, свободен платиновый электрод
Кларка, изолированный от культуральной жидкости га*
зопроницаемой пленкой из полиэтилена или
фторопласта (тефлона) толщиной 0,01 мм (рис. 14).
В некоторых случаях концентрация кислорода с
помощью пары платиновых электродов поддается
измерению также по величине окислительного потенциала
жидкости £h. который, помимо содержания кислорода,
зависит также от концентрации окислителей и
восстановителей в растворе. В опытах с бактериальными
культурами разность £h аэрированной и обескислороженной
барботажем азота жидкости была линейно связана с
логарифмом концентрации кислорода в жидкости (Тен-
герди).
Филлипсом успешно применен и «диффузионный»
трубчатый метод измерения концентрации кислорода.
Фторопластовую трубку длиной 30 м, диаметром 3 мм
при толщине стенки 0,3 мм в виде мотка помещали в
культуральную жидкость, находящуюся в ферментаторе
(рис. 15). В трубку подается из баллона азот с объем-
44
йой скоростью 0,7 мл/сек. Кислород, растборенный б
жидкости, диффундирует через стенку трубки. Газовая
смесь на выходе, содержащая около 0,5% кислорода,
анализируется газоанализатором. Автор отмечает более
высокую точность и надежность метода по сравнению с
полярографическим.
Электроды полярографа, электроды для замера £h и
тефлоновая трубка могут быть с успехом применены
как датчики не только для непрерывной регистрации и
записи концентрации кислорода в культуральной
жидкости, но и для автоматического регулирования с помощью
соответствующих приборов.
Сопротивления массопередаче
Кислород, переходя из воздушного пузыря в
микробные клетки, вначале абсорбируется жидкостью, а затем
переносится к клеточной стенке. Рассмотрим частные
сопротивления общего процесса массопередачи как
величины, обратные коэффициентам массопередачи в фазах
Rk = l/&/k (рис. 16). Как правило, за исключением
частных случаев очень большой скорости массопередачи (не
Пузырь
I
Полонил
мицелия
Рис. 16. Схема сопротивлений передачи
кислорода из пузыря в клетку.
достижимой для кислорода) и некоторых других,
фазовые сопротивления аддитивны, т. е. сумма их равна
общему сопротивлению массопередаче R = l/kf.
Для уяснения механизма массопередачи вблизи
поверхностей раздела газа, жидкости и твердых стенок
45
микроорганизмов остановимся кратко на механизме мае-
сопередачи. Его описывают несколько математических
моделей (теорий). Наиоолее старая пленочная модель
Нернста — Льюиса — «Уитмена в настоящее время
оставила после себя только два неопровергнутых
положения — равновесие на границе раздела фаз и
аддитивность (в большинстве случаев) диффузионных
сопротивлений. Недостатком многих других, моделей
массопередачи является игнорирование
гидродинамических условий на границе раздела фаз. Модель
проницания Лигой основана на слишком грубых упрощениях.
Модели обновления поверхности м. X. Кишеневского,
Данквертса, Рукенштейна отличаются введением не
поддающихся расчету и не наОлюдаемых параметров
(скорость образования свежей поверхности, период
обновления поверхностного слоя). Наибольшая научная
строгость присуща, по мнению А. М. Розена, К. М. Жа-
воронкова, 11. Г. Романкова, модели диффузионного
пограничного слоя советского исследователя Ь. Г. Левича.
В уравнении Нернста для коэффициента массопередачи
5
величина 6 истолковывается В. Г. Левичем не как тол*
щина гипотетической неподвижной пленки (пленочная
теория), а как толщина диффузионного пограничного
слоя, b нем концентрация вещества быстро изменяется
от постоянной концентрации в основной массе жидкости
до концентрации на поверхности тела.
Диффузионный слой аналогичен пограничному
гидродинамическому слою Прандтля, в котором касательная
слагающая скорости жидкости резко изменяется от
скорости основного потока жидкости до нуля на
поверхности твердого тела. В прандтлевском слое торможение
жидкости обусловлено вязкими силами, не
проявляющимися в турбулентном потоке основной массы жидкости.
В диффузионном слое перенос вещества осуществляется
за счет молекулярной диффузии, которая не оказывает
влияния на массопередачу в основной массе жидкости,
где преобладает конвективная диффузия с участием
турбулентных пульсаций. Диффузионный пограничный слой
в жидкости 6 в обычных условиях перемешивания равен
1—100 мк. Он на порядок тоньше гидродинамического б0
согласно уравнению: -
46
+т**т*ттщ**^ь*^^+г^^<!тг^**'11«^^**,1+^********* - - - •• •*■-
8
D? VI:
• 8, = Рг
1/
р
о
/з»8
О»
поскольку коэффициент диффузии D « 10~9 м2/сек,
кинематический коэффициент вязкости |л./р«10~б м2/сек и
число /V ~ 103 (в газах — порядка единицы). В свою
очередь D<—-pf\i.
Толщина гидродинамического слоя определяется
приближенным уравнением:
8
о
/з
Ret
е
где Ret — число Рейнольдса при обтекании твердого тела
с размером /. Поэтому
8^ D1/- (±
Р
где v0 — скорость набегающего на тело потока
жидкости. По уравнению толщина диффузионного слоя
зависит от коэффициента диффузии, увеличивается с
размером тела и уменьшается с увеличением скорости
жидкости. Если к поверхности раздела фаз диффундирует
несколько веществ, при данных условиях перемешивания
существует несколько пограничных слоев.'
Изучение гидродинамики и диффузии вблизи
поверхности твердого тела показало, что турбулентные
пульсации вдали от поверхности тела, где имеется область
развитой турбулентности, создают постоянную
концентрацию вещества. Ближе к телу начинается медленное
уменьшение средней скорости турбулентных пульсаций
и концентраций. В гидродинамическом вязком слое
турбулентные пульсации сильно ослабевают, но все же
переносят гораздо большие количества вещества, чем
молекулярная диффузия. В диффузионном пограничном
слое движение жидкости продолжается вплоть до
расстояния от твердого тела порядка 0,1 мк. Это доказано
прямыми наблюдениями с помощью ультрамикроскопа.
Однако в диффузионном слое молекулярный механизм
диффузии преобладает над турбулентным.
Для случая диффузии к поверхностям ряда твердых
тел теория В. Г. Левича дает возможность определения
величины б и коэффициента массопередачи путем реше-
47
г ♦«
щ
г-
,s.
А.**
ния дифференциального уравнения конвективной
диффузии в диффузионном пограничном слое:
и* - ^ уу л.. — ^^ГТ>
дх . ду <ty
где у — расстояние от твердой стенки, х—размер тела в
направлении потока жидкости. Для систем газ —
жидкость, жидкость — жидкость возникающая в
большинстве случаев подвижность границы раздела фаз создает
иные условия затухания турбулентных пульсаций. Для
этих случаев необходима дальнейшая разработка теории.
В культуральных жидкостях, как будет показано ниже,
подвижность границы подавляется поверхностноактив-
ными веществами (ПАВ).
Оценим сравнительную величину отдельных
диффузионных сопротивлений для кислорода в культуральной
жидкости.
Из принципа аддитивности следует математическое
доказательство того, что скорость массопередачи трудно
растворимых газов лимитирует жидкий (\fkf$), а легко
растворимых газов (например, аммиака)—газовый
пограничный диффузионный слой (1/ftfi). В отношении
кислорода как трудно растворимого газа это положение
подтвердил в эксперименте Бартоломью. Он изучал
изменение величины коэффициента абсорбции кислорода k
в нативный раствор при температуре от .27 до 32°.
Величина k при повышении температуры увеличивалась,
и энергия активации этого процесса была равна
17,6 кдж/моль, что характерно для процесса диффузии
веществ через воду (13—20 кдж/моль), а не через газ.
Сопротивление переносу растворенного кислорода от
стенки пузыря к колониям продуцента (1/&Ы> подобно
сопротивлению газа в основной массе пузыря,
незначительно, благодаря интенсивному турбулентному
движению жидкости с энергичным конвективным переносом.
Таким образом, преобладающую часть общего
сопротивления при барботажной абсорбции кислорода
составляет сопротивление жидкого диффузионного
пограничного слоя l/ft/з-
В растворах сульфита натрия и других жидкостях, не
содержащих ПАВ, сопротивление диффузионных слоев
резко ослабляется вследствие турбулентности,
возникающей на самой границе раздела фаз. Межфазная
турбулентность, проявляющаяся в виде врлн на поверхности
48
4*mi^-* ->.'--**4TBWW*ftF -*.*тч*Г!Ъ--Фт****Г''**"*■' ' ЭД^чи^лл*»*
раздела фаз, турбулентных пульсаций и отрывающихся
от границы фаз капель, вызывается двумя причинами.
Наведенная межфазная турбулентность, возникающая в
результате работы мешалки, изучалась В. В. Кафагю-
вым и его школой. Самопроизвольная межфазная
турбулентность, изучаемая А. А. Абрамзоном с сотрудниками,
появляется вне связи с внешними источниками энергии.
Она возникает в тех случаях, когда движущая сила
массопередачи весьма велика. При большом потоке молекул,
способных пересечь поверхность раздела, имеют место
волнообразование и другие явления, усиливающие в
несколько раз массопередачу по сравнению с
молекулярной диффузией при неподвижной межфазной
поверхности.
Присутствующие в культуральной жидкости белки,
высшие амины, мыла и другие ПАВ образуют на
границе раздела прочные абсорбционные слои (Mkfz). ПАВ
ослабляют оба вида межфазной турбулентности.
При барботажной абсообции кислорода движущие
силы процесса малы, а сорбиионные пленки ПАВ весьма
прочны. Значительно уменьшая мягсопередачу по
сравнению с водными растворами, ПАВ в культуральных
жидкостях создают условия массопепедачи, близкие к
тем, которые описывает теория В. Г. Левича, т. е.
условия переноса вещества от жидкости к твердой поверх-
- ности.
Пепейдем к характеристике сопротивлений в области
диффузии кислорода к клеточной стенке. Мицелий грибов
при погруженном культивировании образует колонии из
ветвящихся гисЬов, зазоры между котооыми равны
десяткам микрон. При размере колоний более 0.5 мм
жидкость, заключенная внутри колонии в промежутках
между гифами, и пограничный диффузионный слой,
окружающий колонию (он является пподолжением этой
жидкости), могут оказать большое сопротивление для
диффузии кислорода (l/fefs). Несмотря на интенсивное
перемешивание, жидкость внутри колонии слабо обменивается,
во-первых, вследствие малой скорости колонии по
отношению к жидкости, что объясняется небольшой разностью
плотностей мицелия и воды, и. во-вторых, разветвлен-
ностью, тонкой структурой и небольшим размером
колоний.
Жидкий пограничный диффузионный слой вокруг
клеток не оказывает заметного препятствия для диффузии
4 К. Г, Федосее» 49
•
кислорода благодаря его малой толщине "и большой
поверхности диффузии. По подсчетам Борковского и Джон-
*сона толщина неподвижной пленки (по пленочной
модели массопередачи) для дрожжевой клетки, имеющей
диаметр 5 мк, равна 0,6 мк при мощности перемешивания
0,1 квт/м3 и 0,3 мк при 0,15 квт/м3. Удельная поверхность
микроорганизмов значительно превышает удельную
поверхность пузырей. Например, в конце ферментации
мицелий пеиицилла, занимая 10% объема культуральной
жидкости, имеет удельную суммарную длину гиф
2 • 106 км/м3 и удельную поверхность 4 - 104 м2/м3.
Удельная поверхность пузырей на три порядка меньше.
Запишем уравнение массопередачи кислорода,
выражая коэффициент массопередачи k по теории В. Г. Леви-
ча через коэффициент диффузии D и толщину
диффузионного слоя б
V
£1
ь
да
В стационарном состоянии скорость массопередачи
кислорода v через диффузионные слои клеток и пузырей
одинакова. Разность концентрации кислорода в
диффузионном слое клеток АС значительно меньше движущей
силы массопередачи (С^—С) благодаря меньшей
величине б и большей величине /. Для дрожжевых клеток
АС = 1,3 • 10~4 ммоля/л при мощности мешалки 0,1 квт/м3,
что составляет 0,0007 Ср. При мощности 0,3 квт/м3 и
выше величина АС не поддавалась измерению. Для
бактериальных клеток требуется еще меньшая мощность —
0,1 квт/м3 для уменьшения до нуля диффузионного сопро^
тивления у клеточной стенки.
Сопротивление l/kf7 не относится к диффузионным. Оно
обратно пропорционально константе скорости наиболее
медленного звена биохимических реакций, идущих с
участием дыхательных ферментов. Это сопротивление может
оказывать влияние на общую скорость передачи
кислорода либо в случае недостатка в реагирующих
субстратах, либо в случае неблагоприятных
физико-химических условий для дыхательных ферментов (рН,
температуры).
В целом на.пути молекул кислорода из газового
пузыря к клеточной стенке либо сопротивления близ газо-жид-
костной поверхности раздела Ru либо сопротивления
близ жидкостно-мицелиальной поверхности раздела R2
5Q
$■
л-
-* .
* ■*■•*■'& ■
^-.вдчдоВД Нюр* - №*№*■** "*
оказываются преобладающими и лимитируют общую
скорость процесса. Не исключается и вариант смешанной
кинетики —равного по порядку величины участия обоих
сопротивлений.
[ Усиление механического перемешивания уменьшает
более эффективно сопротивление R\ по сравнению с R2,
поскольку жидкость на поверхности пузыря доступнее
для воздействия турбулентных пульсаций по сравнению с
жидкостью, заполняющей пространство между тонко и
тесно ветвящихся гиф мицелия. Интенсивность
перемешивания при достаточности аэрации должна быть
такова, чтобы сопротивление R\ стало существенно меньше R2t
например в 5 раз. Дальнейшее усиление перемешивания
неэффективно. Лимитирующий этап диффузии, при
прочих постоянных условиях, зависит от реологических
свойств жидкости. В маловязких жидкостях чаще
преобладает сопротивление Ru в вязких и тем более
неньютоновских— сопротивление R2 (Стил).
F '
Влияние физических свойств культуральных жидкостей
на массопередачу
На абсорбцию кислорода значительное влияние
оказывают поверхностные и реологические свойства жидкости.
Присутствие ПАВ значительно снижает объемный
коэффициент абсорбции по указанной выше причине
подавления межфазной турбулентности. Это происходит несмотря
на то, что ПАВ, снижая поверхностное натяжение, часто
, способствуют диспергированию пузырей, а прочный
адсорбционный их слой препятствует коалесценции
пузырей. В опытах Бартоломью объемный коэффициент
абсорбции кислорода kf снижался в питательных средах
. в 2—3 раза по сравнению с водой, хотя пузыри
образовывались более мелкие.
В ходе ферментации добавление .противоиенных
веществ вызывает дальнейшее снижение kft хотя их
действие направлено против ПАВ, вызывающих пенообразо-
вание. Химические пеногасители ослабляют прочность
. адсорбционных слоев ПАВ, что вызывает коалесценцию
. пузырей и тем самым — значительное уменьшение
площади массопередачи /. Это часто сопровождается
временным уменьшением газосодержания жидкости и,
вследствие этого, увеличением мощности, потребляемой
.. мешалкой на 10—30%.
4* 51
|;Г
:tf
f -
t»:
ii
H
4
- i
1 " .
. i
'V
\-- -
&.: '
Чейн отметил ухудшение массойередачи кислорода в
13 операциях ферментации пенициллина в ферментаторе
емкостью 3 м3 при добавлении 0,01-г0,1% растительного
масла как противопенного вещества. При потребности в
кислороде, равной в среднем 0,85 м3 Ог/м3 жидкости в
час, добавление пеногасителя снижало фактическое
потребление кислорода с 0,73 до 0,5 м3 02/м3 в час, а
концентрацию кислорода — с 0,4 Ср до нуля.
Вязкость питательных сред обычно ие более чем
в Р/г—2 раза превышает вязкость воды. В ходе
ферментации вязкость увеличивается на 1-=-2 порядка, что
приводит к.значительному уменьшению скорости массопере-
дачи кислорода.
Увеличение вязкости культуральной жидкости как
суспензии в небольшой мере обусловлено ростом вязкости
жидкой фазы. Большее влияние на вязкость оказывает
накопление мицелия (рис. 17), который часто приводит к
появлению неньютоновских реологических свойств.
Ламинарный режим течения жидкостей описывается
уравнением:
. dv
то =
an
И'Ч
где т—сила внутреннего трения (касательное
напряжение) , н/м2; То — напряжение сдвига; dv/dn — градиент
скорости, сек."1; [х — коэффициент вязкости или
пластичности (для неньютоновских жидкостей), н-сек/м2; х—
показатель режима течения, безразмерная величина.
При то = 0, х = 1 уравнение выражает закон Ньютона
и жидкость, подчиняющаяся ему, называется
ньютоновской (рис. 18). В этом случае \х не зависит от градиента
скорости и является физической константой данной
жидкости. При несоблюдении этих условий жидкость
называется неньютоновской.
Условию т^О, *.= 1 отвечает пластичная жидкость,
которая начинает течь лишь после того, как к ней
приложено касательное напряжение, большее чем то. Тангенс
угла наклона линии пластичной жидкости на графике
т — т (dv/dn) численно равен коэффициенту
пластичности. Вязкость жидкостей выражают наклоны линий,
идущих из начала координат к любой из точек линии
пластичной жидкости. Поэтому вязкость пластичных
жидкостей зависит от градиента скорости или касательного
напряжения: чем больше градиент или касательное на-
52
-~Ч
I
*л
т-,.
й
*
г
0* 0,8 1,2 1,6
•Концентрация, 1д (г/л)
2.0
а
Рис. 17. Вязкость суспензии мицелия аспергилла
в 0,1 м растворе КС1 (Solomons et al.).
i-V
t "
■1*1
Рис. 18. Реологические свойства жидкостей. Вязкость
Pk=tgak.
. /
I.
*&
I
_tJ
'I; ■
ft
Л*
I
s
§
«a
I
Co
Strept.noursei,
(Гпюнозно-соевая
среда)
•и
8
!
Градиент спорости ~-,сеп
■
PenictllLum chrysogehum
пряжение, тем мейьШе вйзкость жидкости. Иначе говори,
чем интенсивнее перемешивается жидкость, тем меньше
ее вязкость. При очень
малых градиентах
скорости вязкость
приближается к бесконечности:
жидкость приобретает
свойства твердого тела.
В том случае, если
То = 0, а хф1, жидкость
называется
псевдопластичной.
Псевдопластичная жидкость начинает
течь, как и ньютоновская,
при произвольно малых
усилиях, но вязкость ее
также зависит от
интенсивности перемешивания,
и график функции т =
= x(dv/dn) — кривая.
Неньютоновскую
вязкость жидкостей можно
измерить с помощью
ротационного вискозиметра,
в простейшем виде
представляющего собой
лопастную мешалку,
приводимую в движение с
помощью троса,
намотанного на вал мешалки,
блока и чашки с грузом.
Вес груза соответствует
касательному
напряжению т, а число оборотов
мешалки — градиенту ско-
есх' рости dv/dn. Величина
измеренной вязкости
условна, поскольку она
зависит от характеристики
прибора — величины гру-
2
20
О /00 200 300
Градиент спорости ~
Streptomyces grise us
hOO
cex'f
I
( Глюпозно-соедая
среда) '
О /0 20
Градиент спорости
dn
30
-/
Рис. 19. Реологические свойства
культуральных жидкостей
продуцентов антибиотиков (Deindoer-
fer).
за, диаметра и ширины
лопастей мешалки.
НеньюТоновскими реологическими свойствами
обладают шламы, пасты, концентрированные суспензии. Грибы,
54
щж?*ъяф№^1.щА\-шщ№1я&^т1яг
актиномицеты, водоросли и некоторые бактерии при
глубинных условиях ферментации нередко придают
жидкости неньютоновскую текучесть благодаря
соприкосновению и переплетению мицелия или цепочек клеток.
Разные культуральные жидкости на разных этапах
развития продуцентов имеют разнообразные реологические
свойства: ньютоновские, псевдопластичные и пластичные
(рис. 19). Продуцент трансформированных стероидов
придавал жидкости на разных стадиях развития
пластичные и псевдопластичные свойства. Продуцент
стрептомицина в опыте Дейндорфера в первые сутки своего
развития образовывал пластичную жидкость. В дальнейшем
между 24 и 48 часами наступала фрагментация мицелия
и жидкость становилась ньютоновской.
Неныотоновские жидкости практически не могут быть
перемешаны пневматическим способом: барботаж
вызывает лишь колебательные движения суспензии. В этих
условиях нередко наблюдается оседание мицелия
плесневых грибов. Положительная роль перемешивания в
неньютоновских жидкостях резко возрастает. В опытах с
бумажной пульпой, имитирующей культуральную
жидкость по неньютоновским свойствам, скорость абсообции
кислорода уменьшалась по^сравнению с аэрацией без
пульпы в 20 раз при отсутствии перемешивания, в 7 раз —
при средней интенсивности перемешивания и только в
2 раза — при интенсивном перемешивании.
- Реологические свойства жидкости в значительной
степени зависят от морфологических характеристик мицелия.
В культурах актиномицетов и гоибов наряду с
промежуточными наблюдаются два крайних типа в строении
колонии— хлопьевидные и зернистые колонии. При
быстром росте большинства штаммов на сбалансированных
средах образуются рыхлые хлопьевидные колонии с
раскидистыми, свободно растущими во всех
направлениях в глубь среды гифами. Хлопьевидный мицелий
наиболее продуктивен и вместе с тем придает жидкостям
сильнее выраженные неньютоновские свойства.
Зернистые колонии — это либо шаровидные колонии, плотные
с густым переплетением гифов, либо колонии с
уплотненной центральной частью и длинными выступающими
пучками гифов.
Структура колоний актиномицетов определяется,
помимо цитологических и физиологических особенностей
культуры, также интенсивностью перемешивания. Зернистый
55
vn
* •
*&'
ts
. a<
/
■ t<'
мицелий образуется при очень слабом перемешивании в
начале выращивания мицелия, которое не обеспечивает
диспергирования скоплений гифов и прорастающих спор.
Он наблюдается также при угнетении роста и усиленном
ветвлении гифов при избытке неорганического фосфора,
когда ядра делятся не в поперечном, а в осевом
направлении гифа. Третий фактор — рост гифов в течение
первых суток в зоне освоенной среды (экзоферменты,
витамины, рН, Eh и т. д.), сосредоточенной в области колонии.
Средняя интенсивность перемешивания слабо нарушает
эту зону. Для большинства штаммов актиномицетов
зернистый рост через сутки или более сменяется
хлопьевидным, вследствие изменения свойств среды и мицелия.
Грибы чаще образуют зернистые (шариковые) колонии.
Для отдельных видов продуцентов наряду с
оптимизацией состава сред необходим поиск оптимальной
конструкции мешалки, а также интенсивности
перемешивания в разные периоды ферментации, обеспечивающей
оптимальные условия развития продуцента и роста
мицелия.
При любой структуре колоний грибы и актиномицеты
создают более значительные диффузионные
сопротивления при абсорбции
кислорода и переносе его
к клеточной стенке по
сравнению с культура^
ми бактерий и
дрожжей.
ПОТРЕБЛЕНИЕ
КИСЛОРОДА
В культуральной
жидкости протекают два
непрерывных
противоположно направленных
процесса: абсорбция
кислорода жидкостью и
потребление его
микроорганизмом. В этих
условиях уровень
концентрации кислорода
определяется соотношением скоростей абсорбции и
потребления ц может ,легко регулироваться изменением
56
/ 2 3 WW'3
Концентрация\ г 0г/л
Рис. 20. Скорость дыхания
хлебопекарных дрожжей в зависимости от
концентрации кислорода при 30° (Hi-
хоа et al.).
йодачй воздуха или интенсивности перемешиваний.
Какую же концентрацию кислорода следует поддерживать
в культуральной жидкости?
Если концентрацию кислорода повышать, начиная с
малых значений, то скорость его потребления повышается
■5
I
i
10
0.8
0,6
>$> «*
02
00
ч
О
• 25Л,
о 250л
Д 37м3
О 90м3
■
10
20
30
<*0
50
Спн% ммоль/л-час
Рис. 21. Влияние скорости потребления
кислорода (спк) на выход новобиоцина
в ферментаторах различной емкости
(Steell et al.).
(рис. 20), что повышает скорость роста и скорость обра- ■
зования продукта (рис. 21). Повышение скорости
потребления кислорода и биосинтеза антибиотика происходит
до того момента, когда потребление перестает
лимитировать скорость метаболизма и ее начинают ограничивать
другие факторы, например, как было доказано, скорость
образования внутри клетки восстановленного субстрата,
реагирующего о кислородом. Концентрация кислорода,
при которой скорость потребления становится постоянной
и не зависит от дальнейшего ее повышения, называется
критической СКр. Эта концентрация значительно меньше
равновесной концентрации Ср. Она возрастает с
увеличением температуры среды, размера клеток микробов и
зависит от их природы (табл. 2).
Поэтому высокие концентрации кислорода около
клеточной стенки — значительно выше критической —
являются излишними и, увеличивая расходы на аэрацию, мо-
1 а б л и ц а
Критическая концентрация кислорода в питательных средах
для некоторых микроорганизмов
г
Организм
Кишечная палочка
•
» »
Дрожжевые грибы
» »
» >
P. chrysogenum
Str. griseus
Температура,
°С
37,8
15,5
34,3
20,0
5,0
24,0
20,0
Скр.
ммоль/м3
8,20
3,10
4,60
.3,60
0,36
22,00
10,00
*
СКр•100
Ср (воздух)
4,10
1,60
2,30
1,80
0,18
11,00
5,00
гут вызвать в отдельных случаях далее снижение
скорости биосинтеза антибиотиков вследствие угнетения
дыхательных ферментов.
При наличии колоний продуцента концентрацию
кислорода в жидкости необходимо поддерживать более
высокой, чтобы в центре колоний концентрация не была
меньше критической. Например, по данным Бартоломью,
а также Филлипса, нормальный выход пенициллина в
ходе ферментации обеспечивался лишь при С> 0,4 Ср.
Указанная концентрация кислорода называется
кажущейся критической концентрацией Скрк. Первым
приближением к ее определению является расчет, основанный на
допущении, что жидкость внутри колонии неподвижна
по отношению к клеткам мицелия и кислород проникает
в колонию только благодаря молекулярной диффузии.
При этом также допускается, что концентрация мицелия
в шаровидной колонии равна максимальной
концентрации мицелия в кульгуральнои жидкости. Количество
диффундирующего кислорода определяется его
поглощением мицелием колонии.
Применим дифференциальное уравнение диффузии
Фика:
М
к
DF
К
dC
dr
где AfK = VQv — масса кислорода, диффундирующего в
колонию за единицу времени, моль/сек; V — 4/з яг5 —
объем колонии с радиусом г, м3; Qv — объемная скорость
5&
поглощения кислорода, моль/м3 • сек; FK = A яг2
—площадь шаровидной колонии, м2; D — коэффициент
диффузии кислорода, м2/сек.
Подставляя в уравнение диффузии значения величин,
получаем:
Qvr = _3D—.
dr
Выделим мысленно в колонии шаровидный слой с
толщиной dr. По обе стороны этого слоя имеется разность
концентраций кислорода dC. Для определения разности
концентраций между поверхностью колонии и ее центром
следует проинтегрировать уравнение в пределах от 0 до
максимального радиуса колонии гм и от С„рк до Скр
(поскольку диффузия имеет направление от периферии к
центру).
Qv [ rdr = - 3D f dC\
О ^-крк
рк ~~ QD р"
При шариковом росте пенициллиум хризогенум
(рис.22) уравнение для Скрк подтвердил в эксперименте
Филлипс. В случае образования хлопьевидных колоний
уравнение даст, по-видимому, завышенные результаты
из-за участия в массопередаче турбулентных пульсаций.
Для определения величины критической
концентрации культуральную жидкость, содержащую отдельные
клетки или гифы, разбавляют в лабораторном
ферментаторе в несколько раз нативным раствором,
предварительно насыщенным кислородом. Емкость сосуда при этом
заполняется полностью для изоляции от кислорода
атмосферы. Затем при перемешивании жидкости с мощностью
около 1 квт/м3 измеряют непрерывно или в пробах,
отбираемых через каждые 2—3 минуты, концентрацию
кислорода в жидкости. Вплоть до критической
концентрация уменьшается линейно. Ниже Скр наклон линии
уменьшается и она приобретает параболический
характер (рис. 23).
Кажущаяся критическая концентрация определяется
аналогично при использовании колоний продуцента и при
удельной мощности мешалки такой- же, как в
производственном аппарате,. . .
59
Наклон линии С=С (t) выражает скорость процесса
потребления кислорода. Она равна произведению
количества биомассы М кг на величину удельной
интенсивности дыхания Q, которая измеряется количеством молей
кислорода, потребленного 1 кг мицелия за час. При аэра-
Рис. 22. Колонии пеницилла в погруженной
культуре при шариковом росте (Phillips).
ции культуральнои жидкости скорость роста
концентрации растворенного кислорода равна скорости абсорбции
за вычетом скорости потребления:
- *£- = kf(Cp-C)-MQ.
Если скорость абсорбции в какой-либо момент
окажется больше скорости потребления, то концентрация
кислорода в жидкости возрастет, снижая тем самым
скорость абсорбции. В результате этого система довольно
быстро приходит к стационарной концентрации Сс, при
которой
<1С
dz
О
kf(Cp-Cc)=MQ.
60
*
S.0-W
ч
si
Г
врем л, мин
Рис. 23. Падение концентрации кислорода
при дыхании дрожжей в фосфатном
буфере (Hixon et al.).
050r IS
80 часов
Время ферментации
Рис. 24. Рост мицелия, биосинтез стрептомицина и ско
рость дыхания (цо данным Gottlib et al.).
Признаком достаточности аэрации служит
положительное значение разности Сс—Скрк. Для снижения
затрат на аэрацию Сс—Скрк следует поддерживать
минимальной, поскольку чем ниже Сс, тем больше величина
движущей силы абсорбции Ср—Сс.
Удельная интенсивность дыхания выше у молодого
мицелия, однако она в большой мере зависит также от
скорости роста..
Быстрый рост мицелия сопровождается интенсивным
потреблением кислорода в процессе биосинтеза новооб-
разующейся биомассы. Например, продуцент
стрептомицина имел максимальную скорость потребления
кислорода в период максимальной скорости роста (12-й час),
которая определяется точкой перегиба кривой роста
биомассы (рис.-24).
Максимум скорости потребления кислорода
наблюдается обычно в период максимальной скорости роста
мицелия или несколько раньше. Скорость, потребления
быстро нарастает в начале ферментации и медленно
убывает после максимума.
**
?^1
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ
■- ■■-^
Выбор мешалок
В системе газ—жидкость—биомасса механическое
перемешивание должно обеспечивать диспергирование
газовых пузырей, выходящих из барботера, воздействие на
пузыри и колонии с помощью турбулентных пульсаций,
уменьшающих диффузионные сопротивления, и
равномерное распределение в жидкости газовых пузырей,
биомассы, твердых взвешенных компонентов питательной
среды.
Создаваемое мешалкой турбулентное движение
способствует массопередаче кислорода и питательных
веществ внутрь колоний и выводу из колоний продуктов
метаболизма.
В зависимости от характера мешалок в вертикальных
сосудах создаются три вида циркуляционного течения
жидкости. Радиальное течение создают в основном
турбинные мешалки. Осевое течение преобладает в работе
пропеллерных мешалок. Тангенциальное течение, при
котором жидкость движется параллельно пути,
описываемому концами лопастей мешалки, наиболее характерно
-S
JPWC -.-1?'*. -V- .
г. ч -ч.
rZ-лъ'^рпё*'**'»'' ■ -■-•■<?#**<***' ^*^. ^jfcrtu^.svv^^
/'
/
ГУ
',«•
Рис. 25. Схемы мешалок для системы газ —
жидкость (справа изображены варианты
конструкций).
1 — лопастная; V — полая труба; 2 — открытая
турбинная; 3— дисковая турбинная; 3'— то же с лопастями
под диском; 3" — то же со стреловидными лопастями;
4 — закрытая турбинная; 4' — вариант закрытой
турбинной (Япония).
для крупных лопастных мешалок. Этот вид течения мало
способствует равномерному перемешиванию и обычно
преобразуется в другие виды движения устройством
отражательных перегородок.
Поскольку поток пузырей, образовавшихся у
барботера, направлен вверх, очевидно преимущество мешалок,
создающих радиальный поток жидкости для рассеивания
пузырей по всему сечению столба жидкости. Осевой по-
63
—*щ№*ь+-+Ъ*?^ ■***■-<-:{*■■ ■*-№#*■■ ■* ^tiW&4*i)$tt*m >" ■:
#
■^^■^^^ ^^^^^^^^900^ Vw.^*^*L«~^
ф.-*, -"■- ,1
Л*''*■*-■"**■■.•'-^-- '■
ток жидкости, создаваемый пропеллерной мешалкой,
способствует, как правило, более быстрому удалению
пузырей из жидкости. Наибольшее распространение при
перемешивании в системе газ—жидкость получили
турбинные мешалки.
Конструкции мешалок, обычно применяемые для
системы газ — жидкдсть, целесообразно расположить
в функциональный ряд: лопастная — открытая
турбинная— дисковая — закрытая турбинная (рис. 25, в
направлении сверху вниз).
Лопастные мешалки ограниченно применяются для
перемешивания кульгуральных жидкостей с малой
вязкостью (до 30-Ю-3 н • сек/м2) при низких расходах газа.
Двухлопастные мешалки создают малую интенсивность
перемешивания и имеют (по лабораторным данным)
низкий предел «захлебывания» — 3,5 (см. ниже). У
открытой турбинной мешалки число лопастей больше двух.
Подобно двухлопастной, она пропускает часть воздуха
в виде крупных пузырей, поднимающихся вдоль вала, но
предел «захлебывания» ее выше. Введение диска в
мешалку позволило укоротить лопасти за счет центральной
их части, где они неэффективны из-за малой окружной
скорости. Вместе с тем диск затрудняет подъем пузырей
около вала мешалки. Предел «захлебывания» дисковых
мешалок с шестью плоскими лопастями под диском
равен 8,5. Расположение лопастей под диском создает
циркуляцию жидкости только под ним и, тем самым, по
замыслу авторов, должно задерживать пузыри в
жидкости. Однако в этом случае отсутствие лопастей над
диском приводит к возникновению осевого усилия вверх
и увеличивает износ подшипников привода. Энергичное
перемешивание жидкости в ближайшем окружении
мешалки создает дисковая мешалка со стреловидными
лопастями. Она увеличивает ширину радиального потока.
Предел ее «захлебывания» достигает 12. Закрытая
турбинная мешалка японской фирмы Синко-Пфаудлер
аналогична двустороннему центробежному насосу. Она
более энергично вовлекает в циркуляцию жидкость у вала
мешалки, всасывая ее сверху и снизу, а также у стенок
аппарата. Направление струи создается с помощью
изогнутых лопастей, укрепленных между верхним и нижним
направляющими дисками.
" Эффективность работы некоторых мешалок при бар-
ботаже воздуха через раствор сульфита охарактеризова-
64
на А. Г. Касаткиным, В. В. КафаровЫМ й М. Н.
Панфиловым величиной
*/-(fe/)o
равной отношению разности объемных коэффициентов
абсорбции при перемешивании и без него к удельной
мощности мешалки. Стреловидная и закрытая мешалки
не были испытаны. Из испытанных наибольшее
повышение эффективности по сравнению с лопастной (на
30%) показала мешалка типа «полой трубы», обеспечи-;
вающая при небольшой высоте слоя жидкости
циркуляцию газа в аппарате через отверстия 'в стенке полого
вала над поверхностью жидкости. По интенсивности
окисления раствора сульфита мешалки, исследованные
И. С. Павлушенко и др., располагались в ряд: закрытая
(нормализованная НИИХИММАШ-ем) турбинная>спе-
циальная диспергирующая > двухъярусная
стреловидная > пропеллерная. Необходимо дальнейшее изучение
сравнительной эффективности разнообразных типов
мешалок в культуральных жидкостях при различных
режимах.
Влияние циркуляции жидкости в сосуде
на аэрацию
В сосуде с мешалкой благодаря действию
центробежной силы возникает замкнутая циркуляция жидкости
(рис. 26). Циркуляционные потоки, захватывая большой
объем жидкости, перемешивают ее в горизонтальной
плоскости и тем самым обеспечивают равномерное
распределение пузырей по поперечному сечению
жидкости.
В циркуляции участвует, ограниченный в осевом
направлении слой жидкости. В производственных
ферментаторах в отличие от лабораторных высота столба
жидкости обычно вдвое превышает его диаметр, а удельная
мощность мешалки меньше. Чтобы в циркуляции
участвовала вся жидкость, необходимо применять
многоярусные мешалки. Для определения оптимального
расстояния между мешалками Ричарде наблюдал
перемешивание культуральной жидкости на модели ферментатора •
с трехъярусной дисковой или открытой турбинной ме-.
шалкой (рис. 27). По мере увеличения расстояния меж-
5 К. Г. Федосеев ас
'•"-i
%
ду мешалками от 0,3 до 0,5, а затем до 1 dM высота слой
перемешиваемой жидкости вначале сокращалась (а, Ь)ч
а затем увеличивалась (с) благодаря изменению
взаимодействия потоков средней и крайних мешалок. Все ме-
Рис. 26. Циркуляция жидкости, производимая
турбинной мешалкой.
6.5 8D
гт
i
ьв
п
2.1
(С)
Рис. 27. Влияние расположения турбиной на циркуляцию
жидкости и потребляемую мощность (Richards).
/ — расстояние между турбинками; 2 — потребляемая мощность, квт/м3.
" = d м~ диаметр мешалки.
шалки действовали как одна широкая мешалка.
Потребляемая мощность была постоянна. Когда расстояние
между дисками мешалок увеличивалось до 1,5-^2
диаметров мешалки (dt e)t перемешивалось все содержимое
аппарата, потоки от мешалок разделялись, мощность
66
«■■■и»^.^!■ *тт~ ^umw |д!^-1 w***!**mw*'*m> ц^»'^д*^^ ^^ j***-^^мивдМИ **щ ***-w**,*mi0m*t *».цм., дг
ел
возрастала. Эти расстояния оптимальны, причем
меньшие рекомендуются для более вязких неньютоновских
жидкостей.
Циркуляционная функция мешалки важна для
устранения застойных зон и для распределения пузырей по
всему поперечному сечению аппарата. При отсутствии
такого распределения барботаж
происходит лишь в части сечения аппарата.
Кроме того, при недостаточно
эффективной работе мешалки могут возникнуть
вертикальные столбы легкой газо-жид-
костной эмульсии, которые
выбрасываются вверх с большой скоростью,
подобно тому, как это происходит в
эрлифте. Эффективность использования
кислорода воздуха при этом снижается. При
отсутствии пены такого рода явление как
бы в виде всплесков, появляющихся на
поверхности жидкости, можно наблюдать
в смотровое стекло аппарата.
В некоторых случаях происходит
«захлебывание» мешалок: воздух,
вытекающий из барботера, не распределяется в
жидкости, а, обтекая лопасти мешалки,
поднимается вверх вдоль вала (рис. 28).
Это может наблюдаться при слишком
большой подаче воздуха, недостаточной мощности
мешалки, неполном отражении жидкости отражательными
перегородками и особенно при сочетании этих факторов.
При отсутствии отражательных перегородок жидкость
вращается, и под влиянием центробежной силы
происходит сепарация более легкой газо-жидкостной
эмульсии у оси аппарата. С момента наступления
«захлебывания» дальнейшее увеличение подачи воздуха не
увеличивает скорости абсорбции кислорода.
Величина расхода газа, при которой наступает
«захлебывание», зависит от конструкции мешалки.
М. Н. Панфилов и В. В. Кафаров определили пределы
«захлебывания» одноярусных мешалок в растворе
сульфита, применив безразмерное отношение —^- , где
nd мз
Усек,— расход газа, м3/сек; ndzu — величина,
пропорциональная объемной производительности мешалки; п —
скорость вращения, об/сек, и dM — диаметр мешалки, м.
5* 67
Рис. 28.
«Захлебывание»
мешалки.
Выше указаны пределы «захлебывания» некоторых
мешалок (увеличенные в 100, раз) при относительной ширине
лопасти b/dM — 0,2.
Величина расхода газа, при которой наступает
«захлебывание», зависит в определенной степени и от
конструкции барботера. Наименее совершенны в этом отношении
барботеры в виде трубы, открытой под мешалкой. Менее
подвержены «захлебыванию» мешалки при
использовании квадратных и особенно лучевых барботеров (см.
ниже).
Описанные выше крупномасштабные циркуляционные
потоки, содействуя равномерному распределению
пузырей в жидкости, слабо воздействуют на массопередачу
кислорода от отдельных пузырей и тем более внутри
колоний продуцента. Интенсификация массопередачи в
культуральной жидкости достигается в основном с
помощью турбулентных пульсаций меньшего, масштаба
внутри циркуляционных потоков.
Влияние турбулентного движения на массопередачу
Рассмотрим вкратце основные положения
гидродинамики турбулентного движения, необходимые для
понимания процессов аэрации, жидкостной экстракции и др.
Полу количественная теория турбулентного движения
разработана в 30—40-х годах Тейлором, А. Н. Колмого^
ровым, Л. Г. Лойцянским, А. М. Обуховым, М. Д. Мил-
лионщиковым и др.
Турбулентное движение представляет собой хаотичное
сочетание пульсаций скорости в разнообразных
направлениях. При режиме развитой турбулентности величины
скоростей в пульсациях разнообразны, различны и
расстояния, на протяжении которых скорости пульсаций
резко изменяются. Эти расстояния называются масштабом
движения/
Основная часть кинетической энергии турбулентного
движения заключена в самых быстрых пульсациях,
имеющих самый большой масштаб движения /. Скорости
самых быстрых пульсаций по порядку величины равны
изменению скорости Аи на протяжении масштаба этих
пульсаций /. Например, при турбулентном движении
в трубе наибольший масштаб турбулентных пульсаций /
будет совпадать с диаметром трубы, а наибольшие
скорости пульсаций равны изменению средней скорости на
68
этом протяжении, т. е. равны максимальным значениям
скорости в центре трубы. Числа Рейнольдса этих
пульсаций ReL = Aulp/\i имеют порядок величины числа Re всего
потока в целом, т. е. очень велики (Re>\04). Число Re,
как известно, выражает отношение сил инерции к силам
вязкости. Поэтому в движениях масштаба / вязкие силы
не играют заметной роли, и энергия крупномасштабных
пульсаций в теплоту не превращается.
Крупномасштабные пульсации, черпая энергию из
циркуляционного движения жидкости (или из потока
жидкости при движении ее по трубам), непрерывно передают
часть энергии пульсациям меньшего масштаба %,
имеющим меньшие скорости v\ . Те в свою очередь передают
энергию еще более мелким пульсациям X с еще
меньшими скоростями. Процесс продолжается до масштаба %0,
называемого внутренним масштабом турбулентности
(в противоположность внешнему масштабу), при
котором по порядку величины
+
При этом и меньшем масштабе вязкие силы гасят
пульсации. Кинетическая энергия пульсаций переходит в
тепловую. Это явление называют диссипацией
(рассеянием) энергии. Поскольку при работе мешалки практически
вся энергия, потребляемая ею, превращается в итоге в
теплоту, диссипация энергии
N '
В уравнения гидродинамики входят только величины
скорости (Аи), масштаб движения (/), плотность
жидкости (р) и вязкость (ц). Для крупномасштабных
пульсаций исключаем влияние jx, а из остальных трех величин
можно составить только один комплекс, обладающий
размерностью [е] = дж/м3 • сек, а именно:
е^р—jf-. (5)
Скорость самых быстрых пульсаций в ферментаторах ем"г
костью 10^50 м3, где е- (1-^-3) * 108 вт/м3, а /«йм/2^0,3м,
равна Аи**0,8-М,2 м/сек, т. е( на порядок меньше
окружной скорости лопастей.
69
h
Р
,„*..- -
-*
4
Рассмотрим пульсации среднего масштаба А, причем
Яо<А,</. Найдем скорость этих пульсаций v\ или, что то
же самое, величину изменения скорости движения на
расстоянии порядка К. Величина vk зависит только от
р , % и е, которые характеризуют движение при любом
масштабе. Единственной комбинацией из этих величин,
имеющих размерность скорости, является:
* YU
Р
Поэтому
v\
а W.
(6)
Это так называемый закон «двух третей» Колмогорова
Обухова (1941). Из уравнений (5) и (6) находим
V), 12Z Ди
l v
/
(7)
Таким образом, скорость движения масштаба К
меньше скорости наиболее крупных пульсаций, близких
к скорости циркуляции, в отношении (к/1) 'з. Скорости
мало изменяются с изменением масштаба. Скорости
пульсаций масштаба, близкого к диаметру пузыря dn^
«0,01 м, по уравнению (7) u0)oi~0,2 м/сек.
Приблизительно на эту же величину скорость в пульсациях изменяется
на расстоянии 1 см. Такие значительные градиенты
скоростей приводят к диспергированию пузырей, срыву и
обновлению жидкой пленки, значительному увеличению
объемного коэффициента массопередачи.
При уменьшении скорости v\ и масштаба X число
Rex уменьшается по уравнению:
• Rex =
При к
лучаем
v
х ХР buk'li
'Р
Р
V-1
7;
Ди/р
XV;
№
(8)
h Re
о
1. При этом из уравнения (8) по-
V
/
&?!
По этому уравнению, например при ферментации стрепто
мицина, циклосерина и новобиоцина, когда
р. = (4,6-ь 32) • Ю-3 н-сек/м2,
70
■*v
W"х '
-+**&** ■■--***»-чя**т;?^.,_'Л1№*ЩЧ1Р*'*',
ччг**ч*лф-
2;jl VL 0.6
v 2(4,6 -*-32) • 10—з •
«<*мР / 2 Ц(0,8н-1,2)0,6- 103J
(0,21/М.З) • 10~3м.
3/.
Этот размер — одного порядка с диаметром колоний ак-
тиномицетов и грибов. Пульсации масштаба %о имеют
значительный градиент скорости, по порядку величины
равный vx/%. Согласно уравнению (7),
х ~ xV» •
градиент увеличивается с уменьшением %. Поэтому
пульсации масштаба Х,0, в отличие от циркуляции и
крупномасштабных пульсаций, переносящих колонии в
жидкости как целое, перемещают отдельные гифы и колонии
в различных направлениях, усиливают обмен жидкости
в пограничном диффузионном слое и внутри колонии в
пространствах между гифами.
Пульсации с масштабом, меньшим, чем размер
колонии, не смогут увлечь ее в движение. Жидкость,
принимающая участие в этих движениях, обтекает поверхность
колонии и способна вызвать лишь перемешивание
соответствующего масштаба в пограничном диффузионном
слое колонии. Таким образом, усиление массопередачи
в колониях пульсациями масштаба, близкого к размеру
колоний, усиливает приток кислорода в центральные
части колонии, а также питательных веществ, малая
концентрация которых в конце ферментации может
лимитировать биосинтез. В начале ферментации усиление
массопередачи может задержать рост, снижая концентрацию
экзоферментов, а также частично расщепленных белков
и углеводов внутри и около колонии.
Уравнения гидродинамики турбулентного потока
позволяют приближенно вычислить диаметр пузырей,
устойчивых в турбулентном потоке. Этот диаметр
находят из условия равенства динамического напора pv\/2
жидкости, деформирующего пузырь, и избыточного
давления в пузыре, обусловленного поверхностным
натяжением, которое препятствует деформации и разрыву.
Коэффициент поверхностного натяжения а численно
равен работе, затраченной на увеличение поверхности
раздела фаз. При увеличении диаметра сферического
пузыря на ddn увеличение поверхности составит:
71
■*
dF = ъ{йп + ddny - ъс£\л - 2ndn • dd
11*
а увеличение его объема
dV■ = -f (dn + ddaf
О
7lrfn3
7C
c/n2 • rft/n.
При этом давление р внутри пузыря производит работу
dA=pdV=~pdn2- ddn,
откуда следует, что
г .». • .ч . . - - ь -.4 . - . I—-
_prfn
Используя закон «двух третей», находим устойчивый
диаметр пузыря, выбирая масштаб K^dn
п
Р
2
«<*пу \2/з.
rf
пу
3
_*
р£2
Например, для перемешиваемых культуральных
жидкостей при
е = 103 вт/м3, <з = 0,06 н/м, р= 10'3 кг/м3 получаем
d
пу
1 СМ.
Выбор диаметра мешалки и скорости ее вращения
В предыдущем разделе было показано, что
создаваемое мешалкой турбулентное движение в отличие от
циркуляции играет основную роль в процессе массопередачи
кислорода из воздушных пузырей в жидкость, а затем
из жидкости внутрь колоний продуцента. Разрабатывая
конструкцию мешалки, следует стремиться к тому, чтобы
мешалка наибольшую часть подводимой к ней энергии
затрачивала на создание турбулентных пульсаций и
вметете с тем обеспечивала равномерное рассеивание пузырей
в жидкости.
Здесь полезна аналогия с центробежными насосами.
Как известно, мощность, потребляемая насосом, равна:
производительность насоса, м3/сек; # — пол-
Дрожжи или сулмрит
зоу.
вязкость (и/сенмг) 10
'3
Рис. 29. Влияние вязкости культуральной жидкости (ио-
вобиоцин) на скорость абсорбции кислорода при
изменении диаметра мешалок, потребляющих одинаковую
мощность 1,1 квт/м3 (Steel et al.).
1
OS
I
UO
0,8
0,6
OA
0.2
0.0 I
▲ 23%
Д W%
о 60%
W
IS
?0
25 30
Сйньммоль/Л'Час
Рис. 30. Влияние скорости абсорбции
кислорода (сак) на выход новобиоцина при
использовании мешалок разных диаметров, Яец > 104
(Steel et al.).
ный напор потока, м; уж — удельный вес жидкости, н/м3;
г] — коэффициент полезного действия насоса.
Крупномасштабные циркуляционные потоки по
существу создаются работой мешалки как насоса и измеряются
ее Усек, а турбулентность возникает при наличии напора
Н и ему пропорциональна. Поэтому в системе
газ—жидкость целесообразно применять мешалки с максимально
допустимым отношением #/VceK.
Как известно, из подобия центробежных насосов
следует:
1/сек */Шм ,
"i ,
Поэтому увеличить отношение
Н nWM _ _п_
можно уменьшением dM и увеличением п. На этой основе
Раштон рекомендует в системе газ — жидкость
применять по возможности высокоскоростные мешалки
небольшого диаметра. Однако мешалки очень малого диаметра
создают ограниченную зону перемешивания, не
достигающую стенок аппарата, пузыри газа при этом не
распределяются по всему поперечному сечению столба
жидкости и массопередача ухудшается. Существует
оптимальное соотношение диаметра мешалки и аппарата.
С увеличением подачи газа величина оптимума
возрастает. Кроме того, она непостоянна в аппаратах
различной емкости.
В опытах Стила раствор сульфита и суспензия
дрожжей в 20-литровом ферментаторе одинаково успешно
перемешивались мешалками, имеющими диаметр от 0,23 до
0,6 диаметра аппарата при постоянстве потребляемой
мощности, а в культуральной жидкости большой вязкости
при биосинтезе новобиоцина высокоскоростная мешалка
наименьшего диаметра обеспечивала в 8 раз большую
скорость абсорбции кислорода по сравнению с наиболее
крупными и тихоходными (рис. 29). Выход новобиоцина
сначала возрастал приблизительно линейно в
зависимости от скорости абсорбции при разных диаметрах
мешалки в аппаратах разных емкостей вплоть до 90 м3
(рис. 30 и 21). При достижении определенной скорости
абсорбции кислорода выход становился постоянным,
однако мощность, необходимая для оптимального выхода
74
i
ч
* F
-, :**■ -■'Р-.>* ..,--Д^,ч^»чи~-«*™п*''«.-«л.»»**™1Ам.»1'--' ''■ иг^.-уу?»-*■■ -",*■*■--я»-ч-?»y"*»iiaiiHrtHiiH'4wwi*»*'f*4i»»'»Ji>Htw-'jJW«MilH)^w»ji>iWiWlFW'и»*г-у—
5:
5:
Со
«5
1000
Окружная скорость, рут/мин
Рис. 31. Зависимость скорости абсорбции
кислорода от окружной скорости мешалок
разных диаметров при Яец>104 (Steel et al.).
100
С*'
60 -
ч-О -
20 -
Co
Co
W -
e -
1,. -
/
o,i
0,2 0M 0,6 1,0 0.1 0,2 Q,b 0,6 1,0
Мощность мешални, л. с /WO галл
Рис. 32. Влияние удельной мощности
перемешивания на скорость поглощения кислорода в
аппарате емкостью 20 л с турбинной (А) и
стержневой (В) мешалками (Steel et al.).
„ -*.*-; ■ *«, «*де#з|^ "^'*,^^*#fe$p*W^^;v
3№»' '?-*w*i$№^sX€*\$
- ■
-1 ■'
■ V
I - .'■'
■ г" "■■ ' ■■
г Г-ж —
иовобиоцина с увеличением диаметра турбины, увелиЧй:
валась в несколько раз.
Поэтому при нарушении геометрического подобий
удельная мощность мешалки не может служить
подходящим параметром для характеристики влияния
перемешивания на процесс. Для мешалок разных диаметров
скорость абсорбции кислорода в опытах Стила определялась
окружной скоростью концов лопастей мешалки vn
(см. рис. 31). При постоянстве мощности мешалки vn
больше у быстроходных мешалок малого диаметра,
очевидно, вследствие разной зависимости окружной
скорости vn = nd^n и мощности
от диаметра мешалки dM и числа ее оборотов п.
Например, при N = const уменьшение dH в 2 раза позволяет
з
увеличить п в ~j/25 = 3,2 раза, вследствие чего окружная
скорость увеличится в 3,2/2 = 1,6 раза. Высокая
окружная скорость способствовала образованию более
мелких пузырей.
В опытах Стила в условиях постоянства диаметра
мешалки удельная мощность мешалки однозначно
характеризовала абсорбцию кислорода. В этом случае
мощность мешалки пропорциональна кубу окружной
скорости и в логарифмических координатах зависимость
скорости абсорбции кислорода от мощности линейна
(рис. 32).
Стал обнаружил также, что в аппаратах емкостью
20—250 л отношение диаметра мешалки к диаметру
аппарата dM/D<0,4 в вязких культуральных жидкостях не
обеспечивало однородного перемешивания всей массы
жидкости. Концентрации кислорода в разных местах
различались в несколько раз. Мешалки большого диаметра
(du/D^OJ) обеспечили лучшее перемешивание, а
скорость потребления кислорода лимитировалась
сопротивлением R% внутри колоний. На это указывала высокая
величина кажущейся критической концентрации кислорода,
равная (0,5-^-0,6) Ср. В аппарате емкостью 1,5 м3 эти
условия создавались мешалками с dM/D = 0,28—0,43.
Таким образом, влияние диаметра мешалки на
гидродинамику и массопередачу кислорода меняется при изменении
масштаба аппаратуры.
76
Изучая влияние типа мешалки на перемешивание, Стил
испытал в аппарате емкостью 1,5 м3 специальную
«стержневую» мешалку, лопасти которой образованы
вертикальными закрытыми трубками диаметром 12,7 мм
(рис. 33). По сравнению с турбинной, эта мешалка обес-
Отражатольиая перегородка
I
Рис. 33. Стержневая мешалка ферментатора
емкостью 1,5 м3.
/ — жесткие трубы диаметром 12,7 мм с
заваренными концами, расстояние между осями 51 мм, 2 —
приваренные втулки с винтовым зажимом (Steel
et al.).
печивала большую однородность перемешивания
жидкости и ее диаметр не влиял на скорость абсорбции
кислорода. Уменьшение количества трубок вдвое почти не
изменило скорость абсорбции, но уменьшило
потребляемую мощность (табл. 3).
77
Таблица 3
Мешалка
Турбинная djD = 0,43
Стержневая (рис. 33) со
■ стержнями 1, 3, 5, 7, 9, 11
Со стержнями 5, 7, 9, 11
» » 5, 7, 9
1 » » % 4
Число
оборотов
в минуту
82
82
82
82
124
Скорость
абсорбции
кислорода,
ммоль/л/час
12,6
12,3
11,5
11,4
11,0
Потребляемая
мощность,
квт/м3
1,54
1.52
1.48
0,870
1,40
Стержневая мешалка обеспечила такую же скорость
абсорбции кислорода и такой же выход новобиоцина, как
турбинная, но потребление энергии при использовании
в каждой лопасти трех трубок (стержни 5, 7, 9) было
почти вдвое меньше.
Работы Стила обнаруживают техническое
несовершенство традиционных турбинных мешалок для трехфазной
системы, включающей живой организм. Необходимы
дальнейшие широкие исследования разнообразных
конструкций с целью поиска оптимальных для роста разных
видов микроорганизмов и биосинтеза соответствующих
продуктов.
Расход энергии на перемешивание жидкости
В условиях развитого турбулентного режима
перемешивания, применяющегося в ферментаторах (#ец>104),
характер движения жидкости и потребляемая мощность
в большой степени зависят от отражательных
перегородок.
В отсутствие перегородок велика тангенциальная
составляющая движения жидкости, и вращение жидкости
создает на ее поверхности центральную воронку,
углубляющуюся при усилении вращения. Работа мешалки без
отражательных перегородок все реже применяется в
химической технологии из-за недостаточной эффективности
перемешивания и уменьшения рабочей емкости сосудов.
В процессах барботажной сорбции газов вращение
жидкости недопустимо также вследствие сепарации
всплывающих пузырей у оси аппарата и невозможности
моделирования работы мешалки при таком характере движения
78
жидкости из-за отсутствия подобия поля мгновенных
скоростей.
По исследованиям Нагата, а также других авторов, с
увеличением количества и ширины перегородок
мощность, потребляемая мешалкой, возрастает в 5—12 раз по
сравнению с аппаратами без перегородок. При этом
мощность достигает максимума, а затем несколько
уменьшается и при дальнейшем увеличении перегородок остается
постоянной. Для четырех перегородок максимальная
мощность наблюдается при отношении ширины
перегородки к диаметру аппарата 5/D = 0,11-1-0,13.
Условия затраты максимальной мощности
соответствуют так называемому «полному отражению», т. е.
полному подавлению вращательного движения жидкости за
ближайшим окружением мешалки. Условия «полного
отражения» при любом числе перегородок /гпг (Нагата)
BnJDyO^.
В условиях «полного отражения» наибольшая часть
затрачиваемой мощности превращается в турбулентное
движение, поэтому такие условия благоприятны для
перемешивания в системе газ — жидкость. Увеличение
мощности в связи с этим не является недостатком.
Многие авторы эффективность перемешивания связывают
именно с удельной мощностью мешалки — отношением
мощности jV к объему жидкости Vm. Например,
теоретически и экспериментально доказано, что коэффициент
массоотдачи от поверхности растворяющегося тела
пропорционален N/Vm. При абсорбции кислорода, по
усредненным данным ряда авторов, коэффициент абсорбции
kf*' N w
v
ж
Чтобы обеспечить эффективное перемешивание в
современных концентрированных культуральных
жидкостях и сократить расход воздуха, в ферментаторах
применяется развитый турбулентный режим (Re^— 104-Ы06),
при котором в условиях «полного отражения» мешалка
лишь небольшую часть энергии затрачивает на
преодоление сил трения о жидкость. Основная часть энергии
уходит на преодоление инерции слоев жидкости, которые
движутся медленнее, чем лопасти мешалки. Хотя
изменения вязкости по этой причине не влияют на расход
энергии мешалкой, увеличение вязкости жидкости, безуслов-
79
r~.
^
■ .\* ,,-^ ^ ■ г -*-
I — ■.
-л •
2b*
но, ухудшает массопередачу кислорода как процесс, на
усиление которого направлена работа мешалки,
вследствие увеличения толщины жидкостного диффузионного
пограничного слоя на поверхности пузырей и колоний,
ухудшения конвективного переноса кислорода внутри
колонии, а. также увеличения внутреннего масштаба
турбулентности
8/.
Х0« Щв1
В условиях геометрического подобия
Мощность, потребляемая мешалкой в отсутствие
ботажа воздуха, определяем из уравнения:
бар-
Л^еКж^Р1/ж
/
PV
ладзм,
4ы f
N^Knntdjp.
Значения критерия мощности Kn для разных мешалок
приведены в учебных пособиях по процессам и аппаратам
химической технологии. При /?еп>104 они одинаковы для
геометрически подобных аппаратов. Например, для
одноярусной дисковой мешалки с шестью стреловидными
лопастями в аппарате с «модельными» геометрическими
соотношениями Kn = 4.4-Н,5, для четырехлопастной
«полой трубы» #N=,2,2. Наиболее полный перечень Kn для
разных конструкций определен Раштоном (см. Штерба-
чек и Тауск «Перемешивание в химической
промышленности»). Там же, а также в работе Е. А. Рубана и
Е. С. Былинкиной цриведены номограммы, облегч-ающие
определение мощности мешалок для различных условий.
В производственных условиях величина /Cn может быть
определена из указанного уравнения после измерения
мощности на валу. Мощность, потребляемую
электродвигателем, измеряют ваттметрами при нагрузке (Мшн) и
без нагрузки (ЛГЯЛ0), когда мешалка вращается в пустом
аппарате. Мощность нагруженного электродвигателя с
небольшой погрешностью может быть измерена с
помощью амперметра (2 а приблизительно соответствует
1 квт). Мощность на валу мешалки
N^N
элн
N.
ЭЛО
Исследования ряда авторов позволяют рассчитать
изменение мощности мешалок при несоблюдении некоторых
80
с
У
ffr
Si
условий геометрического подобия. Так, Раштоном
найдено, что /Cn~6 (ширине лопасти), по Маку /Cn~^0,8 (ял-~
количество лопастей) при пл = 3ч-6 и /Cn~^0,7 при
/1Л = 6-И2. По данным Чейна, при увеличении числа
мешалок на валу лабораторного ферментатора от одной до
двух /Cn возрос в 1,5 раза, от одной до трех — в 1,6 раза.
Увеличение отношения высоты слоя жидкости к
диаметру аппарата (D) вызывает увеличение потребляемой
мощности одноярусных мешалок. Для двухлопастных
мешалок (Нагата) /Cn пропорционален ЯЖД) в степени
Л?ц
23,5
Ъ_
D
— 1,38
+ (2,55
АЬ
D
Л?ц
Положение мешалки в сосуде, включая высоту над
днищем, так же как и величина диаметра сосуда, не
оказывает существенного влияния на потребляемую мощность
в условиях «полного отражения».
Мощность электродвигателя в момент пуска
значительно превышает рабочую, однако кратковременная
перегрузка двигателя, рассчитанного на условия «полного
отражения», в пусковой момент, длящийся 2—3 секунды,
вполне допустима.
Расход энергии на перемешивание в системе
газ — культуральная жидкость
При барботаже присутствие газовых пузырей в
жидкости уменьшает ее плотность и, согласно уравнению
мощности, пропорционально уменьшает расход энергии на
перемешивание. Изменяется также величина /Cn-
Л. Н. Брагинский и И. С. Павлушенко на модельных
жидкостях определили коэффициент мощности закрытых
нормализованных турбинных мешалок при барботаже с
помощью критериального уравнения
ATn г =
где ./%
1,08 Re^Fr^^ We^12 /C„-°-8 S9 -°*02 Го"0*4'
пЧч
We
?n*du*
g
u
центробежные числа
Фруда и Вебера; Ku=Vynln — критерий распределения;
5Р = рг/рж — симплекс плотностей; Гр = £>/<^( — симплекс
■
б К. Г. Федосеев 81
щ
I
" '-I
V
1"
г _■
Ч>
it'
^■•J
- i
-i
геометрического подобия. Для жидкостей, близких по
свойствам к воде, уравнение мощности упрощается до
~2*
/Vr = 0,9
м
D 0.4 Ууд0,<
Уравнение получено на основе приближенного
уравнения содержания газа в жидкости с привлечением
закона «двух третей» Колмогорова — Обухова. Оно является
весьма приближенным.
Исследуя гидродинамические закономерности барбо-
тажного процесса, Р. Д. Сойфер и В. В. Кафаров
исходили из того, что на содержание газовой фазы в культу-
ральной жидкости, а следовательно, и на потребляемую
мощность влияют гидродинамические факторы,
физические свойства жидкости и геометрическая
характеристика системы:
Л/г = 7Vr (iV0, Vrf /тгб, /г, du, р, ц, a, g7 D, Я),
где iV0 — мощность, затрачиваемая на перемешивание
жидкости при отсутствии барботажа; т^ — содержание
биомассы и других взвешенных частиц; Н—высота слоя
жидкости; Vr—расход воздуха.
Р. Д. Сойфер и В. В. Кафаров с помощью анализа
размерностей представили эту функциональную зависимость
в критериальной форме:
N
о
ЛГ0 \nd?
./=>ц, We
ц
м
D
D
t
Mo
Да) Ki
где ^i/цо — относительная вязкость дисперсионной среды
(ц<> — ВЯЗКОСТЬ ВОДЫ При 20°), /Са^ ("W/n6o)p, ГДе
/Пб//Пбо — содержание биомассы и других взвесей в
жидкости по отношению к концентрации т^о—15 г/л,
характерной для ряда культуральных жидкостей
стрептомицина и других антибиотиков, Kd = K<i(3dMfD).
В результате опытов по перемешиванию различных
модельных и культуральных жидкостей и математического
анализа данных, характеризующих функцию NT/N0)
авторы получили соотношение
N,
N
о
N,
(А).
о
Безразмерный комплекс А, учитывающий суммарную
интенсивность перемешивания и барботажа,
записывается в виде:
** -'!'■ '.-*1№тв^ч.п^ -:W-«-ft«№»- ■»*#**■***&-.••
&ЧЛЧ^№Я&ЧвЯОщЩ£Щ^Щ/Щ&^ЯЩВфЪ
ъщшт
А
• We
ft, Yf>
ц
ц
pVrti
ka
где k =
= k{ ~\/ —. Применительно к культур ал ьным жид
костям антибиотиков зависимость выражается
уравнением
М
N,
о
С
А
Н \0И
D
m
КцК& •
4 0.5
*Ч*?
0<<
Л?
1
1 1
"
?
г
1 F ' ^^ ^^^^^fc.
Условное
обозначение
•
-о
Ф
**
1 U 1
Свойства живности
т*УлЩм^
23,3
3W
25,6
/,0,7
/,0J
/.Д5
*%»
Л**
Д5*
69,0
•.
^{рв**г —
1
1
Я сп
8,6
2U.2
12,8
|
5" 6 7 8 9 W
20
30
V0 50 60
Рис. 34. Относительная мощность стреловидной мешалки в
ферментаторе емкостью 1,5 м3 в зависимости от определяющих
факторов (dM = 0,4—0,52 м, а = 182—260 об/мин, Vr = 0—0,65 м3/мин,
И_ =0,6—1,3) при ферментации стрептомицина (Р. Д. Сойфер).
Л
Значения констант С, пыл р приведены в табл. 4. В
логарифмических координатах функция Nr/N0 от А или от
A' — AiH/D)0'4 имеет вид ломаной линии, состоящей из
трех отрезков (рис. 34).
На участках А\А\, Ar2Afz
Nv-=C{Afy\
К
о
/п<0, поскольку с интенсификацией перемешивания и
барботажа в жидкости накапливаются пузыри и
относительная мощность снижается. На участке А\А'Ъл при
значительном содержании газовой фазы в жидкости, усили-
83
кается- коалесценция пузырей и темпы снижения
относительной мощности с ростом А' уменьшаются. Это
проявляется в уменьшении угла наклона прямой. На участке
А'>А'з наблюдается «захлебывание» мешалки, т = 0 и
—— = const.
Уравнение получено при обработке опытов с культу-
ральными жидкостями стрептомицина, циклосерина и
новобиоцина в аппарате емкостью 20 л с
плосколопастными мешалками •(р, = 4,6-=-32 сп, тб= 1,5-^2,8 г/100 мл,
р= 1020-Г-1060 кг/м3, (7 = 60,8—72,6 дин/см).
Таблица 4
Значения констант С, m, p и коэффициента /Са при условиях опытов,
указанных на рис. 34
Участок
ломаной
Область
значений
аргумента А'
С
т
/Cd
А'х —А'
А з А в
А' > А'з
(«захлебывание»)
6,4—12,0
12,0—33,0
3.0
0.60
1.9
>33
■0.41
0,20
0.20
0.45
0,0
0,75 + 0,25
0,91 +0,09
ЗА-^-2
0,20
1,0
В табл. 4 даны значения констант при ферментации
в полупроизводственном аппарате емкостью 1,5 м3 с
механическим пеногасителем.
Двухъярусный механический пеногаситель (йиен—
500 мм) барабанного типа с 8 лопастями в каждом ярусе
при вращении в слое пены увеличивал мощность
мешалки на 10—20%. В случаях, когда пеногаситель был
погружен в жидкость и действовал как второй ярус мешалки,
Nv возрастала вдвое, a NT/N0 слабее уменьшалась с
ростом А'. Это объясняется главным образом тем, что
верхний ярус уменьшает газосодержание в зоне
вращения нижнего за счет усиления циркуляции жидкости.
Аналогично Р. Д. Сойфером и В. В. Кафаровым решен
вопрос газосодержания жидкости. И здесь результаты
84
опытов с культуральнымй жидкостями
удовлетворительно обобщались на основе комплекса
а: л (JLy
в виде уравнения т]) —С(Л')т. Опытные данные на
логарифмическом графике обобщены в виде ломаной линии.
Газосодержание культуральных жидкостей выше, чем у
воды. В результате математической обработки опытных
данных для различных культуральных жидкостей,
перемешиваемых плосколопастными мешалками, получена
аналитическая зависимость
где ^ =io^3(i-w4 tfm6=(m6/m60)°.3; K<m= 1,24(1,807-
D/3dM); при А'< 19,5 С = 0,87, т-0,715; при Л'>19,5 ,
С = 3,2, т = 0,23. В опытах относительное повышение
уровня жидкости достигало 15—20%.
МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД В ПРОЦЕССАХ
МАССО ПЕРЕДАЧ И И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Одним из серьезных недостатков использования
традиционных мешалок в ферментаторах, затрудняющих
масштабирование, является различие в гидродинамическом
режиме перемешивания в разных частях объема вязких
и особенно неньютоновских жидкостей.
Перемешивание, диспергирование пузырей и массопе-
редача на уровнях турбинок более интенсивны, чем в
промежуточных областях. Поток неоднороден и в
радиальном направлении. Например, Куттер даже в малом
аппарате с диаметром и высотой, равными 0,3 м, при
перемешивании в условиях «полного отражения» 6-лопаст-
ной дисковой мешалкой с диаметром 0,1 м обнаружил,
что поток, создаваемый мешалкой, имеет ширину,
равную ширине лопастей около мешалки и вдвое большую—
у стенок аппарата. При скоростях вращения 200-^-
4-ЬОО об/мин около 20% энергии потока диссипирует
непосредственно в зоне вращения мешалки, 50% —в
потоке, исходящем из мешалки, и только 30%—в остальной
жидкости. Отношение диссипации энергии на единицу
массы жидкости в какой-либо ее точке е к средней
величине удельной диссипации для всей жидкости еср было у
края диска мешалки равно 70, у стенок аппарата на уров-
85
не мешалки —- 3,6, в то время как за пределами потока,
испускаемого мешалкой, е/еСр = 0,25.
При больших вязкостях культуральной жидкости,
достигающих (500-И000) ■ Ю-3 н-сек/м2, и средних
удельных мощностях в окружении мешалки существует
развитый турбулентный режим движения, у стенок —
ламинарный, в промежуточном пространстве — переходный
(Стил).
В аппаратах малой емкости (0,05-^0,3 м3) условия
перемешивания более однородны вследствие меньших
размеров аппарата и больших удельных мощностей
мешалок (10—3 квт/м3), допустимых с конструктивной и
экономической точек зрения. Наибольшая однородность
перемешивания достигается в колбах, где жидкость
перемешивается по принципу «взбалтывания», которое
характеризуется, кроме того, более мягким
гидродинамическим воздействием на культуру продуцента. В
результате этого создаются более благоприятные условия для
биосинтеза, несмотря на более низкую скорость
абсорбции кислорода в колбах по сравнению с опытными
ферментаторами.
До настоящего времени абсорбция кислорода,
диффузия веществ в колониях и перемешивание не связаны
едиными дифференциальными уравнениями. В
предложенных некоторыми авторами критериальных уравнениях
массообмена при перемешивании в газожидкостнрй
системе не удалось определить численные значения
показателей степеней.
Одно из решений по масштабированию ферментаторов
предложено Е. А. Рубаном и др. Они определяли
функциональную связь между длительностью равномерного
распределения в жидкости добавленного в аппарат
вещества и гидродинамическими параметрами процесса.
Авторы, меняя размеры мешалок, провели
сравнительное исследование длительности перемешивания т^р в
аппаратах разной емкости. В результате получено
уравнение:
1 и looir 0,74^-0,52
590*1 1~°'1827уд Re
2.1—-0'.61
м
D
^пер
ц
п
D
где Ki = K\ • К2 • Кг • ... • Кп— произведение
коэффициентов, учитывающих отсутствие геометрического подобия
86
■■- -&&$*>- "
размеров аппаратов и мешалок. Уравнение соблюдается
при Ууд-0^2 мин-1, dM/Z) = 0,2^0,7, п = 60™1000 об/мин,
Ур>0,1 м3. Коэффициенты /ft находятся из эмпирических
симплексов подобия, перечисленных ниже.
Оптимальное отношение ширины лопасти Ъ к диаметру
турбинной мешалки, как показал опыт, равно 0,14-^-0,18.
Отклонение от оптимума 0,16 определяет величину
коэффициента К\ через уравнение
/ 0,16 \о,5
Влияние отношения длины лопасти / к диаметру
мешалки (диаметр постоянен):
0,35 \о,8
Ai
ltdu
Влияние количества лопастей в ярусе при оптимуме
пл = 6 в каждом ярусе:
АГ'з = |—I '1 ЯРУС> 3-^-6 лопастей;
К
К!"
V
12 \0,8
18 \0,7
п
2 яруса, 6^-12 лопастей;
3 яруса, 12-^ 18 лопастей.
л
Влияние угла наклона
диску а:
плоских лопастей мешалки к
1
(Slna)
1,2 •
Влияние количества отражательных
шириной каждая 0,1 D:
„ / 4 \0.5
А5 =
перегородок лПг,
п
пг
Если в результате проверки обнаруживается, что в
исследуемом аппарате тШр>2 минут, необходимо
изменение диаметра, числа оборотов мешалки, а также привода,
чтобы сократить тпер до 1—2 минут.
Разрабатываются и другие методы масштабирования
ферментаторов. В процессах ферментации с одним
штаммом на одинаковых средах величина стационарной
концентрации кислорода в культуральной жидкости одина-
S7
кова в аппаратах разной емкости. Равновесная
концентрация Ср (моль/м3) увеличивается с увеличением емкости
аппарата в связи с увеличением гидростатического
давления на уровне половины высоты слоя жидкости (#ж, м):
^
Ср = Ср1(рк+0,05Яж),
где СР1 — равновесная концентрация кислорода при
атмосферном давлении воздуха, моль/м3; рк — давление
под крышкой аппарата (обычно 1,3 ат). Например, при
рабочей концентрации С = 0,5 Ср масштабирование
аппарата от 50 л до 50 м3 приводит к увеличению Ср—С на
36%. С другой стороны, приблизительно, на такую же
величину Ср—С уменьшается благодаря более полному
поглощению кислорода воздуха при увеличении высоты
слоя жидкости (в приведенном примере от 0,5 до 5 м,
т. е. в 10 раз). Поэтому в действительности движущая
сила Ср—С практически не зависит от емкости
аппарата, и равенство скорости абсорбции в единице объема
жидкости (условие масштабирования) сводится к
равенству объемного коэффициента абсорбции kf.
Определим связь kf с удельной мощностью мешалки
Л7УЖ, фиктивной линейной скоростью воздуха V^eaJF и
высотой слоя жидкости. По усредненным данным ряда
авторов, для раствора сульфита, взвеси дрожжей,
активного ила и культуральной жидкости стрептомицина:
*'-Ч-£г)'(-^)'- - (9)
где р = 0,7 и q = 0,6.
Коэффициент пропорциональности Ск и показатели
степеней, будучи эмпирическими величинами, зависят от
свойств жидкости и конструкции мешалки. Это
эмпирическое уравнение является грубым приближением к
действительной зависимости в геометрически подобных
аппаратах.
Уравнение показывает, что при сохранении
постоянства kf и удельной мощности мешалки расход воздуха
зависит только от диаметра аппарата и не зависит от
высоты слоя жидкости Яж. Хотя с увеличением Нт
увеличивается по мере всплывания диаметр пузырей
и скорость всплывания, влияние этих величин на
удельную поверхность (f, м2)м?) массопередачи слабое, Выше
было показано, что
88
Ф в Усек
j— — ф— —t
^всп«п '
Выражая зависимость диаметра пузыря от Яж, а
скорость всплывания в перемешиваемой жидкости выражая
с помощью уравнения И, С. Павлушенко через с?ш
находим
1 V,
f
сек
(рк + 0,05Яж)0.5 F
Например, в приведенном выше случае
масштабирования по объему в 1000 раз / уменьшается в единице
объема жидкости на 18%.
Скорость абсорбции кислорода в целом слчбо зависит
от изменения высоты слоя жидкости при
масштабировании ферментаторов. Вместе с тем удельный расход
воздуха, определяющий экономику ферментации,
уменьшается с увеличением Яж, что указывает на
целесообразность применения аппаратов большой высоты, хотя
экономический эффект ослабляется необходимостью
увеличения давления подаваемого воздуха.
Масштабирование по эмпирическому уравнению (9),
а также изложенным ниже методом производится в
предположении, что оптимальные условия аэрации
отработаны опытным путем на модели. Задаваясь постоянством
kft рассчитывают необходимую подачу воздуха для
производственного аппарата, мощность мешалки которого
известна.
Рассмотрим аналогичный метод масштабирования
перемешивания, основанный на сочетании параметров, при
условии постоянства интенсивности барботажа,
выражаемого уравнением:
Усек
F
const.
Этот метод, в отличие от предыдущего, включает
сочетание двух и более параметров. Он позволяет определить
скорость вращения и диаметр мешалки при
масштабировании и изменчивости ряда гидродинамических условий
в аппарате.
Пусть, кроме постоянства kf, отражающего влияние
барботажа и перемешивания на абсорбцию кислорода,
предусматривается также постоянство величины
внутреннего масштаба турбулентности Хо, или, что то же са-
88
мое для одной и той же жидкости, — постоянство Re ю-
Как указывалось выше, пульсации малого масштаба
определяют условия диффузии веществ вблизи колонии
продуцента и внутри нее.
Из уравнения (9) при постоянстве VCGHIF и физических
свойств жидкости
kf^n^d^K
При постоянстве kf
л — 4"а/з •
При геометрическом подобииd^D^lA», a
Удельная мощность мешалки, очевидно, постоянна по
уравнению (9) при постоянстве kf и Vceu/F.
Центробежное число Рейнбльдса, после подстановки значений п и
dMl выраженных через емкость:
Отношение напора к перекачивающей способности
мешалки, влияющее на условия перемешивания у стенок
аппарата,
Н п
Усек "м
I/-5/
8
i
Окружная скорость лопастей мешалки
Величина внутреннего масштаба турбулентности
Величина ho^V0, т. е. не зависит от емкости аппарата.
К таким же зависимостям /г, #уд, Ren, #/УСек, vn от ем"
кости аппарата приводит допущение постоянства %0. При
этом kf также не зависит от емкости.
Масштабирование массопередачи кислорода при
перемешивании может быть осуществлено также путем
автоматического воспроизведения в промышленном аппарате
90
скорости потребления кислорода единицей объема
жидкости в каждый момент времени ферментации,
достигнутой в модельном аппарате. Например, скорость
потребления, пропорциональная разности концентраций
кислорода во входящем и выходящем воздухе, записывалась
в опытах Иенсена по ходу модельной ферментации на
Часы
Рис. 35. Воспроизведение ферментации хлортетрацнклниа
(хтц) по скорости потребления кислорода (спк) путем
автоматического изменения числа оборотов мешалки.
/ — скорость потребления кислорода, ммоль/час; 2 — концентрация
биомассы, г/л; <? —концентрация антибиотика, условные
единицы/мл; сплошная линия — исходная операция ферментации;
пунктирная линия — воспроизведенная операция; стрелкой показано
начало автоматического регулирования (Iensen).
диаграмму. Затем проводилась ферментация в
промышленном аппарате. Следящее устройство автоматического
регулятора контактировало с токопроводящей линией
потребления кислорода, записанной ранее. Если скорость
потребления кислорода становилась ниже, чем на
модельной операции, сигнал от следящего устройства
приводил к увеличению скорости мешалки ферментатора.
При такой методике выход хлортетрациклина и
концентрация биомассы удовлетворительно воспроизводились
(рис. 35) .
91
им , 11..-HiLi .iiifliinniiui'ii» ■ »м >тШШШШттшштш* - »*»има^А^ор^.^ -jw^.-,^. ;.w..'lf^^^.-^.:»,W.^,r,,,-:. .
ЛИТЕРАТУРА
Абрамзон А. А. и др. В сб.: Процессы химической технологии
(гидродинамика, теплопередача и массопередача). М. — Л. Изд.
сНаука», 1965, 177—185.
Брагинский Л. Н. и ПавлушеикоИ. С. В сб.: «Процессы
химической технологии (гидродинамика, теплопередача и
массопередача)». М.—Л. Изд. «Наука», 1965, 85—91.
В е г р и х О. и др. Антибиотики (реф.). Изд. ин. лит., 1954, 1, 31—39.
Г р и н ю к Т. И. и др. Антибиотики, 1960, 2, 24—27.
Кафаров В. В. Основы массопередачи. М„ Изд. «Высшая школа»,
1962.
Коршунов И. С. В кн.: Управляемый биосинтез. М. Изд. «Наука»,
1966. \
Л е в и ч В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М., Физматгиз,
1959.
П р о ко ф ь е в а-Б е ль го в с к а я А. А. Строение и развитие акти-
номицетов. М. Изд. АН СССР, 1963.
Розен А. М. и др. Хим. пром., 1966, 1, 51—58.
Рубан Е. А., Былинки на Е. С. Хим.-фарм. журнал, 1968, 3,
39—41.
С о й ф е р Р. Д., К а ф а р о в В. В. Хим. и нефт. машиностроеи., 1965,
10, 15—19.
С о и ф е р Р. Д., Кафаров В. В. Мед. пром., 1966, 10, 47—49.
С о и ф е р Р. Д., Кафаров В. В. Хим.-фарм. журн., 1967, 9, 47—53.
С т а б н и к о в В. Н., X а р и и С. Е. Теоретические основы перегонки
и ректификации спирта. М., Пищепромиздат, 1951.
Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической
промышленности. Л., Госхимиздат, 1963.
Финн Р. Антибиотики (реф.). Изд. ии. лит., 1955, 4, 25—49.
В а г t о 1 о m e w W. H. et al. Ind. Eng. Chem., 1950, 42, 9, 1801—1809.
Borkowski J. D. et al. Appl. microbiol., 1967, 15, 6. 1483—1488. -
Brand 1 E. et al. Biotechnol. Biaeng., 1968, 8, 3, 297—313.
Chain E. B. et al. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 4, 595—619.
Cooper С. М. et al. Ind. Eng. Chem., 1944, 36, 6, 504—509.
Cutter L. A. AIChE J., 1966, 12, 1, 35—45.
D e i n d о e r f e r F. H. et al. J. Biochem. Microbiol. Technol. Eng.,
1960, 2, 2, 167—175.
Hixon A. W. et al. Ind. Eng. Chem., 1950, 42, 9, 1792—1801.
Jensen A. L. et al. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 4, 525—537.
Oldshue J. I. Biotechriol. Bioeng., 1966, 8, 1, 3—24.
Phillips D. H. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 3, 456—460.
Phillips D. H. et al. J. Biochem. Microbiol. Technoi. Eng., 1961, 3,
3, 261—275.
P h i 11 i p s D. H. et al. J. Biochem. Microbiol. Technol. Eng., 1961, 3,
3 277 309
Richards J. W. Brit. Chem. Eng., 1963, 8,3, 158—163.
S idem an S. et al. Ind. Eng. Chem., 1966, 58, 7, 32—47.
SteelR. et al. Biotechnol; Bioeng., 1962, 4, 2, 231—240.
Steel R. et al. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 1, 97—108.
Steel R. et al. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 1, 109—115.
Steel R. et al. Ind. Eng. Chem., 1961, 53, 9, 739—742.
Taguchi H. et al. Biotechnol. Bioeng., 1966, 8, 1, 34—54.
Tengerdy R, P. J. Biochem. Microbiol. Technol. Eng., 1961, 3, 3,
241 253.
Westerterp K. R. Chem. Eng. Sci., 1963, 18, 8, 495—502.
HI
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ
ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ,
ФЕРМЕНТАТОРЫ
Ферментация — сложный процесс, важными
сторонами которого, с точки зрения обеспечения биосинтеза,
являются перенос кислорода из воздуха к культуре,
перемешивание, пенообразование, тепловыделение. При
изучении отдельных сторон процесса необходимо помнить о
ферментации как о едином целом, что связано с
глубоким взаимным влиянием отдельных его составных частей,
обусловленным протеканием всех процессов
одновременно в одном аппарате. Например, изменение состава
питательной среды, помимо собственно биосинтеза, влияет
и на все сопровождающие его процессы.
Конструкция ферментатора. Все эти процессы должны
обеспечивать создание оптимальных физиологических и
экономических условий для биосинтеза целевого
продукта. Поэтому ферментатор — это прежде всего
биологический реактор. Подчиненность вспомогательных процессов
биосинтезу имеет экономические основы. Даже
небольшое снижение выхода продукта биосинтеза оказывает
большее влияние на экономику производства, чем
значительные изменения во вспомогательных процессах.
В себестоимости антибиотика определяющим является
стоимость сырья, другие затраты менее весомы.
Например, в себестоимости культуральной жидкости некоторых
антибиотиков затраты на аэрацию и перемешивание
составляют 5—7%, на пеногашение — около 3%. Вместе с
тем роль вспомогательных процессов велика, поскольку
их неудовлетвооительное проведение может уменьшить
выход продукта при ферментации на десятки процентов.
Поэтому в интеоесах повышения выхода продукта при
ферментации нельзя накладывать ограничения на
затраты, связанные с проведением вспомогательных
процессов. Оптимизацию этих процессов надо
рассматривать прежде всего как оптимизацию процесса
биосинтеза.
- у
93
ЭКОНОМИЧЕСКИ НАИВЫГОДНЕЙШАЯ МОЩНОСТЬ
ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
В культуральной жидкости как гетерогенной системе
скорость биосинтеза может лимитироваться как
биохимическими реакциями внутри клетки, так и массообме-
ном между клетками и средой. При правильном
осуществлении технологии биосинтеза процесс должен протекать
в кинетической области, т. е. лимитироваться
неограниченной внешними условиями скоростью биосинтеза, что
должно быть обеспечено соответствующей
интенсивностью перемешивания.
Вопросы массопередачи в культуральных жидкостях
изучены недостаточно. Поэтому интенсивность
перемешивания устанавливают на основе эмпирических
технологических соображений и ограничений: задаются удельной
мощностью мешалок в производственных аппаратах в
пределах 1—3 квт/м3 или окружной скоростью лопастей
мешалок 6—7 м/сек и др. Нередко механические
затруднения в создании мощных мешалок и их приводов,
вспенивание и т. д. ограничивают пределы мощности
мешалок.
Одним из эмпирических методов в решении этой
задачи является оценка величины длительности
перемешивания, описанная выше. Можно предполагать, что при
тПер<2 минут процесс биосинтеза находится в
кинетической области, а интенсивность перемешивания
достаточна. Однако и этот метод, подобно другим, не дает
представления об оптимальном сочетании величины подачи
воздуха и интенсивности перемешивания, поскольку эти
два параметра аэрации являются частично
взаимозаменяемыми. Оптимизацию можно рассматривать либо с
физиологической точки зрения с целью повышения выхода
продукта при ферментации и связанного с этим
улучшения экономики производства, либо решать более
ограниченную задачу экономии затрат на подачу воздуха и
перемешивание при постоянстве выхода продукта при
ферментации. Первое еще не изучалось, для решения
второй задачи расчет предложен К. Г. Федосеевым и
А. П. Шевченко. Затраты на аэрацию в одном аппарате
^аэр ~ ^час^в п ^эл^пер» (1)
где СВ) руб/м3 — себестоимость сжатого стерильного
воздуха на данном предприятии при стандартных условиях;
94
-■>
^пср, руб/квт*час — энергозатраты па перемешивание пО
двухставочным тарифам: за максимальную нагрузку
Т руб/квт • год и за потребленную энергию Тп руб/квт ■ час.
Амортизация мешалки и привода, как показывают
расчеты, составляют около 4% от энергозатрат. После
преобразования этого уравнения с включением указанных
тарифов на электроэнергию получим
( КаЛд + 1.04 Мал) (-^- + Гп) + JL, (2)
где Руд квт-час/м3 — удельная мощность двигателя ком-
3
аэр
2 3
црессора. Для обычно применяемых
турбокомпрессоров Руд = 0,070—0,083
личество ферментаторов,
вырабатывающих данный
препарат; Я, руб/час — расходы,
связанные с выработкой
воздуха, за вычетом
стоимости электроэнергии,
расходуемой компрессорами.
Величину этих расходов по
опыту предприятий можно
вычислить, зная
себестоимость воздуха:
# = (3500 ± 200) Св. (3)
В случае выпуска
предприятием нескольких препаратов
расходы Н делятся по
препаратам в соответствии с
расходом воздуха.
Для нахождения
минимального значения затрат на
аэрацию (при
в промышленности
квт-час/м3; п — ко-
I
ко,$
ол
о
накладные расходы (&)
,500 1000 1500 2000 2500 ^ V
133 96 77.4 63,2 Ш 40 к5т N
эл
Рис. 36. Стоимость аэрации
при ферментации
пенициллина (Vm =40 м3).
постоянном
выходе продукта) можно исходить из постоянной
величины объемного коэффициента абсорбции, связанной с
объемной скоростью воздуха 1/час и мощностью
электродвигателя Л^эл соотношением:
А^эл-П \р / V,
где: т, — коэффициент полезного действия передачи оав-
ный обычно 0,9. Выбрав соответствующую Я/?,
95
обеспечивающую по данным производства и
Исследовательской практики необходимый уровень биосинтеза,
получают корреляцию, связывающую расход энергии на
перемешивание с расходом воздуха. Пользуясь
соотношением (2) и (4), можно построить графические зависимости
Заэр=ЗаЭр(Л/'Эл) при У'Час = const и Заэр=Завр(Учас) при
Л'эл — const для ряда режимов и найти минимальное
значение функции. Пример дан на рис. 36. Такое
графическое определение экономичных условий аэрации
позволяет наглядно оценить увеличение затрат на аэрацию
при отклонении от минимума.
Экономическую мощность электродвигателя или
расход воздуха можно определять также аналитическим
путем. Для этого получают уравнение Заэр = Заэр (Л/Эл)
путем исключения V4SLC при совместном решении уравнений
(2) и (4). Минимум функции находят, приравнивая
первую производную нулю и решая полученное уравнение.
Мощность электродвигателя, при которой затраты на
аэрацию минимальны,
*»—-7Ь*7&[-кП-!ЬГ- (5)
Аналогично находится наивыгоднейший расход воздуха
lg V = £_ lg _£^L_ F-m (Ь_У/Р, (6)
ё час'9 q+p 404gW \kf} • W
Величина Л/эл.э при ферментации отдельных продуктов
различна вследствие различия kf. Например,
ориентировочный расчет величины Л/Эл.э на основе средних
значений kf и коэффициентов ри?, указанных выше, дал
значения Л/Эл.э от 55 квт (стрептомицин) до 100 квт
(пенициллин) для ферментатора емкостью 50 м3. Себестоимость
электроэнергии и накладные расходы компрессорного
цеха не влияют на выбор экономичного режима аэрации,
как это видно из уравнений.
РЕГУЛИРОВАНИЕ АЭРАЦИИ И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Несмотря на большое количество опубликованных
работ, влияние концентрации растворенного в среде
кислорода на микробный биосинтез изучено слабо.
Для характеристики кислородного «питания»
продуцента необходимо измерять скорость потребления кисло-
90
рода и его содержание в жидкости. Скорость потреблен
ния кислорода может быть определена анализом
содержания кислорода в выходящем из ферментатора газе,
Достаточность скорости абсорбции кислорода
оценивается по концетрации кислорода в жидкости.
Существенным является выбор способа
регулирующего воздействия на концентрацию кислорода.
Значительное увеличение подачи воздуха может вызвать
чрезмерное повышение его содержания в жидкости и пенообразо-
вания, а также «захлебывание» мешалок.
При уменьшении скорости вращения мешалок (п)
изменяются гидродинамические условия в аппарате: режим
перемешивания может перейти из развитого
турбулентного в переходный, вследствие чего может возникнуть у
стенок аппарата застойная зона и ухудшиться массопе-
редача к колониям продуцента. Усиление перемешивания
может вызвать неблагоприятные гидравлические
воздействия на культуру.
С другой стороны, постоянство п в ходе ферментации
обусловлено техническим несовершенством
применяемого на предприятиях оборудования. Оно нерационально
с точки зрения питания микроорганизмов, в особенности
растущих в виде мицелия, и не отвечает изменчивости
реологических и поверхностных свойств культуральных
жидкостей, обусловливающих массопередачу в
пограничных диффузионных слоях.
Представляет интерес предложенное Зигелем и Гаде-
ном регулирование аэрации путем изменения
соотношения между азотом и кислородом в газовой смеси,
подаваемой вместо воздуха в барботер с постоянной объемной
скоростью. Такой способ регулирования, пригодный по
экономическим причинам лишь для лабораторных
условий, обеспечивается следующей блок-схемой (рис. 37).
Разность потенциалов, возникающая в электроде (/) при
диффузии кислорода через тефлоновую пленку,
усиливается (2) и текущее значение концентрации сравнивается
с заданным значением в устройстве (3). Сигнал
рассогласования управляет работой клапанов подачи Ог и N2
в смеситель (4). Заданное значение концентрации
кислорода устанавливается на сравнивающем устройстве с
помощью графика функции, выполненного, например, в
виде токопроводящей линии, по которой движется щуп.
Регулятор расхода (5) поддерживает расход смеси газов
постоянным, независимо от ее состава. Смесь газов по-
F
7 К. Г, Федосеев 97
*&&.
ступает в барботер. Состав сМеси на входе и состай
отработанного газа на выходе из ферментатора
определяются газоанализаторами (6) для оценки скорости
потребления кислорода.
Рис. 37. Схема регулирования концентрации растворенного
кислорода при постоянной подаче смеси азота и кислорода
(Siegell et al.). (Пояснения в тексте.)
Z
'v.ici
Рис. 38. Схема регулирования концентрации
растворенного кислорода при изменении подачи воздуха и
скорости вращения мешалки.
В промышленных же условиях при использовании
сжатого воздуха регулирование его расхода можно сочетать
с изменением скорости вращения мешалки п, например,
так, чтобы мощность мешалки была пропорциональна по-
98
Ь
.;■ ■'...
"■-^iBWWiV.-w*^ ;>***** -^&^^Щ^т^^ jji^H^jM»wi^*Aby^wfcy>JaW№-^
даче воздуха. Примерная упрощенная схема
регулирования показана на рис. 38. В отличие от предыдущей схемы
сигнал рассогласования регулятора (3) поступает на
исполнительный электродвигатель (4), который с помощью
механической связи, показанной двойной линией, не
только открывает или закрывает клапан (5) на линии
подачи стерильного сжатого воздуха, но одновременно через
зубчатую передачу воздействует на реостатный датчик
(6). В результате этого изменяется число оборотов
электродвигателя мешалки (7). Расход воздуха записывается
дифференциальным манометром (8), состав газа
анализируется только на выхлопной линии
газоанализатором (9).
Более соответствующими физиологическим
потребностям отдельных организмов могут оказаться другие
принципы связи Усек и п. Например, для процесса
ферментации характерно увеличение вязкости жидкости на два
порядка в определенные периоды ферментации. В эти
периоды резко ухудшается массопередача в колониях
микроорганизмов вследствие увеличения внутреннего
масштаба турбулентности, пропорционального |д,3/\
В этом случае дополнительный корректирующий сигнал
по усилению перемешивания должен исходить от
анализатора кислорода на выходе воздуха, потому что
скорость потребления уменьшается, несмотря на высокую
концентрацию кислорода. Аналогичные неблагоприятные
условия могут создаться при склонности культуры
образовывать колонии большого диаметра dk. Однако для
большинства случаев влияние изменений \i и dk на
аэрацию и перемешивание, вероятно, может быть
предусмотрено в заданной программе изменений уровня
концентрации кислорода на разных фазах ферментации.
ПЕРЕДАЧА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
ОТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ К МЕШАЛКЕ >
г
Ц
А
Переменная скорость вращения мешалки в ходе фер- ::
ментации, технологическая целесообразность которой ;
обоснована выше, может быть обеспечена либо конст- |
рукцией электродвигателя, либо с помощью, редук- |
тора. )
Уменьшение числа оборотов вала мешалки п с по- \
мощью электродвигателя может оказаться целесообраз- |
ным, учитывая экономию энергии, поскольку мощность i
.х-. -' ' " -'■ " '
на валу мешалки N—tft. Отсюда следует, что
целесообразно изменять число оборотов электродвигателя не
более чем в 2 раза, так как при этом N изменяется в 8 раз.
Это, естественно, превышает допустимые пределы
изменений интенсивности перемешивания.
Наиболее простое решение — это установка к
используемым двигателям устройства, изменяющего частоту
переменного тока с 50 до 25—30 гц. Такие устройства"
сейчас создаются и их использование станет возможным
в ближайшие годы.
Второй ваоиант — электродвигатель постоянного тока.
Маломощный реостат (контроллер), которым он
снабжается, позволяет плавно на ходу в 4 раза уменьшать
число оборотов. Выбор электродвигателей по мощности не
ограничен. Такие электродвигатели широко
используются на электротранспорте. Их единственный недостаток —
необходимость дополнительного строительства ртутной
или другой выпрямительной подстанции.
Третий вариант — применение трехфазного
асинхронного двигателя с фазным ротором. В таком двигателе
регулировка числа оборотов в широких пределах
осуществляется на ходу двигателя специальным мощным
реостатом. Они сравнительно дороги и требуют более
сложного обслуживания, однако эти двигатели обладают
хорошими пусковыми свойствами, имеют хороший coscp
и рациональны для мощностей 75—100 квт и выше.
Представляет интерес также гидропривод,
применяемый при мощностях до 500 квт. Вал мешалки вращается
гидравлическим двигателем, лопасти которого
приводятся во вращение подаваемой под напором рабочей
жидкостью (минеральным маслом). Скорость вращения
регулируется либо вручную — вентилем, либо
автоматически пневматическим клапаном, установленным на
трубопроводе рабочей жидкости. Одно из преимуществ
гидропривода— бесшумная работа гидромотооа, удаленного
от насоса с электродвигателем. Сильный постоянный
шум зубчатой передачи и электродвигателя, имеющийся
на большинстве предприятий в настоящее время, не
только вреден для работающих, но приносит и экономический
ущерб, вызывая в результате утомления ошибки при
обслуживании аппаратов. Достоинства гидропривода
снижает малый коэффициент полезного действия передачи —
0,7 и ниже — вследствие гидравлических потерь в насосе,
трубопроводе и моторе. Мешалки ферментатора в отли-
100
чие от других машин и аппаратов, где используется
гидропривод, вращаются медленно. Это дополнительно
снижает коэффициент полезного действия передачи. Оценим
ориентировочно экономическую целесообразность
гидропривода. Снижение коэффициента полезного действия
передачи на 25% вызывает дополнительные затраты
около 5 рублей в сутки на аппарат. Допустим, что культу-
ральная жидкость при выгрузке из аппарата емкостью
50 м3 оценивается 3000 рублей, что в пересчете на сутки
составляет 500 рублей на аппарат. Дополнительные
затраты на гидропривод, составляющие около 1% затрат
на ферментацию, очевидно, оправданы.
Уменьшение числа оборотов мешалки с помощью
редуктора всегда сопровождается снижением
коэффициента полезного действия и coscp. Распространенные сейчас
на химических реакторах с мешалками приводы типа ВО
и ВД постепенно заменяются на более компактные
планетарные редукторы мощностью до 160 квт. На
ферментаторах целесообразно использовать планетарный
редуктор с двумя ступенями чисел оборотов. Более гибкую
возможность регулирования создает использование в
редукторах вариатора для дифференциального изменения
числа оборотов. Например, передаточное число
вариатора, равное двум, позволяет плавно регулировать число
оборотов от 180 до 90 в минуту. Такие же
технологические возможности плавного регулирования в широких
пределах создают новые перспективные конструкции,
а именно: волновые зубчатые передачи и импульсные
приводы. Частота импульсов велика и создается почти
плавное вращение вала.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА
ФЕРМЕНТАЦИИ
ч ,
Расчет количества тепла, выделяющегося из
ферментатора, необходим для определения поверхности
теплообмена и выбора рациональной конструкции теплообмен-
ных устройств. Такой расчет необходим не только при
проектировании ферментатора новой конструкции или
емкости, но также для перехода к новым условиям
биосинтеза, например при использовании более
концентрированных питательных сред в оборудовании,
находящемся в эксплуатации. Повышение концентрации биомассы
и целевого продукта биосинтеза сопровождается увели-
101
чением теплового потока. При отсутствии
экспериментальных данных концентрацию биомассы на более
концентрированных средах можно считать
пропорциональной концентрации органических компонентов среды.
В общем виде тепловой баланс ферментатора может
быть представлен равенством
Qi + Q2 + Q3 = Q4 + Q5,
где Q\—тепловой эффект биосинтеза; Q2 — тепловой
эффект перемешивания; Q$ — теплота, вносимая в аппарат
барботирующим воздухом; Q4 — теплота испарения воды
в аппарате; Qs — теплота, отводимая охлаждающей
водой.
Приведенное уравнение является приближенным. Оно
не отражает уменьшения массы жидкости в аппарате за
счет удаления из него воды (в виде паров и брызгоуноса)
и углерода в составе углекислого газа. Молярные
количества СОг и Ог обычно одинаковы (дыхательный
коэффициент равен единице), соответственно масса
выходящего из аппарата углекислого газа больше массы
поглощенного кислорода. Не учитываются также потери тепла
через стенки аппарата в окружающую среду. Эти
элементы теплового баланса пренебрежимо малы.
Жизнедеятельность всех живых существ
сопровождается выделением теплоты. Экзотермичность биосинтеза^
является следствием, подчинения систем, содержащих'
живые организмы, законам термодинамики, в частности
второму закону. Живой организм, будучи открытой
термодинамической системой, для поддержания
жизнедеятельности непрерывно потребляет свободную энергию
субстрата. Величиной этой энергии, выделяемой в виде
теплоты, измеряется основной обмен организма. Однако
приблизительно вдвое больше теплоты выделяется в
результате затраты системой свободной энергии в
процессе роста биомассы и биосинтеза каких-либо продуктов
жизнедеятельности. В небольшой степени эта затрата
необходима для переноса питательных веществ из среды
в клетку. Такой перенос является работой против
внешних (осмотических) сил. Значительно больше тепла
выделяется при биохимических превращениях субстрата в
биомассу и продукт. При этом работа против внешних
сил не совершается.
Тепловой эффект биосинтеза может быть определен с
'помощью закона Гесса, согласно которому тепловой эф-
102
фект химической реакции Qi равен алгебраической
сумме теплот сгорания веществ ц, участвующих в реакции:
Совокупность реакции биосинтеза достаточно написать
в следующей условной обобщенной форме:
S + M0->M+P+P*t (8)
где S — потребленный субстрат (питательные вещества
среды); М0 — посевной материал; М — биомасса
продуцента; Р — целевой продукт биосинтеза (например,
антибиотики) ; Рт — неиспользуемые продукты
жизнедеятельности.
Согласно закону Гесса, тепловой эффект биосинтеза
Ql = Я* + УмО — Я^ — Яр— ?рж! (9)
где q — соответствующие теплоты сгорания, равные
произведениям удельных теплот сгорания Н кдж/кг на
массу веществ т кг. Это уравнение позволяет рассчитать
теплоту, выделяющуюся при росте биомассы и
биосинтезе антибиотика в любой отрезок времени в период
ферментации, путем определения в лаборатории
алгебраической суммы теплот сгорания сухих веществ питательной
среды, засеянной посевным материалом (члены правой
части уравнения с положительным знаком), и культураль-
ной жидкости с мицелием (члены с отрицательным
знаком). Такое определение является точным, но
характеризует тепловой эффект только для данных условий
ферментации.
В проектной работе целесообразно приближенное
определение теплового эффекта на основе знания
коэффициента использования энергии ф при биосинтезе. В этом
случае расчет становится возможным и при изменении
концентрации питательной среды. Коэффициент
использования энергии выражает долю энергии продуктов
биосинтеза (их теплот сгорания) в энергии потребленных
питательных веществ:
Т— ?М — <7мП + 9р ^ /JQ4
Коэффициент имеет приблизительно постоянную
величину для данного вида микроорганизмов на однотипных
средах. Он медленно уменьшается по ходу ферментации.
благодаря расходованию части энергии субстрата на
основной обмен. Коэффициент не учитывает остатка
питательных веществ, очень малого в конце ферментации,
а также неиспользуемые продукты жизнедеятельности.
Используя величину ф, можно выразить тепловой
эффект через теплоты сгорания синтезированных веществ
<7м — <7мо и <7р
Qj — i^Zl^-^ + ^p).
Частное от деления суммарной теплоты сгорания
синтезированных веществ на ф выражает по уравнению (10)
теплоту сгорания потребленного субстрата, 1—ф частей
которого окисляется и их энергия превращается в
теплоту (К. Г. Федосеев и Г. И. Шелых).
Скорость выделения теплоты биосинтеза непостоянна
в ходе ферментации. Она зависит как от скоростей роста
биомассы и биосинтеза антибиотика, так и от
имеющегося количества биомассы. Максимум скорости выделения
теплоты биосинтеза наблюдается в средний период
ферментации. Поверхность теплообмена должна
рассчитываться на максимум тепловыделения, превышающий
средний поток тепла на —20%.
Практически вся работа, совершаемая мешалкой,
превращается в теплоту. Поэтому тепловой эффект
перемешивания равен произведению мощности N, квт, на
длительность перемешивания т, сек. Барботаж воздуха
сопровождается испарением 3—8% жидкости и отводом
соответствующего количества тепла. Помимо этого,
процессы расширения воздуха в пузырях при барботаже и
выполнения газом работы против внешней силы
гидростатического давления жидкости на пузыри могут
сопровождаться тепловыми эффектами.
Если допустить, что воздух, обладающий при
небольших давлениях свойствами идеального газа,
расширяется в условиях очень интенсивного теплообмена
(изотермические условия), то можно заключить, что теплового
эффекта при барботаже нет. При изотермическом
расширении идеального газа внутренняя энергия системы газ—
жидкость неизменна: работа пневматического
перемешивания при барботаже, превращающаяся в теплоту,
выполняется газом за счет теплоты, поглощенной им из
жидкости, в результате охлаждения газа, при
выполнении им работы изотермического расширения. Расчеты
104
показывают, что температура воздуха в пузырях
отличается от температуры жидкости менее чем на 0,3°, что
позволяет пренебречь тепловым эффектом барботажа.
Это не исключает, однако, расчета теплового эффекта
при охлаждении газа от более высокой температуры,
с которой его подают в ферментатор до температуры
культуральной жидкости. Охлаждение проходит в тече-
РУ 1
u9Si(cj>Vw*t-Qt)
Рис. 39. Схема для определения теплового эффекта биосинтеза
(Н. С. Лукнчев).
ние порядка секунды, благодаря развитой поверхности
теплообмена, и рассчитывается вследствие этого с
применением теплоемкости при постоянном давлении.
Прямое измерение теплового эффекта в ферментаторе
с помощью прибора может явиться ценным средством
контроля метаболической активности продуцента.
Разработанная в ЛХФИ (Н. С. Лукичев) схема предполагает
постоянство теплового эффекта, связанного с
охлаждением воздуха и испарением воды, которые должны
вноситься в виде поправки в показания приборов.
Контролируются величины перепада температуры At
на входе и выходе охлаждающей воды, объемный расход
воды Усек и величина тепловой мощности,
выделяющейся при работе мешалки Q2 (рис. 39). Сигналы датчиков
Д — At, Д — Усек, Д — Q2 в виде напряжений
постоянного тока усиливаются до величин, пригодных для
обработки вычислительным устройством (ВУ). Датчиком
перепада температуры являются два термочувствительных
сопротивления, включенных в мостовую схему,
использование которой позволяет повысить точность измерений.
Датчик расхода — индукционный ротаметр. Выходное
напряжение переменного тока этого датчика, пропорцио-
105
нальное величине расхода КсеК) усиливается и
преобразуется в постоянное напряжение. Потребляемая
мешалкой мощность контролируется по потребляемой
электродвигателем от.сети с учетом коэффициента
полезного действия передачи. Выходное напряжение
датчика Д—Q2 переменного тока также преобразуется в
постоянное. Переработка вычислительным устройством (ВУ)
входных сигналов в виде напряжений постоянного тока
вместо переменного повышает точность его работы.
Вычислительное устройство (ВУ) состоит из
множительного устройства (МУ) и суммирующего
устройства 2. МУ реализует зависимость (А*—>Усек At,
суммирующее
Q*ux — (Ср 1/сек Ы - Q2) . (И)
Множительное устройство использует время —
импульсный принцип умножения. Он состоит в том, что
амплитуда прямоугольного импульсного напряжения изменяется
пропорционально одному сомножителю, а длительность
импульса пропорциональна другому сомножителю. При
неизменной частоте следования импульсов постоянная
составляющая такой последовательности оказывается
пропорциональной произведению сомножителей.
Для реализации зависимости (11) используется схема
суммирования на сопротивлениях с использованием
усилителя постоянного тока, который не снижает уровня
выходного сигнала при высокой точности суммирования.
Выходное напряжение, - пропорциональное величине
теплового эффекта биосинтеза Qu регистрируется само-
пищущим прибором (РУ).
ТЕПЛООБМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА
Применение только рубашек целесообразно на
аппаратах малой и средней емкости. Чем больше емкость
ферментатора, тем меньше площадь поверхности корпуса
аппарата, закрытой рубашкой, на единицу объема.
Поэтому в ферментаторах емкостью выше 5—10 м3 эта
площадь может оказаться недостаточной для отвода
теплоты ферментации при использовании концентрированных
питательных сред. Поверхность теплообмена,
выполненную в виде змеевиков, молено сделать достаточно
большой. В случае змеевиков масса металла на единицу пло*.
щади теплопередачи меньше, вследствие меньшей тоя-
106
■
%
щины стенок. К тому же скорость принудительного
движения воды в рубашке обычной конструкции
настолько мала, что интенсивность теплоотдачи, определяемая
по существу естественной конвенцией, на порядок
меньше, чем в трубах змеевика. Этого недостатка лишены
многосекционные рубашки (рис. 40), обычно 5-секцион*
ные, в которых поток воды направлен не вертикально по
L
Q
а
о
о
о
о
с
с
с
(
с
с
<
<
<
<
<
а
б
\ , \,
Рис. 40. Секционная рубашка (а, б), рубашка со
спиральной перегородкой (б, в) и наружные приварные
змеевики (г, д, е).
кольцевому сечению, а горизонтально, по
прямоугольному сечению, причем вода движется последовательно из
секции в секцию. Дальнейшее увеличение скорости воды
достигается устройством спиральных перегородок,
образующих канал в каждой секции (б) или в цельной
рубашке (в). Этот вариант по условиям теплоотдачи не
отличается от наружных приварных змеевиков,
изготавливаемых из труб (г), полутруб (д) и из углового проката
(е). Наружные змеевики в отличие от внутренних
увеличивают прочность корпуса и исключают инфицирование
среды при нарушении их герметичности. Однако
технология изготовления наружных змеевиков сложна,
трудоемка, большая длина сварных швов значительно
увеличивает стоимость изготовления. Поэтому при недостаточном
техническом уровне завода химического
машиностроения изготовление на нем такой конструкции экономически
нецелесообразно, поскольку обычно ферментаторы
изготовляются малыми сериями.
107
■-
Однако наблюдающееся увеличение емкости
ферментаторов и интенсификация процесса биосинтеза
(повышение концентрации питательных сред и удельной
мощности мешалки) часто приводят к недостаточности
величины поверхности рубашки или наружных змеевиков.
Поэтому вместо рубашек обычной конструкции стали
применять внутренние змеевики, а некоторые
зарубежные фирмы перешли на сочетание внутренних змеевиков
с рубашками.
о-
о-
X
z?
ш
а
б
Рис. 41. Варианты внутренних змеевиков
ферментатора; в вариантах б, в, г изображена одна
из четырех секций.
Еще в середине 50-х годов отказались от применения
в ферментаторах внутренних горизонтальных змеевиков
в виде цилиндрической спирали (рис. 41, а). Такие
змеевики гасили турбулентное движение у стенок аппарата
и обладали другими недостатками. При переходе на
вертикальные змеевики увеличился коэффициент
теплоотдачи к трубам благодаря поперечному обтеканию их
жидкостью, приводимой в движение мешалкой.
Получили применение вертикальные змеевики в виде четырех
плоских секций, закрепленных у стенок так, чтобы
змеевики выполняли одновременно функции
отражательных перегородок. Вертикальные трубы одной секции
эквивалентны плоской перегородке, если сумма их
диаметров в 2—2,1 раза превышает ширину перегородок.
Горизонтальные же змеевики совместно с устройствами для
их крепления в аппарате эквивалентны четырем перего-
108
ъ
родкам, ширина которых равна 0,03 диаметра сосуда.
В аппаратах емкостью 5—10 ма вертикальные пучки
охлаждающих змеевиков затрудняют внутренние
ремонтные работы и их использование нецелесообразно.
В случае секции из параллельных труб,
расположенных в одной плоскости (рис. 41, б), скорость
параллельного движения охлаждающей воды по трубам мала и
коэффициент теплоотдачи к воде низок. Спираль
(рис. 41, в), применяемая в ферментаторах ряда
зарубежных фирм, обеспечивает более высокую скорость в
трубах и улучшение теплоотдачи.
Удачную конструкцию змеевиков в виде вертикальных
витков с последовательным движением воды в трубах
спроектировал Гипромедпром (рис. 41, г). Более
удобный для монтажа верхний ввод и вывод труб сочетается
с возможностью слива воды из труб перед стерилизацией
аппарата с помощью малых отверстий (диаметр 2 мм),
высверленных в нижних точках изгибов труб.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО МОМЕНТА ОКОНЧАНИЯ
ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ
Кинетический график накопления большинства
продуктов микробиологического синтеза Р = Р (т) (рис. 42)
может быть упрощенно представлен кривой, носящей
синусоидальный характер. До точки перегиба кривой (а)
наклон кривой к оси длительности нарастает, а затем
убывает вплоть до точки максимума кривой (£'),.
Скорость процесса v, численно равная тангенсу угла наклона
касательной к кривой, максимальна в точке перегиба.
Помимо рассмотренной мгновенной скорости
биосинтеза, полезно оценить среднюю скорость образования
продукта за промежуток времени от начала ферментации до
рассматриваемого момента. Она равна тангенсу угла
наклона прямой, проведенной к данной точке кинетической
кривой из начала координат.
Если начало координат совмещено с концом
предыдущей операции, т. е. с началом выгрузки содержимого
аппарата, то средняя скорость является часовой
производительностью аппарата. В случае синусоидальной
кривой накопления продукта, производительность аппарата
с начала биосинтеза увеличивается, затем достигает
максимума в точке d (см. рис. 42) касания с прямой,
проведенной из начала координат. Чтобы обеспечить макси-
109
мальную производительность аппарата в периодическом
процессе, следовало бы ферментацию в каждой операции
заканчивать в точке d.
Однако с точки зрения экономики такое решение
окажется, вероятно, неоптимальным: концентрация продукта
В
в'
О)
г, чась/
Рис. 42. Кинетика биосинтеза и себестоимости
продукта в ходе ферментации (К. Г. Федосеев,
А. П. Шевченко).
./
в слитой культуральной жидкости понижена и затраты
могут быть не минимальными из-за увеличения
расходных коэффициентов по питательной среде. Окончание
процесса в точке максимума (В') также экономически
нецелесообразно, поскольку скорость в этой точке равна
нулю, а все расходы в цехе, пропорциональные
длительности (заработная плата персонала, энергетические
затраты на аэрацию и пр.), продолжают, как и ранее,
увеличивать себестоимость культуральной жидкости.
Поэтому окончание процесса должно отвечать точке,
лежащей между точкой максимальной производительности
(d) и точкой максимума (б7)-
В ходе практического осуществления процесса
ферментации кривые нарастания концентрации продукта имеют
различный вид, а максимальные концентрации от
операции к операции колеблются довольно резко, в пределах
ПО
1——I-- Щ . - .- Ц
±30%. Поэтому ход кривой при окончании процесса
ферментации после точки d можно представить лишь
приближенно. К концу ферментации, за точкой d, о
предполагаемом увеличении концентрации продукта в
культуральной жидкости молено судить по совокупности
биохимических показателей процесса: по концентрации
питательных веществ, концентрации продуцента и его
морфологическому состоянию, по рН раствора и
достигнутой концентрации продукта.
Наличие остатка неиспользованных питательных
веществ, которые к концу ферментации начинают
лимитировать скорость процесса, позволяет рассчитать (при
благоприятных прочих показателях) ход кривой до конца
ферментации путем графического экстраполирования
кривой (на рис. 42 экстраполированный отрезок показан
линией dB),
Однако совокупность других показателей процесса
делает это предвидение более или менее вероятным. Из
опыта практической работы можно по каждому
продукту приближенно определить вероятность дальнейшего
накопления продукта по предполагаемой кривой.
Допустим для примера, что не совсем благоприятное значение
рН жидкости снижает вероятность ожидаемого
увеличения продукта до 0,8, недостаточно хорошее
морфологическое состояние мицелия — до 0,7, а высокая
концентрация уже накопленного продукта — еще до 0,9. Общая
вероятность хода процесса по экстраполированному отрезку
кривой равна 0,8" 0,7 • 0,9 = 0,5.
С учетом этой вероятности в данном примере отрезки
ординат экстраполированной части кривой выше уровня
d сокращаются вдвое и проводится новая, вероятностная
кривая, учитывающая совокупность показателей (линия
dBf). По этой кривой определяется оптимальное время
окончания процесса, которое соответствует минимальной
себестоимости получаемого продукта.
Для нахождения оптимальной точки необходимо
определить из отчетной калькуляции за предыдущий квартал
зависимость расходов на производство в отделении
ферментации от среднего количества продукта, полученного
при в*ыгрузке аппарата (так называемый съем продукта),
и средней за квартал длительности ферментации. Все
затраты могут быть разбиты на две группы: Зх и 32.
К затратам Зх относятся затраты, пропорциональные
длительности ферментации и обратно пропорциональные
(И
съему продукта, К ним относится зарплата
производственных рабочих в отделениях ферментации и
приготовления сред, цеховые расходы, амортизация основных
фондов, энергетические затраты на ферментацию и
соответствующая часть общезаводских расходов. Затраты
32 обратно пропорциональны выходу (съем) продукта и
не зависят от длительности ферментации. К ним
относятся расходы на сырье и энергетические затраты на
приготовление питательной среды и на выработку посевного
материала, а также энергетические затраты на
стерилизацию ферментатора:
где Р — количество продукта в аппарате при сливе, млрд.
ед.; т— длительность ферментации, час; А и В—
константы пропорциональности, руб/час и руб. Константы
А и В вычисляются на основе отчетной калькуляции за
предыдущий квартал путем подстановки в уравнение
средних значений Я, т, 3\ и 32 — по отделению (цеху)
ферментации.
По известным значениям А и В рассчитывают значения
3\ и Зг для отдельных точек рассматриваемого конца
ферментации и строят кривые 3 = 3 (г). Из характера
затрат 3\ и З2 следует, что кривая 3\ имеет минимум в
пределах экстраполированного отрезка или до него, а
кривая 32 имеет минимум в конце отрезка на ординате,
проходящей через точку В\ Сумма ординат двух указанных
кривых, выражающая себестоимость продукта
ферментации, имеет, таким образом, минимум в пределах
экстраполированного отрезка:
Ср =5i + 52 руб/млрд. ед.
Окончание процесса ферментации не в точке
максимума продукта, а ранее позволяет увеличить объем
производства и снизить себестоимость продукта за счет
большего сокращения затрат Зх по сравнению с
увеличением затрат 32.
КОНСТРУКЦИЯ И МАТЕРИАЛ ФЕРМЕНТАТОРА
Конструкция ферментатора должна предотвращать
проникновение посторонней микрофлоры в аппарат, унос
пены и брызг из аппарата, обеспечивать аэрацию куль-
туры, перемешивание, отражение потока и регулирование
температуры культуральной жидкости. В аппаратах
соответствующей емкости
предусматривается внутренняя лест*
ница, необходимая для
межоперационного осмотра,
чистки и ремонта ферментатора.
Должны быть предусмотрены
необходимое свободное
пространство и доступность
обслуживаемых изнутри частей
аппарата. Для процесса
ферментации и процесса
выращивания посевного материала
применяют в большинстве
случаев одинаковую типовую
конструкцию ферментатора.
Это вертикальный
цилиндрический реактор с
эллиптическими крышкой и днищем.
Коэффициент заполнения
ферментаторов 0,6—0,8, посевных
аппаратов — 0,5—0,7 в
зависимости от емкости и скорости
подачи воздуха. Отношение
высоты корпуса к диаметру
обычно равно 2-^2,5. Аппарат
снабжен рубашкой или
внутренним (реже наружным)
змеевиком для регулирования
температуры, барботером,
мешалкой и отражательными
перегородками (рис. 43).
На крышке ферментатора
имеются смотровые стекла,
люк, штуцеры: для манометра,
датчиков дистанционных
приборов контроля, ввода
питательной среды, посевного
материала, воздуха, пеногасителя,
добавок питательных веществ
и реагента для регулирования
рН, вывода жидкости (через
давильную трубу) и отработан-
8 К. Г- Федосеев
I
У///////////?//
Рис. 43. Схема
ферментатора.
/ — электродвигатель; 2 —
редуктор; 3 —
соединительная муфта; 4 —
промежуточный подшипник; 5 —
торцовый сальник; 6 —
отражательная перегородка; 7 —
стреловидная трехъярусная
мешалка; 8 — растяжка,
центрирующая вал мешал-
кн; 9 —секционная
рубашка; 10 — барботер; U —
подпятник; 12 — опора.
из
ного воздуха. Устройство штуцера в днище аппарата для
выгрузки культуральной жидкости облегчает
обслуживание аппарата, но увеличивает опасность заражения
содержимого аппарата.
Барботер служит для подачи воздуха под нижний ярус
мешалки. Конструкция барботера. оказывает влияние на
эффективность диспергирования воздуха мешалкой,
поскольку она влияет на условия ввода газа в зону действия
мешалки. Однако это влияние невелико. Мешалка выпол-
Рис. 44. Барботеры ферментаторов.
няет функции диспергирования газа, распределения
пузырей и турбулентного перемешивания жидкости. Чем
интенсивнее перемешивание, тем меньшее влияние на
аэрацию оказывает конструкция барботера и тем проще
она должна быть. Барботер необходимо располагать
непосредственно под мешалкой, обычно, по
конструктивным соображениям, — на уровне начала кривизны днища,
для увеличения высоты всплывания пузырей, и строго
горизонтально для равномерного выхода воздуха.
В промышленности антибиотиков применяют в
основном барботеры трех типов: труба, открытая под
мешалкой, квадратный и лучевой барботеры (рис. 44). Барбо-
тер-труба отличается простотой и надежностью. Он
Применяется в аппаратах емкостью до 0,5 м3 в сочетании
с дисковой мешалкой, создающей интенсивное
перемешивание. Квадратный барботер представляет собой
перфорированные трубы, собранные на болтах таким образом,
чтобы их можно было периодически прочищать щеткой
после снятия двух крышек на углах квадрата.
Лучевой барботер имеет 8—12 радиальных
перфорированных труб-лучей, крепящихся для облегчения чистки
отверстий на резьбе к небольшому кольцу. Диаметр
кольца должен быть минимальным. Лучи располагают на
кольвд на таком уровне (рис. 45), чтобы попадающая в
ъ*тт*р " -*-^H»^r»iwf^jHH»№v**
барботер, при выключении подачи воздуха жидкость
могла быть вытеснена потоком воздуха при его
последующей подаче. С той лее целью отверстия на лучах и
квадратном барботере рекомендуется делать внизу.
Однако по опыту некоторых заводов, аэрация более
эффективна при верхнем расположении отверстий в
трубах барботера. В этом случае для стока жидкости
предусматривается отверстие в нижней части вертикальной
трубы (стояка) барботера, так как при отсутствии
Рис. 45. Узел Л лучевого барботера (см. рис. 44).
стока жидкость в трубах наполняется мицелием, что
создает опасность забивания отверстий. Отверстия с
диаметром 3—4 мм располагают в два ряда для раздельного
образования струй. Диаметр барботера выбирают таким,
чтобы выходящий из отверстий воздух попадал в зону
интенсивного действия мешалки
(окружность,-описываемая концами лопастей мешалки). Более сложный по
конструкции лучевой барботер рекомендуется для
аппаратов большой емкости и при сравнительно невысокой
интенсивности перемешивания.
В производстве антибиотиков применяют
ферментаторы, изготовленные либо из углеродистой стали (Ст-3),
либо из легированной хромом, никелем и другими
металлами нержавеющей стали.
Протекание биосинтеза некоторых антибиотиков при
контакте культуральной жидкости с очищенной стальной
поверхностью, лишенной естественной защитной
(пассивирующей) окисной пленки, сопровождалось, по данным
Р. Д. Сойфера и др., уменьшением выхода (пенициллина
в Р/г раза, стрептомицина — в 2 раза, хлортетрациклина
почти до нуля) из-за образования токсичных
концентраций ионов железа, выделявшихся в среду в результате
8
115
i^^^p^^^w^^^^^^p
щтттр^т
*р
интенсивной коррозии металла. В условиях ферментации
скорость коррозии незащищенной углеродистой стали
велика (0,2—0,4 мм/год), но с течением времени она
уменьшается, благодаря образованию на поверхности металла
твердой пленки из отложений окислов железа и
веществ, выделившихся из среды. Однако такая пленка,
будучи пористой, не прекращает коррозии полностью. На
змеевиках, мешалках и днище аппарата из-за колебаний •
температуры при стерилизации и воздействии жидкости
при перемешивании эта пленка разрушается особенно
быстро. Вследствие этого происходит язвенная коррозия
стальных аппаратов в виде раковин глубиной в
несколько миллиметров.
Выбор материала ферментатора должен производиться
с учетом опыта эксплуатации аппаратов и на основе
исчисления величины годовых приведенных затрат.
Снижение цены ферментатора при необходимости
использовать коррозионно стойкую сталь может быть
достигнуто применением двухслойной стали: внутри —
нержавеющей (3—4 мм), снаружи—стали Ст-3 (9—13 мм).
При этом, однако, следует учитывать значительное
ослабление антикоррозионных свойств сварных швов в
аппаратах из биметалла при существующей технологии
их изготовления.
Как показали исследования Р. Д. Сойфера и др.,
весьма дорогую и дефицитную из-за высокого
содержания никеля (10%) сталь 0Х18Н10Т можно заменить на
более экономичные нержавеющие стали марок 0Х21Н5Т,
Х14П4НЗТ и др.
При организации сравнительно маломощных
предприятий по производству кормовых антибиотиков в системе
совхозов, зооветстанций и т. п. применение нержавеющей
стали, как правило, исключено. В этих случаях, а также
при промышленной ферментации некоторых продуктов в
стальных аппаратах целесообразны антикоррозионные
покрытия их внутренней поверхности.
Гуммирование/футерование керамикой и другие известные в химической
промышленности способы защиты аппаратов от коррозии
неэффективны в ферментаторах из-за разрушения
покрытий, отслаивания и т. д.
После лабораторных исследований влияния ряда
полимерных материалов на биосинтез антибиотиков и
стойкости некоторых тонкослойных покрытий при
ферментации был рекомендован для промышленных испытаний
116
эластомер марки ГЭН-150 (В), выдержавший
5-месячное пребывание в работающем опытном ферментаторе и
кипячение в воде в течение 350 часов.
ЕМКОСТЬ И ГАБАРИТЫ
Впервые глубинный метод ферментации пенициллина
в СССР был освоен в 1946 г. в аппаратах емкостью
1 м3. Уже через 2 года использовались ферментаторы
емкостью 10—15 м3. В дальнейшем по мере быстрого
расширения объема производства в стране и увеличения
мощности создаваемых предприятий по производству
антибиотиков стало необходимым увеличивать емкость
ферментаторов с целью уменьшения их количества в
цехах для снижения затрат на единицу объема культу-
ральных жидкостей. В 1949 г. Гипромедпром
спроектировал ферментатор емкостью 50 м3. Величина емкости
ферментаторов выбирается проектными организациями
не произвольно, а в соответствии со стандартом на
сосуды и аппараты (ГОСТ 8932-58), согласно которому
машиностроительные заводы изготовляют аппараты,
например следующих емкостей: ...10, 12,55, 16, 20, 25, 32,
40, 50, 63, 80, 100, 125 ...м3. Гипромедпром обычно
использует в проектах ферментаторов лишь выделенные
члены ряда. Спроектированы также посевные аппараты
емкостью 0,1 н-5 м3. Эти стандартные величины емкостей
соответствуют двум рядам предпочтительных чисел
(ГОСТ 8032-56) /МО и R-5 (емкость до 1 м3). Ряд
£-10 представляет собой геометрическую прогрессию
ю
со знаменателем У10 =1,25, а ряд R-5 — со знамена-
5
телем 1/ТсГ = 1,б.
Выбор емкости ферментатора для производства
данного препарата зависит от экономически целесообразной
мощности цеха для производства этого препарата. Эта
мощность обычно пропорциональна потребности
медицины и народного хозяйства страны в данном препарате.
Мощность цеха для его производства определяется
суммарной емкостью ферментаторов
где V— емкость ферментатора, м3; Пф — количество
ферментаторов в цехе.
117
Мощность цеха:
Ж =
О
сут
24
где 0Сут — суточный объем проектируемого
производства по готовому продукту, млрд.ед/сутки; г) — выход
готового продукта по отношению к количеству
полупродукта в культуральной жидкости, в долях; Сед —
концентрация культуральной жидкости, млрд. ед/м3; ф —
коэффициент заполнения ферментатора; тп — полная
длительность операции, часы.
Емкость ферментатора для производства антибиотиков
и других малостабильных в растворенном состоянии
веществ в общем случае определяется как экономически
наивыгоднейшая (К. Г. Федосеев и А. П. Шевченко). Для
ее вычисления ограничимся затратами, зависящими от
емкости. Величина оптимальной емкости зависит от
совокупного влияния технологических, экономических и
конструктивных факторов. Экономические факторы
включают совокупность зависящих от емкости
капитальных вложений, эксплуатационных затрат и оборотных
средств. Технологические факторы почти не оказывают
влияния на выбор емкости ферментатора. Большинство
исследователей признает, что удельный (в 1 м3) выход
антибиотиков при ферментации не зависит от изменения
емкости ферментатора в условиях достаточности
аэрации.
Об отсутствии неблагоприятного влияния на
биосинтез гидростатического давления свидетельствуют факты
успешной ферментации антибиотиков в аппаратах с
высотой корпуса 15 м.
Рассмотрим капитальные вложения как функцию
емкости ферментатора. Размещение ферментаторов в
здании может быть выполнено в различных вариантах. В
качестве одного из них примем следующий: 1) поперечные
балки междуэтажных перекрытий здания расположены
с шагом, равным 6 м; 2) ферментаторы размещаются в
несколько рядов, параллельных балкам, с шагом между
рядами б м; 3) средний зазор между смежными
ферментаторами в ряду, определяемый необходимым удобством
обслуживания, не зависит от емкости ферментатора и
равен е метров:
в — пфрО ' в _D
Лфр
Лфр
118
где В —ширина здания, м; пфр —число ферментаторов
в ряду; 4) высота здания больше высоты корпуса
ферментатора на величину 2,5 е м; 5) высота корпуса
ферментатора в 2,5 раза больше его диаметра (D).
Объем здания, приходящийся на один ферментатор:
Vm = 6(D + e) (2,5D + 2,5 е) = 15(0,8 l/v. + ё?.
Стоимость части здания, занятой ферментаторами:
/C3A==15/U0,8VV. +efMV-\
где Цзд — стоимость 1 м3 здания, руб/м3.
«Удельная» масса металла ферментаторов, в расчете
на 1 м3 емкости (кг/м3), уменьшается с увеличением их
емкости согласно эмпирической формуле:
/яу = 9501/-°'29.
Суммарная стоимость ферментаторов с учетом транс-
портно-заготовительных расходов (4%) и затрат на
монтажные работы (40% от стоимости оборудования) при
заданной мощности производства М составит:
Капп= 1,44 ЦйПпМту= 1370цапп MV^^t
где Цапп — оптовая цена 1 кг массы материала аппарата.
Общие и удельные капитальные затраты на
технологические трубопроводы обычно составляют приблизительно
50% от стоимости технологического оборудования.
Считаем, что диаметр технологических трубопроводов
йТж<—Х>. Толщина стенки труб, испытывающих
внутреннее давление, б^^с(т. Длина вертикальных
трубопроводов пропорциональна высоте и количеству
ферментаторов:
Длина горизонтальных трубопроводов, идущих
параллельно ряду ферментаторов:
lt^{D + e)MV'x.
Зазор e^D. Масса металла трубопроводов:
щ = ^т8(/в + /г)^<~,D*M V-1^ VMV-X.
В пересчете на 1 м3 емкости аппарата стоимость КИП
обратно пропорциональна емкости ферментатора,
поскольку каждый аппарат оснащается приборами
контроля индивидуально. С учетом транспортно-ззготови-
119
тельных расходов (4%) и затрат на монтажные работы
(30% от стоимости КИП).
= 1.34ЧкнпЖ1/-1.
К
кип
40
ss
1
1
5
Суммарная величина капитальных вложений, как
свидетельствуют уравнения, с ростом емкости
ферментатора убывает (рис. 46). Однако при Пф<8 заметно
возрастают удельные
капитальные вложения на
вспомогательные аппараты,
например, смеситель
питательной среды, два
коагулятора, два-три
сборника нативного раствора.
Примем, что их
количество не зависит от числа
ферментаторов, а
емкость — пропорциональна
емкости ферментатора.
Если принять, что емкость
каждого из пяти
вспомогательных аппаратов вдвое
меньше емкости
ферментатора, то капитальные
затраты на них:
/Сапп.,=5. 1370 чапп(1/'2).
.(1//2)-1/3 = 4300 ЦаппУ^
/С3д.в=5-15Чзд[0,8(К/2)1/8+
+ ^P(V72)(K/2)-1 =
= 75^(0,641/'/з + е)2.
/
0l_l_L
10 25 50 100
^ Емкость аппарата
150м
Рис,
ные
М = 400
Кзл
капиталь-
мощности
лг; i — /Сад + Яапп; 2 —
-2*.
46. Примерные
вложения при
+ ^апп-в; 3 — ZA. ^ Определим величину
эксплуатационных
расходов, зависящих от емкости
ферментаторов, при постоянстве М. Покажем, что
удельные энергетические затраты на аэрацию и перемешивание
не зависят от емкости ферментаторов. Удельная мощность
мешалки в большинстве случаев принимается постоянной
при масштабировании ферментаторов. Затраты на сжатие
воздуха включаются в стоимость аэрации, они
пропорциональны произведению расхода воздуха на потерю
давления при прохождении столба жидкости в ферментаторе.
Расход эоздуха большинством исследователей прини-
120
мается пропорциональным площади поперечного сёчёнйй
столба жидкости, что означает постоянство фиктивной
линейной скорости в аппарате. Потеря давления
пропорциональна высоте столба жидкости. При любых
габаритах аппарата указанное произведение пропорционально
объему жидкости, иначе говоря, постоянно в пересчете
на единицу объема.
Амортизация производственных фондов в соответствии
с действующими нормами амортизации (а3д = 0,027,
«апп= 0,076, акип=0,12):
Ззд = 1,08 . 15 азд Чзд(0,81^3 + e)*MV~\
где 1,08 — коэффициент, учитывающий расходы по
текущему ремонту, отоплению и освещению здания:
Запп=1370ааппЧаппЖ1/"^;
Расходы по текущему ремонту ферментаторов приняты
обратно пропорциональными емкости
Зреи-ЗргЛЦ/-1,
где Зрг — расходы по ремонту ферментатора средней
емкости, например 16 м3 в расчете на 1 год.
Заработная плата основных производственных
рабочих и дежурного персонала исчислена при условии
пропорциональности между численностью работников и
количеством обслуживаемых аппаратов:
Ззрп = 4. 1,084-1,25. \№ЬРТДМУ~1 = 5,9 - РТДМУ~\
где Р — явочное число аппаратчиков и дежурного
персонала в одну смену, в расчете на один аппарат; Т —
тарифная ставка, руб/день; Д — число дней работы
ферментатора в году; 4 — количество смен работы в сутки;
1,084, 1,25, 1,085 — коэффициенты, учитывающие
соответственно отчисления на социальное страхование, доплаты,
премии и дополнительную заработную плату.
Сумма исчисленных эксплуатационных затрат может
быть выражена уравнением:
Как показывает уравнение и примерный график (рис.
47), построенный с использованием наиболее характер-
121
Hbix для промышленности показателей, суммарные
затраты убывают с увеличением емкости и определяются в
основном зарплатой и износом ферментаторов. Наиболее
низки затраты на амортизацию приборов контроля и
автоматики. Эго подтверждает необходимость дальнейшей
автоматизации процесса ферментации.
В отличие от перечисленных элементов текущих затрат,
убывающих с увеличением емкости и зависящих от коли-
Емнооть аппарата
Рис. 47. Примерные
эксплуатационные затраты при
мощности М ^= 400 м3; / — Ззд;
2 — окип; о — Зрем; 4 — Запп;
5 — Ззрп; 6 — Зин; 7 — 3.
чества ферментаторов, в ряде производств возникают
затраты, пропорциональные емкости ферментатора и не
зависящие от их количества. Они равны стоимости
нестабильного в растворе продукта микробного синтеза,
теряемого при инактивации его в процессах предварительной
обработки, фильтрации культуральной жидкости и
хранения фильтрата (нативного раствора). В цехе
постоянно перерабатывается и хранится определенное
количество слитой культуральной жидкости и нативного раствора,
обычно пропорциональное рабочей емкости
ферментатора 1/р = ф(Л Принимаем в качестве минимального среднее
в течение суток количество этих жидкостей, равное поло-
122
/Г" 1ЧИгiff i|p Щ1\щ • *wHM*№"Ha*J4ffw«*.*Wn*ti^4*rV>44f ^^^ЩЩШ09^(Щ^'
Зя> [М'800)
Заз {N'$00}
Зт(Мш200)
уЗ^З*Зу0
ю г$ so юо
Енхость аппарата
150 м»
Рис. 48. Примерные
эксплуатационные и приведенные затраты
при различных мощностях М
(м3) установки.
вине Vv. Потери нестабильных продуктов микробного
синтеза в результате инактивации:
Зин=12ДсрСедвС = Л,1Л
где Сед — концентрация нативного раствора, млрд. ед./м3;
С — себестоимость нативного раствора, руб/млрд. ед; в —
доля инактивирующегося за 1 час вещества.
Аналитическое решение задачи оптимизации емкости по минимуму
эксплуатационных затрат Зэ = 3+3Ин с помощью
производной функции d3vldV приводит даже после
упрощений к кубическому уравнению с одним
действительным корнем, не пригодному для расчетов. Поэтому
ограничимся графическим методом.
На рис. 48 показаны примерные иллюстративные
графики суммы эксплуатационных затрат Зэ для четырех
вариантов мощности схемы.
Совокупное влияние капитальных и
эксплуатационных затрат отражают приведенные затраты:
К
зп = з +
ок
где т0к=6,7 года — средний срок окупаемости
капитальных затрат.
Оборотные средства не включались в расчет
приведенных затрат, поскольку они относительно малы на стадии
ферментации и при постоянстве мощности установки
практически не зависят от емкости аппарата.
Приведенные затраты, как и эксплуатационные,
имеют минимумы, показанные на рис. 48- Подобно
минимумам Зэ, они лежат по построению на прямых
(штриховых) линиях.
С увеличением мощности производственной установки
оптимальные величины емкости и числа аппаратов
возрастают, но в меньшей степени, чем мощности, и с
постепенным замедлением. Небольшая кривизна кривых
вблизи минимума позволяет при окончательном выборе
емкости несколько отклониться от минимальной в
соответствии с конструктивными требованиями без
существенного увеличения затрат.
С увеличением емкости ферментаторов или высоты их
корпуса возникают конструктивные затруднения в
проектировании и эксплуатации мощного привода мешалок
с тяжелым валом, особенно в связи с тенденцией
увеличения концентрации питательных сред, стимулирующей
123
|" ■ "ИМ"
•*■***w.L.u-rfwui^y^ugH^r -i" ^тт**ж\*^^ъ*^1^^уъ9{1&^.
a*-** c~"-. Фру*-
проектирование мешалок с большей удельной
мощностью. Увеличение длины вала и приложенной к нему
мощности приводит к значительным вибрациям и биению
вала. Для их уменьшения целесообразно применять
пустотелые валы с диаметром до 200 мм. Ряд
преимуществ имеет конструкция ферментатора с нижним
приводом, при наличии специального очень надежного
сальникового уплотнения. Она позволяет укоротить длину
вала, увеличить свободную поверхность крышки
ферментатора и устранить вредный, снижающий
производительность труда шум от работы электродвигателя и
редуктора на верхнем этаже здания, где в основном
происходит обслуживание аппарата. Однако необходимость в
сальнике очень сложной конструкции в известной
степени снижает преимущества нижнего привода. Указан*
ные ограничения в проектировании мешалок могут быть
преодолены также при создании системы аэрации и
перемешивания без применения мешалок.
КОНСТРУКЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА ДРУГИХ МЕТОДАХ
АЭРАЦИИ И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Рассмотренная конструкция повсеместно
применяющегося в производстве антибиотиков ферментатора имеет
серьезные недостатки. Работа ферментатора
сопровождается большим непроизводительным расходом воздуха:
кислород используется на 5—10%. В отработанном
воздухе, выходящем из ферментатора, содержится 19—20%
кислорода. Полезная работа мешалки по увеличению
межсЬазной поверхности, перемешиванию пограничных
диффузионных слоев и жидкости в колонии очень мала
по сравнению с работой, бесполезно превращающейся в
теплоту. В процессе аэрации образуется пена, на
гашение которой расходуются дорогостоящие пеногасящие
материалы. По указанным причинам, в биотехнологии,
стремятся создать ферментаторы с использованием
новых принципов аэрации для повышения экономической
эффективности аэрации и пеногашения и упрощения
технологической схемы.
.- Использование в промышленности аппарата новой
конструкции рационально в том случае, если этим
обеспечивается повышение выхода продукта, снижение
стоимости аэрации или других затрат на ферментацию.
Полезные изменения конструкции могут привести к сниже-
124
нию продолжительности ферментации, количества
нестерильных операций, расхода пеногасителя и т. п.
Различные системы аэрации (вихревая, засасывание
воздуха мешалкой через полый вал, трубу-инжектор
и т. д.) описаны в работах Чейна, В. В. Кафарова и
других авторов. Эти системы исключают применение барбо-
тера и допускают подачу в ферментатор воздуха под
Рис. 49. Фермента- Рис. 50. Схема ра- Рис. 51. Водово-
тор емкостью 1 м3 боты эрлифта при ротная аэрация
с самоаэрирующей аэрации. (Chain et al.).
мешалкой.
значительно меньшим, чем обычно, давлением. При
получении «кормовых» антибиотиков нашли применение
ферментационные установки, в которых стерильный воздух
подается под крышку аппарата вентилятором (рис. 49).
Затем воздух проходит через полый вал, всасываясь
через отверстие в верхней его части, и диспергируется в
жидкости благодаря разрежению, создаваемому
мешалкой (Е. Р. Валашек, С. П. Смиренский, Р. Д. Сойфер).
Обосновывая «струйный» принцип аэрации
(диспергирование воздуха в жидкости, проходящей через инжектор),
И. Д. Бойко, С. А. Жуковская и Л. А. Анненкова
показали, что при этом обеспечивается более тонкое
диспергирование воздуха, чем при аэрации через барботер, и со-
125
■r?v
fi:.
ответственно достигается большее развитие поверхности
контакта жидкой и воздушной фаз.
В посевных аппаратах емкостью до 2 м3 при малой
концентрации мицелия иногда осуществляют аэрацию одним
барботажем воздуха без механического перемешивания.
Для пневматического перемешивания жидкости в
посевных аппаратах может быть применен эрлифтный
подъемник, обеспечивающий циркуляцию жидкости в аппарате
(рис. 50).
Вихревая («водоворотная») аэрация осуществляется
в аппаратах без отражательных перегородок и
внутренних труб. Абсорбция кислорода происходит через
поверхность воронки, образующейся в жидкости, которой
сообщено вращательное движение (рис. 51). В этих условиях
мощность пропорциональна числу оборотов мешалки в
первой степени. При увеличении емкости аппарата
удельная поверхность воронки уменьшается, поэтому данная
конструкция пригодна для аппаратов малой емкости.
Для перемешивания при ферментации в колбах
применяются специальные конструкции, представляющие
собой каркасы с гнездами для колб — так называемые
качалки. С помощью ферментации в колбах,
встряхиваемых качалками, на предприятиях производят контроль
качества отдельных партий нестандартного сырья, ис-
• пользуемого в питательных средах (например,
кукурузного экстракта), проверяют пригодность посевного
материала и выращивают посевной мицелий из спор.
Помимо этого, на качалках проводится значительная часть
экспериментальной работы по селекции штаммов,
совершенствованию питательных сред, изучению физиологии
продуцентов и кинетики ферментации. Преимущество
качалок перед лабораторными ферментаторами с барботе-
ром и мешалкой заключается в том, что в них можно
одновременно поставить много параллельных опытов (50—
200 колб на одну качалку) при малой затрате реактивов
и простом обслуживании. Недостатком ферментации на
качалках является малый объем культуральной жидкости
в колбе (30—70 мл в колбе емкостью 750 мл) и
невозможность моделировать аппараты с барботерами и
мешалками ввиду различия принципов аэрации и
перемешивания.
Аэрация в колбах осуществляется через зеркало
жидкости по принципу водоворотной аэрации, но без
мешалки, при поступательном движении колбы по окружности.
126
■[л-)
Поступление кислорода осуществляется йутеМ его
естественной диффузии через ватную пробку или
специальный колпачок. По сравнению с окружающим воздухом в
колбе создается пониженное парциальное давление
кислорода.
Для ферментации в
колбах используются две
конструкции качалок;
подвесная и укрепленная на
полу. Более новой
является подвесная
конструкция, прикрепляемая к
потолку лаборатории
тросами (рис. 52), Качалка
приводится в движение
электродвигателем М,
движущимся вместе с
качалкой, который вращает
с помощью шкивов Ш\ и
Ш2 и ременной передачи
между ними маховик-
эксцентрик, у которого
большая масса т
сосредоточена односторонне.
Центробежная сила
инерции массы вызывает такое движение каркаса, когда все
его точки перемещаются параллельно, описывая
окружности с радиусом г. Из опыта работы качалок известно,
что для аэрации большинства культуральных жидкостей
в колбах достаточно 200—220 круговых циклов в минуту
при г = 0,025 м.
Приближенный расчет качалки, выполненный в ЛХФИ
Е. А. Назаровым, позволяет проанализировать движение
качалки и определить величину эксцентричной массы,
центр тяжести которой удален от оси вращения
маховика на расстояние е метров.
Внешние силы, приложенные к качалке, состоят из
тяжестей, реакций тросов, центробежной силы инерции
детали т и сопротивления воздуха. Их можно принять за
систему сил, сходящихся в точке С, являющейся центром
массы материальной системы качалки. Нетрудно
доказать, что для данной конструкции точка С близка к
геометрическому центру качалки. Благодаря такому
положению этой точки тросы нагружены почти одинаково и
127
77777777777777777777777777777777
Рис. 52. Схема подвесной качалки.
'рь"4-
>■+****+
■ "y*MH4iM**ps*V4r **ящф»<А№Ь"*-*1ф^-,**Щ*-е
J
Поэтому могут быть teopeTH4eckH заменены гибкой нё-
растяжимой нитью, проходящей через точку С. Если
внешние силы материальной системы сходятся в ее
центре массы, то эта система движется поступательно. В этом
случае все точки системы движутся точно так же, как и
ее центр массы. На этом основании ограничимся
исследованием движения точки С. Напишем
дифференциальные уравнения ее движения в следующем виде:
ткхс = Рх; ткус = Ру\ т^гс = Pz.
Масса и вес качалки связаны зависимостью mk = G/g.
Для нахождения остальных величин, входящих в эти
уравнения, воспользуемся правой системой
прямоугольных декартовых координат Ох, Оу и Ог (рис. 53). За
начало О этой системы примем положение точки С в началь-
Рис. 53. К расчету подвесной качалки (Е. А. Назаров).
ный момент, ее движения, направив ось Ог вертикально
вверх, а ось Ох так, как направлена сила инерции Ри
массы т в тот же момент. В произвольный момент гнить
А С длиной / находится под yi лом «у к оси Ог, а верти-
128
КЁЛьная плоскость ОАС составляет угол а с
координатной плоскостью хОг. Координаты ,vc, Ус и гс точки С
связаны с величинами 1, аи-у следующими зависимостями:
хс = / sin y cos a;
j/c = / sin у sin а; гс = /(1 —cos Y)*
Перемещения точки С предполагаются малыми
сравнительно с длиной I нити. Ввиду этого модуль R реакции К
нити можно принять за постоянную величину, равную
весу качалки: R = G. Проекции силы R на оси Ох, Оу и Ог
можно найти по следующим формулам:
/?х = — R Sin y cos a;
/?у = — R sin y sin а; Rz — R cos Y-
Предположим, что шкив Ш\ радиусом Г\ вращается
равномерно, делая п\ об/мин. Угловая скорость этого
шкива:
ш1=
30
а угол поворота его cpi —«it. Шкив Ш2 радиусом г% вра
щается равномерно с угловой скоростью:
и>2
30 г2
и угол поворота его ф2 = согт. Если центр тяжести С0
массы т удалей от оси вращения шкива Ш2 на расстояние
е, то центробежная сила инерции ее равна:
Рп = теы22.
Проекции силы Рп на оси Ох, Оу и Ог имеют следующие
величины:
Ли = Ри cos <p2; Puy = Л sin cp2; Puz = 0.
Скорость точки С мала, около 4 км/час, поэтому модуль
Рс силы сопротивления воздуха Рс можно вычислять по
формуле Рс = -Кс£>с, гДе vc — модуль скорости этой точки,
а Кс — коэффициент сопротивления воздуха, который
может быть найден для качалки экспериментально.
Проекции силы Рс на оси Ох, Оу и Ог находим по формулам:
Лх ~ — Ас#с» *су == *м:Ус> *cz ~ Кс%с •
9 К. Г. Федосеев 129
- linn i fr'rW ifi iidfltt-rmr и rifrniT--- Ч_.^Л_ ^„^ ^„.:^^LT№k.^SL„-&£^.&uLd.^ft*&b ..■.'■Л'^.ЛУ.&.%А*Уа>_ J.. " V. a\, ^ '. . >.'... ц|^» . '■ '■*" - * T ' -"
' Ч~
[?-.£ы.£ £.&'"-
Kr'i
ISM
i ■
i
Сила G имеет следующие проекции на те Же оси
О.
Имея в виду, что
О, + Rx + Pux + Рсх;
Gy + Ry + Риу + Рсу;
Ог + Rz + Puz + Pcz,
преобразуем записанные выше дифференциальные урав
нения к следующему виду: '
хс + 2qxc + k2xc = h cos px\
Ус + 2#yc + k2yc = h sin p%;
. zc + 2q'zc + k2zc = 0.
Здесь
Л
/t'
Tl/I^i .
30r.
; A
/n
/Wl-
ep2\ q
К
2mK
Вынужденные колебания качалки выражаются
частными интегралами первого и второго уравнений со
свободными членами, которые имеют следующие величины:
хс = г cos [рх — s)\
Ус^г sin {111 — s).
Здесь
и
v&
-; tg s =
P2 _|_ 4g2;j2
2gP'
ft3—p2
Исключив т, находим следующее уравнение траекто
рии точки
Эта траектории — окружность радиусом г. Такие же ок
ружности описывают все точки качалки.
При
х. I . _
* 2
130
имеет место резонанс. В этом случае величина г
достигает наибольшего значения, которое равно:
h
г
max
2qV &
q*
Если пренебречь сопротивлением воздуха, то
h
г = ,
ft2— p2
и резонанс имеет место при р = £. Здесь rmax — oo.
Зная тК) т, в, пь п и г2, можно найти г при /гс = 0. При
известном г эксцентричная масса т находится по легко
выводимой из предыдущих уравнений формуле:
900т
т
*а
Ъ*П*.
900
те^По3
где тк — масса качалки, кг; / — длина троса, на котором
подвешена качалка, м; я2'—число оборотов маховика,
равное числу «оборотов» качалки, об/мии.
Конструкция качалки должна предусматривать
возможность регулирования величины е или т для
изменения скорости аэрации при изменении условий диффузии
кислорода через пробку или условий абсорбции
кислорода через поверхность жидкости. Такое регулирование
потребуется и для сохранения постоянства г при
изменении количества колб на качалке, влияющих на
величину ее массы.
Скорость аэрации на любой качалке увеличивается с
увеличением скорости ее движения, радиуса г, при
уменьшении объема жидкости в колбе, высоты ватной пробки
и при использовании колб с отражательными
перегородками. Можно ожидать усиления диффузии кислорода
через ватно-марлевый колпачок при наклонном крае
горла колбы: при движении колбы в сторону обреза
происходит слабое сжатие воздуха в колбе, при
противоположном движении в колбе создается слабое разрежение.
Колебания давления способствуют диффузии газа.
ЛИТЕРАТУРА
Артамонов И. М. и др. Автоматическое регулирование процесса
ферментации. М. Изд. ЦБТИ," 1957.
Бойко И. Д., Жуковская С. А., Анненкова Л. А. Мед.
пром., I960, 10, 13—15.
9* 131
И-.
% ';
1^ к
^
Валашек Е. Р., Смиренский С. П., Сойфер Р. Д.
Ветеринария, I960, 12, 59—62.
До линии Н. П. Нагревательные элементы в реакционных
аппаратах (в химических производствах). М. Изд. Машиностроение, 1967.
Мамуня А. У. Усовершенствование аппаратуры и автоматизация
производства кормовых антибиотиков. Киев. Гостехиздат УССР
1962.
Р у б а и Е. А. и др. Антибиотики, 1966, 1, 82—92.
Румянцев В. И. и др. Мед. пром., 1965, 1, 38—41.
Сойфер Р. Д. и др. Мед. пром., 1963, 2, 25—29.
Сойфер Р. Д. и др. Хим.-фарм. жури., 1967, 6, 50—53.
Ф ед о с еев К. Г. и др. Мед. пром., 1961, 1, 34—38.
Федосеев К. Г., Шевченко А. П. Мед. пром., 1963, 4, 25—30.
Brit. С hem.
Bungay H. R.
L en g у е 1 Z. L.
Schultz J. S.
Siegell S. D.
Eng., 1966, 11, 11, 41-47.
Biotechnol. Bioeng., 1963, 5, 1, 1-
Biotechnol. Bioeng., 1965, 7; 1, 91-
Appl. microbiol., 1964, 12, 4, 305-
et al. Biotechnol. Bioeng., 1962, 4,
7.
-100.
-310.
3, 345—356.
***»=»*$ ЭД(
-. ч*'/*?-
w** mffgUmVi i ^.ч^тщ^^шт^т'*тш^*ттт
IV
r
СТЕРИЛИЗАЦИЯ ВОЗДУХА
ВЫБОР МЕТОДА ОЧИСТКИ
Стерильный воздух используется для аэрации культу-
ральных жидкостей, для распылительной сушки
некоторых препаратов, а также для вентиляции помещений
цехов готовой продукции, микробиологических боксов,
операционной вивария и т. п.
Стерильности воздуха можно достигнуть либо
удалением микробного аэрозоля из воздуха различными
методами, используемыми в технике газовой очистки, либо
методами антисептики, т. е. уничтожения микробов без
удаления их тел из воздуха. Второй путь более сложен
и менее экономичен из-за стойкости спор микробов в
воздухе к высокой температуре и ионизирующим
излучениям.
Специфика очистки воздуха от микробного аэрозоля
состоит в следующем: требуется очищать воздух от всех
живых частиц с размером 1 мк и менее приблизительно
на 99,99999999%. Эти требования заставляют сразу
забраковать все наиболее распространенные в химической
технологии методы газовой очистки. Большинство
методов неэффективно, так как одни из них (седиментация,
механическая фильтрация, инерционные и центробежные
методы) обеспечивают удаление лишь грубых частиц,
другие (например, применение электрофильтров)
позволяют очистить воздух в одном аппарате не более чем
на 85—99% или связаны с внесением в воздух
нестерильного водяного тумана (аппараты мокрой
очистки).
Для тонкой очистки воздуха путем удаления
микробного аэрозоля наиболее прост и экономичен метод
пропускания воздуха через толстые слои зернистого
(активированный уголь) или волокнистого (хлопковая,
стеклянная, шлаковая вата) материала или через специальные
картоны и полотна из тонких синтетических волокон.
Механизм очистки воздуха с помощью этих материалов
отличается от механической фильтрации.
133
■*"4*W*(j4fr*» ■
mmm#w*j^^rm< **1********т*
^г *
ю .--'*-
t"L
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОСАЖДЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
&
Коэффициент осаждения
Фильтры, которые действуют как сита, создают
большую потерю давления воздуха и очень быстро
забиваются. Используемые на практике воздушные фильтры
имеют большую пористость и расстояние между
элементами насадки в них значительно больше размеров уда-
Споры бактерии
Рис. 54. Соотношение размеров микробов
и пор насадки из стеклянной ваты
(dh = 20 мк).
.<■
**t-V
ляемых частиц. Например, волокна стеклянной ваты в
среднем имеют диаметр около 20 мк. Объемная доля
волокна в производственных насадках обычно около
0,1. Средние расстояния между волокнами в 3 раза
больше диаметра волокна, т. е. равны 60 мк, а размеры
микробных тел колеблются от 0,3 до 7 мк (рис. 54).
Почему же в этом случае частицы не проходят через
фильтр? Механизм задержки изучен лишь для
волокнистых фильтров, на примере которых будет рассмотрен
процесс осаждения аэрозолей. Аэрозоли задерживаются
на волокнах в результате инерционного осаждения,
седиментации, действия электростатических и ван-дер-вааль-
совых сил и т. д.
На гранулированных материалах механизм задержки
почти не изучен (см. ниже).
Волокнистый фильтр состоит из отдельных волокон
цилиндрической формы, расположенных перпендикуляр-
134
но направлению потока газа на расстояниях, значительно
больших, чем диаметр частиц. Каждое волокно
задерживает частицы в первом приближении самостоятельно.
Поэтому необходимо сначала рассмотреть элементарный
процесс — улавливание частиц отдельным
изолированным волокном в виде цилиндра бесконечно большой
длины, а затем следует учесть влияние соседних волокон.
Рис. 55. Найденные по уравнению гидродинамики вязкого
потока линии тока, обтекающие цилиндр при ReB = = 20.
Положение линий тока в невозмущеином потоке показано
короткими линиями в начале и конце (Thorn).
При соприкосновении аэрозольной частицы с волокном
она задерживается на нем благодаря ван-дер-ваальсо-
вым или электростатическим силам и удаляется из
потока газа.
При обтекании воздухом волокна в производственном
фильтре величина Re = vodBp/[i из-за малого диаметра
волокна dB и небольшой скорости вблизи волокна v0
обычно бывает невелика (порядка единицы), поэтому
поток является ламинарным. Если в такой поток выпустить
тонкие струйки дыма, то можно наблюдать
микроскопическую картину обтекания цилиндра газом (рис. 55).
Траектории этих струек дыма являются линиями тока.
Линии тока никогда не пересекают цилиндра. Центры
аэрозольных частиц движутся по линиям тока, если
предположить, что частицы лишены массы и на них не
действуют внешние силы.
Удаление частиц из потока выражается количественно
через коэффициент осаждения г\0. Коэффициент осажде-
135
НйЯ tj-o йа изолированном цилиндре (или ином теле)
определяется как отношение части площади набегающего
потока, из которой частицы удаляются данным цилиндром,
к площади проекции цилиндра на плоскость,
перпендикулярную направлению потока. Для круглого цилиндра
Рис. 56. Поле течения при потенциальном (а) и
вязком (б) обтекании шара (Лэмб).
коэффициент осаждения равен отношению ширины
набегающего потока, освобождаемого от частиц, к диаметру
цилиндра. Или, иначе, коэффициентом осаждения
называется отношение числа осажденных на обтекаемом теле
частиц к числу частиц, центры которых прошли бы через
тело, если бы двигались все время прямолинейно. Для
нахождения т]о следует определить крайние траектории
частиц, на которых центры частиц еще соприкасаются
с цилиндром.
Для упрощения задачи часто оказывается полезным
изучать обтекание цилиндра потоком идеальной, т. е.
лишенной вязкости, жидкости. Такой поток называется
потенциальным. Свойство несжимаемости, также
приписываемое идеальной жидкости, характерно при фильтра-
>J36
ции аэрозолей также и для реальных газов, поскольку
сжимаемость среды начинает сказываться лишь при
скоростях течения, сравнимых со скоростью
распространения в среде механических импульсов, т. е. со скоростью
звука. Потенциальный поток характерен тем, что
жидкость, огибая цилиндр без трения, приобретает
повышенную скорость благодаря увеличению длины проходимого
пути, вследствие чего ближайшие к цилиндру линии тока
сближаются. При вязком обтекании жидкость у
поверхности тела, благодаря трению об нее, образует
гидродинамический пограничный слой с пониженной скоростью
движения. При этом линии тока у поверхности тела
сближаются слабо (рис. 56).
Реальные газы при больших скоростях потока
(порядка десятков метров в секунду) и малых вязкостях,
т. е. больших /?е„, практически обладают свойствами
потенциального потока, а при малых скоростях (ReB<20)
обтекают препятствие как вязкие потоки. Коэффициент
осаждения в потенциальном потоке выше, чем в вязком.
Определим величину коэффициента осаждения отдельно
для каждого механизма.
Инерционное осаждение
Линии тока до цилиндра прямолинейны. Когда поток
приближается к цилиндру, линии тока начинают
изгибаться на некотором расстоянии до цилиндра. При
/?ев = 0)2 это расстояние равно 100 диаметрам волокна
dB. С увеличением ReB это расстояние сокращается.
Аэрозольная частица, обладая некоторой массой, при
искривлении потока будет, благодаря инеоции, меньше
отклоняться от прямолинейного направления движения.
Она выйдет из линии тока, сместится по отношению к ней.
Величина смещения определяется инерционным пробегом
частиц 1и. Частицы, траектории центоа которых пересекут
цилиндр, столкнутся с ним (рис. 57) и будут удалены из
потока газа.
Для определения инерционного пробега /„ рассмотрим
свободное движение частиц с диаметром d в
сопротивляющейся среде при отсутствии силы тяжести и других
внешних сил. Начальная скопость частицы v0. При
условии малой величины Re = vdp/]x движения частицы
справедлива фопмула Стокса, если диаметр частиц больше
длины свободного пробега молекул. Для микробных ча-
137
стиц с диаметром около 1 мк формула Стокса дает
ошибку в 10%, что удовлетворяет требованиям
технологических расчетов. По формуле Стокса сила
сопротивления среды для движения шарообразных частиц
пропорциональна их диаметру и скорости.
F,
3n\idv.
^а
У.
*1
*
■v
Рис. 57. Инерционное осаждение частиц на
изолированном цилиндре диаметром dB = 20 мк. Исходная скорость
t>a= 0,25 м/сек; А — траектория частицы диаметром d = 5 мк,
столкнувшейся с волокном; В и С — траектории частиц
d ~ 5 мк и d = 3 мк соответственно, минующих волокно
(Silverman).
Дифференциальное уравнение движения частицы в
сопротивляющейся среде при малых Re, согласно
основному уравнению динамики, есть
т — = — 3Tzpdv.
dx
Делим уравнение на т — массу частицы и получаем
dv
dx
+
v
т
Zmid
dv . v
dx т.
0,
(12)
где
т
Ъъ\хй
Tlrf^p
6 • Ъщъй
d2p
Щ
W
Интегрируем (12)
v j
Г J^L
J V
г'о
v^=v0e p. (13)
Величина тр имеет размерность времени. Если принять
ее за единицу времени, то уравнения движения
аэрозольных частиц принимают более простую форму. Примером
служит уравнение (13), а также уравнение стационарной
скорости vc падения частицы. Эту скорость частица
приобретает в тот момент, когда сила сопротивления среды
становится равной силе тяжести mg.
3K\hdvc = mg\ vc = *pg.
Согласно уравнению (13), в момент времени т—тр
скорость частицы в е раз меньше первоначальной. тр
называют временем релаксации. tp очень мало, порядка
3 -10~6 сек. для частиц диаметром 1 мк. тр представляет
собой основную характеристическую величину в
механике аэрозолей. Путь, пройденный частицей, находим из
уравнения (13):
т
dx
dx
Л -^ wmm к.
v0e тр ; Г dx = v0 Г е тр dx;
x = vQ<zp{\-e tp). (14)
Частица остановится (v = 0), согласно уравнению 13,
при т=оо. Максимальный путь, который частица
пройдет до остановки, по уравнению (14), равный
называется «инерционным пробегом» частицы с
начальной скоростью 0О. При скорости 1 м/сек /и для микробных
частиц имеет порядок 3 ■ 10~6 м.
Из теории подобия следует, что для двух подобных
систем, обозначенных индексами 1 и 2, отношение
длительностей обтекания волокон с диаметрами d\ и d2 постоянно
и равно константе подобия
139
г
-!!
:;
^-.--EL ____?. __const.
Поскольку t равно отношению пути к скорости, а путь
частицы вокруг волокна пропорционален его диаметру,
то
с-,
cd
в
cv0
Отсюда
тр1 _ ^в1%>
tp2 ^В2^01
const,
или
Tml>
Hl^i- =. -2__ = const = Stk.
dBi dB2
Постоянство числа Стокса Stk характеризует подобие
движения частицы близ волокна с участием сил инерции,
а вместе с постоянством числа Яев = и0йвр/\х
характеризует подобие движения двух аэрозольных систем. Число
Стокса равно отношению инерционного пробега частиц
к диаметру волокна:
Stk == ^°тр _= -Ь- — ^о**аРч
dB dB 18^.dB
Коэффициент инерционного осаждения грубо
приближенно пропорционален числу Stk при Нев<0>5 и Sik<lO.
Инерционное осаждение, как это следует из выражения
для 6'*я и физической сущности процесса, усиливается
с увеличением скорости и0 диаметра d и плотности
частицы рч, оно уменьшается с ростом вязкости жидкости,
препятствующей инерционному пробегу, и диаметра
волокна йъ вследствие уменьшения кривизны линий тока
вблизи цилиндра.
Касание
л
л
При рассмотрении инерционного механизма мы
принимали, что частица осаждается в той точке, где
траектория ее центра достигает поверхности цилиндра. В
действительности столкновение наступает и в тех случаях,
когда траектория частицы проходит от поверхности
цилиндра на расстоянии, меньшем радиуса частицы. Этот
140
эффект называется касанием. Касание увеличивает
результативность инерционного и других видов осаждения,
благодаря увеличению ширины потока, из которого
удаляются частицы (в поперечном сечении, совпадающем с
диаметром волокна). Прирост величины коэффициента
осаждения Дт]о под действием касания увеличивается с
увеличением диаметра частицы и уменьшением диаметра
волокна. Определяющим критерием, характеризующим
касание, является симплекс R = dfdB. При отсутствии
внешних сил центры частиц движутся по линиям тока,
интервал между которыми близ волокна при вязком
обтекании приблизительно такой же, как в большом удалении
от волокон (см. рис. 57). При действии же других
механизмов интервалы между траекториями частиц у
поверхности цилиндра малы, траектории сближаются и это
приводит к резкому усилению осаждения при
дополнительном действии касания: А'По>'Пок. Поэтому при
комбинированном действии касания и какого-либо другого
механизма коэффициент осаждения значительно больше
суммы коэффициентов осаждения касания и другого
механизма. В связи с этим по всем механизмам, где это
возможно, следует рассчитывать комбинированный
коэффициент осаждения. Это не приводит к завышенным
результатам при вычислении общего коэффициента
осаждения.
Для вычисления коэффициента осаждения т]0ик при
комбинированном действии инерции и касания следовало
бы решить дифференциальное уравнение движения
частицы около цилиндра при малых ReB. Это уравнение
выводится из основного уравнения динамики при
отсутствии внешних сил, кроме силы трения
т —— = Fc = — 3Tzpd(vx — их).
dz
Аналогичное уравнение записывается для скорости vy.
Сила трения газа, выраженная с помощью закона Стокса,
обусловлена разностью скоростей частицы vx и газа их-
Делим уравнение на т и записываем m/3jt|xd = tp, в
результате чего получим
dvx их — f х # dvy «у — vу
— ———————— ^ _____ — __,,, , в
di ip d% ip
Для определения скоростей газа, необходимо
совместное решение указанных уравнений с гидродинамическими
141
ц -
I' Л '
V"
уравнениями Лэмба для обтекания цилиндра вязкой
жидкостью. Уравнения записаны в полярных координатах.
Радиальная составляющая скорости
vT= CL
1
r-
21п —
cos9.
Тангенциальная составляющая скорости
VQ ™ CL
1
'в
где г—радиус-вектор; cL
Г2
Ст =
21п —
''в j
^0
sin О,
и0 — скорость
2(2,002—1п/?ев)
в направлении 8=0 вдали от цилиндра, а начало
координат находится в центре цилиндра. Уравнения для
координаты z отсутствуют ввиду того, что длина цилиндра
принимается бесконечно большой и решается плоская
задача. Решение этой системы уравнений невозможно
обычными математическими методами (хотя возможно
приближенно с помощью математических машин). Поэтому
обычно прибегают к приближенному методу вычисления
одной крайней траектории центра частицы, которая
пройдет от волокна на расстоянии радиуса частицы. Такая
траектория вычисляется для каждого из нескольких
размеров d/dB частицы и для нескольких ReB. Для этого
разбивают на малые отрезки траекторию частицы от очень
удаленной точки, где поток еще не возмущен
присутствием волокна и частицы движутся со скоростью и0, до
оси у. Допускают на каждом интервале времени
прямолинейное движение частицы и постоянство скорости
среды wXi. Начав с точки, где vx = v0l последовательно
вычисляют для обеих координат положение и скорость
частицы в начале 1-го, 2-го, 3-го и т. д. интервала. Такие
расчеты выполнены Девисом при #ев = 0,2 и 10, а также
при потенциальном течении (/?ев= 1000) (рис. 58—60).
I
■ ■
Диффузия
Микробные частицы, будучи достаточно мелкими,
обладают броуновским движением и диффундируют из линий
тока в случайном направлении. Если миграция частицы,
проходящей вблизи волокна, произойдет в его сторону,
то наступит осаждение частицы. Эффект диффузионного
осаждения усиливается при уменьшении скорости газа,
142
о
8
10 20
h0 60
80
Рис. 58. График для расчета Т1оик при Reb — 0,2 (Davies et al.).
»- г^ ., _
1Л
0,8
ол -.
о
Ч-
8
/о го зо
StH
iJnc. 59. График для расчета г)оик при ReB = 10 (Davies et al.).
1Л
08 -
M
0
8
10 20 30 40
Stn
Рис. 60. График для расчета коэффициента инерционного
осаждения и касания т)0Ик при потенциальном обтекании,
Re^ = 1000 (Davies et al.).
в этом случае частица проводит больше времени вблизи
волокна.
Г. Н. Натансон при решении дифференциального
уравнения диффузии на перпендикулярный .потоку круглый
цилиндр строго вывел уравнение для диффузионного
Коэффициента осаждения
2,3 / Cl W3
"Чод =
где Ре
Vcsdn
2D
бр
А#з \ v
критерий Пекле; D6p
кт
Zn\id
коэффициент броуновской диффузии (Эйнштейн); К —
константа Больцмана. Раскрывая значение Cl и Ре> получим
*]
2,3
2D
од
бр
2/3
[2(2,002 -1пЯев)]1/з \ v0d&
Уравнение Г. Н. Натансона использовано ниже для
теоретического анализа, Для практических расчетов т^одк и
т]ок более широкие возможности создает приближенный
расчет, выполненный Лэнгмюром.
Лэнгмюр принял, что на обтекаемом цилиндре
осаждаются частицы, движущиеся по линиям тока, в среднем
отстоящим от поверхности цилиндра на расстоянии х,
равном среднему броуновскому смещению,
определенному Эйнштейном статистическим методом:
4D6px V/2
X
тс
где т — длительность обтекания частицей волокна между
точками а и Ь (рис. 61). Это расстояние в плоскости
б =90° рассчитано Лэнгмюром с помощью формул Лэмба
для обтекания цилиндра и указанной формулы
Эйнштейна и равно .
*о
d
1
2
1,12
D
бр
/
Cl rfi
(15)
осажде-
вблизи
Эта величина (x0ldh) не равна коэффициенту
ния, потому что скорость газа сильно меняется
поверхности волокна.
Объемная скорость Q м3/сек потока, ограниченного в
плоскости б =90° координатами г = гв и г = гв+х0 на
единице длины цилиндра, находится интегрированием (по
причине указанной изменчивости скорости):
144
V- '
■>.««w. m*tm*-**m*Wm '
*"W*\ '
г»+*о
Q
f щ dr,
го
где ио —тангенциальная скорость при
нений Лэмба при sin 90°= 1 получаем
г
6 = л/2. Из урав-
в
/
Q = C
L
L.
2 In
+ 1
\
S»;
в
Г1
Г*
dr.
Рис. 61. К расчету диффузионного осаждения
аэрозольных частиц.
После интегрирования и ряда алгебраических
преобразований уравнение приобретает следующий вид:
Q^CLr
в
1 +
2х
о
d
+
в
+
1
i +
2*о J
d
В
Л. М. Левиным доказано, что при отсутствии инерции
концентрация аэрозолей вдоль траектории частиц
постоянна, независимо от формы траектории. Поэтому
коэффициент осаждения можно определить не только
отношением количества частиц, как указано выше, но и
отношением секундного объема газа, освобождаемого на
цилиндре от частиц, к расходу газа через проекцию
цилиндра на плоскость, перпендикулярную потоку.
Отношение Q к расходу газа через половину площади проекции
цилиндра с длиной, равной единице, дает величину
коэффициента осаждения:
*1
од
о
rv
2(2,002
2 1 +
2£о'
In 1 +
2х
о
dn
+
1
1 +
2£о J
d.
J0 К. Г- Фсдодеея
VJ
Поправка 1,7 устраняет неточность уравнения Лэнг-
мюра по сравнению с точным уравнением Г. Н.
Натансона: уравнения преобразовываются одно в другое и сов
падают с введением указанного коэффициента.
Уравнение Лэнгмюра можно истолковать как уравне
ние для коэффициента осаждения касанием, если тол
г г
т-гт
т—п"г
■ i
ТТ
т-гт
1Q'5 Z '/' 6 !0'¥ 2 Ь 6 W'3 2 h В /О'2 2 h 6 /0'! 2 b в 1
D
'&.
М.
в
Рис. 62. График для расчета комбинированного осаждения
диффузии и касания при Reb = 0,01 (Чэн).
щину слоя х0 заменить на радиус аэрозольной частицы,
движущейся при отсутствии других механизмов
осаждения по линиям тока. В этом случае в уравнение вместо
величин 2*сД/в наД° подставить d/dB = R, в результате
чего получаем уравнение
т1ок
1.7
2^2,002—In Re0)
2(\ + R)ln(l + R)-{l+R) +
+
1
l+Ri
Уравнение Лэнгмюра позволяет вычислить также
коэффициент осаждения при совместном действии диффузии
и касания. В этом случае частица захватывается
цилиндром, когда ее центр приближается на расстояние d/2 к его
поверхности. Толщина слоя, остающегося для диффузии,
146
При этим равна Хо — d/2, а не х0. Соответствующая под
становка в уравнение (15) дает:
1
в
0,14
D6
х0^
Cbd
В
В
где х' — эффективная толщина слоя при б = я/2, из
которого частицы удаляются благодаря совместному
действию диффузии и касания. Комбинированный
коэффициент осаждения вычисляется по уравнению (15) при
подстановке вместо 2x0ld0 величины 2x//d0. Для ReB =
= 0,01 величины г\от вычислены и приведены на рис. 62.
Седиментация
Для горизонтального волокна, расположенного поперек
потока, коэффициент осаждения седиментацией равен
отношению скорости седиментации vc к скорости потока
Vq. Скорость седиментации найдена ранее равной g*tp.
Поэтому
Vr ятп gd?pn
ч
ОС
V
о
£2р
18.J.U0
Для цилиндра, наклоненного к горизонту под углом 6
и расположенного поперек потока, необходимо умножить
приведенное уравнение на cos 6. Седиментация
эффективна только при малой скорости и уменьшается в
квадратичной зависимости с уменьшением диаметра частиц.
Электростатическое притяжение
Этот вид осаждения возможен в том случае, если
частица или волокно несут электрический заряд любого
знака либо оба тела имеют разноименные заряды. В
отличие от предыдущих рассмотренных механизмов
электростатическое осаждение возможно на всей поверхности
волокна, благодаря действию радиальной силы
притяжения, действующей на частицу.
Ограничимся рассмотрением случая, когда заряжены и
частица, и волокно. Заряд аэрозольных частиц
атмосферы q (кулоны) известен гораздо лучше, чем заряд
волокна. Он возникает при диффузии атмосферных ионов
в частицы и зависит от температуры и диаметра частиц.
10
147
Количество положительных и отрицательных зарядов
приблизительно одинаково:
q+~q_=: 1,6 • 1(Н» YvdhT.
Электрический заряд волокон весьма неопределенен и
зависит от материала волокна, метода его производства
и условий хранения. По данным Жиллеспи, заряды Q
единицы длины примененных им волокон колебались в
пределах (0,007-М) - 10~10, в среднем Q = 0,3 • 1(H° к/м.
Информацию о зарядах волокон следует искать в
публикациях по текстильному производству.
Коэффициент электростатического осаждения
определяется без вычисления предельных траекторий частиц.
Он, очевидно, равен:
^сек псек
Cn Ксек Cn VQdQ
где пСек — секундное количество осаждаемых частиц;
Cn — концентрация частиц в потоке до цилиндра, 1/м3;
УСек=Ио^в — Расх°Д газа через проекцию волокна
единичной длины на плоскость, перпендикулярную потоку.
При действии соленоидального электрического поля на
элементе поверхности цилиндра dS оседает за секунду
количество частиц dnCeK="C^v4ds, где Cn — концентрация
частиц в потоке газа, одинаковая у поверхности волокна
и вдали от него (по теории Л.М. Левина); v4 — скорость
движения частицы под действием нормальной к
поверхности силы электростатического притяжения Fn.
Заменяя v4 = BFUy где В м/сек • н — подвижность частицы —
отношение скорости частицы к силе, действующей на
частицу, получим
dnc&K = Cn BFnds.
Интегрируя по всей поверхности цилиндра с длиной,
равной единице, получим
^сек = Cn В \ Fnds.
Напряженность электрического поля Еп в какой-либо
точке есть сила, действующая со стороны поля на
единичный электрический заряд. При заряде частицы q сила
148
^
Из теоретической физики известно, что
Ends = 4uQ.
Отсюда
nceK = 4-KC^BQqt
Подставляя в уравнение коэффициента осаждения,
получим
__ 4tiBQ<7
**Зоэ — .
Подвижность аэрозольных частиц в воздухе 5 зависит
только от диаметра частиц (рис. 63).
В некоторых случаях целесообразно применять
искусственное электрическое поле с помощью сетчатых
электродов, заложенных в насадку. Такое поле значительно
более эффективно, чем поле естественных зарядов. Для
частиц, несущих электрический заряд
EvqB ( гс— 1 , 1
£nqB+v0 \ ес -j- 1
где ес — диэлектрическая постоянная волокна.
Действие ван-дер-ваальсовых сил
Наряду с электростатическим осаждением Г. Н. На
тансон по общей методике рассчитал коэффициент осаж
дения под влиянием ван-дер-ваальсовых сил, действую'
щих между атомами частицы и волокна без учета эф'
фекта касания
Ъ
ван
3,3 • 10-20rfa
1(21002-\n Re Bfv0d^\x J
V.
Формула справедлива при условии
3,3 . 10-20В . /?з
■в " 2,002 —In Re
в
Общий коэффициент осаждения
Для общего коэффициента осаждения на
изолированном волокне известны лишь приближенные решения. Чэн
рекомендует для малых значений Stk и £>бр следующее
149
решение: общий коэффициент осаждения частиц на
изолированном волокне равен сумме коэффициентов
осаждения при комбинированном действии инерции и касания
и комбинированном действии диффузии и касания.
Сравнение опытных данных Хэмфри и Гадена по осаждению
13
2 5 _- 2 5 .- 2 5 _5 2 5 _<, 2 5
10 7 10 Б 10* W
V
ш-
10f2
10й
10w
10 s
108
10 7
10 в
10 s
м*
*
._ 1
-
■
t i
\
t i
\<ч.
" i
■
i i
1 1
10
/
10
-1
1(Г2
/о
10
/о
-з
-4
'S
ю
/о
-е
'7
г,см
10 Э 10 1
Рис. 63. Зависимость подвижности частиц аэрозоля от их
размера (Н. А. Фукс).
спор В. subtilis при скоростях 0,03ч-6 м/сек с расчетами
показывает, что следует суммировать коэффициенты
осаждения по всем перечисленным механизмам без
опасности получить завышенные результаты. Таким образом,
*ь>2>]
01 •
Опытным путем Чэн получил эмпирическую формулу
для коэффициента осаждения в насадке г\а с объемной
долей волокна п
Уравнение обеспечивает хорошую точность при а<0,1.
150
Размеры максимально проникающих частиц
Из приведенных выше уравнений следует, что
инерционное осаждение преобладает при высоких
скоростях (порядка > 1 м/сек) и крупных частицах
(порядка > 1 мк), а диффузионное —при малых
скоростях и малых частицах. Очень мелкие частицы (порядка
0,01 мк) осаждаются сравнительно быстро благодаря
диффузии. Процесс аналогичен конденсации пара на
холодной поверхности. Поэтому общий коэффициент
осаждения имеет минимальные значения для частиц
средних размеров и при средних скоростях, когда ослаблены
эти основные механизмы. Иначе говоря, функция
110 = 110 (d) должна иметь минимум при некотором
диаметре частиц d = dMlin. Для каждого значения скорости
существует свое значение dMHH. С уменьшением скорости
ослабляется инерция и усиливается броуновская
диффузия. Это ослабляет осаждение более крупных частиц и
усиливает задержку мелких. В результате dMlin
увеличивается. Аналогично функция т]о=т}о (и0) имеет минимум
при некоторой Уо^Умин потому, что при очень больших
(и0>Ю м/сек) и очень малых (и0<0,01 м/сек) скоростях
коэффициент осаждения приближается к единице.
Величина у мин увеличивается с уменьшением размеров частиц.
Хэмфри и Дейндорфер высказывали предположение, что
Умин близка к критической скорости инерционного
механизма, ниже которой инерционное осаждение
невозможно, как это было видно на графиках Дэвиса. Это
предположение подтверждается опытами указанных авторов,
а также данными табл. 5 (см. стр. 152), полученной
расчетным путем. Вопрос усложняется тем, что на йшт и
имин влияет диаметр волокна. Более толстым волокнам
(ослаблены инерция и касание) соответствует более
высокое значение vmm и dMim. В этом сложном переплетении
взаимных влияний позволяет ориентироваться общее
правило, являющееся выражением принципа Ле-Шателье:
меняя условия осаждения (v0t d и dB), мы сдвигаем имин
или ^мин в сторону, усиливающую ослабленный
механизм.
Опыты ряда авторов и расчеты по представленным
выше уравнениям показывают, что для применяющихся
в настоящее время производственных фильтров
наиболее проникающие микробы — мелкие бактерии
(4=0,2—0,3 мк) и бактериофаги (d = 0,003—0,1 мк).
151
ю
со
а
5
Ч
\о
'
ь
X
сты
ю волокни
ja
о
s
о
с
а
IX част
3
X
О
О CQ
О- О
, * о-
*- S
о •&
X X
[ИСТК
льны
S о
° т
О
О О.
Ь- (Т)
О* «
Л
X ,
о
с
W
«
***
А
о
CQ
X
О
ше скор
^
к
Вли
- *
Q.flJ
су
ат(мм
ст.)
ft, о
,£
.ЛР
^
2
^
н
а
а
F*
i
М
Г*"
1-й
х
м
X
р-
М
о»
&■£
2
» А
^4
^,
г-
II
и
43
Волокно
» <
^
^^^л
S
со
о"
II
43
^*#
стица
и
D4
со ю
о о
о о о
о о
S to
S О СО
#ь ■*
О) о —•
00
00 N
•к *ъ
00 CS О
ю сп
^н oj
Ь ЮСО
(N О О
* № Л
ОО О
со
Tt* LO
О О—«
о о о
о о о
гг гг гг
CSJ —1
(N —i О
— о о
о о о
N OtO
—| —1 CD
OOO
OOO
СО CN Ю
со см —■
о о о
о о о
-
о о о
•■N
о —
оо~
X"
*-*
ft*.
р ■
II
«*
43
олокно
CQ
№
X
**-*
Л
II
43
л
Я"
и-■
D4
—* (N СО СП
о о —• со со —* сч
о о о о со со оо
OOOOOOO
£ LO
СЛ 3 О— — — ~н
. О О О О О
о^;
CD 00 —| 4f
00 LO М CS -н
о оо cs о о о о
00 (N
Tt" LO LO LO
Г- О —« Is- LO CS —<
О СО Tt- (N О О О
О CN тг Ю СП О (N
СП cs) —. ^-i Tf Г- СП
*ь #к #ч *ъ *ц *ъ *ц
OOOOOOO
Г
со со
Ч-тНЮК ^00
О О О О —' —« —«
г* ^ *- *. •* *ь •*
о о о о оо о
со
СО О
о о
OOOOOOO
гг гг гг гг гг
00 LO —
ООтСОО
тГООО
•ч •* »» **
OOOOOOO
гг гг гг
LO h- h- CD CO CD
<о _н -н о о о о
OOOOOOO
#ц Г> № Р № V> ^
ооооооо
гНОЮЮ
N£NOaiOi00G0
-—| — —| О О О О
W «к W *- ^ *- ^
ооооооо
*
CN СО тГ
*ъ #t *ч
ооооооо
о -^
о о *-• ю ю
о"о О О -н —' (N
^
S
II
■ i
CQ
элокно
CQ
■
Ьй
S
со
II
•а
и
:СТИЦ
та
00
О О
о —< to
*ъ #4 «*
о осо
1 ss;
en So
со" со о
со
00
00 (N
Г\ К-
00 CS О
ю
—* -rt* С^
00 Ю О
»■ #ч *-
о о о
(N Ю
оо О СО
#**.•*
о —< со
со
■^ ю о
О О -н
*ъ *>. *>.
о о о
00 СО
«N О
о о
о о о
гг
00 тГ
со о
о о
о о о
гг
г-- со
-н -н О
о оо
о о о
О -^ -н
СО LO LO
*> № #4
о о о
о оо
**и
О—'О
#h м №
О О—«
«
S
СО
II
и
о
Волоки»
со
о
II
•а
<Л
стиц
та
I-*
со
о
о
ООО
00
со а>
о ■* о
#k #h «*
о о ю
00 СО ^н
#ч ^ ^
NOO
-н СП LO 1
СО СО ТР 1
СО тГ -н 1
со — -н I
ООО 1
•* #ъ #ь ■
ООО 1
—< (N -н
*> ■* *^
ООО
■
!|
ООО 1
гг гг гг
(N (N 1
— О 1
о о 1
№ 0* ■
ООО 1
гг 1
Th СО СО
ООО
ООО
#» ^ ^
ООО
СО СО СО
ООО
ООО
*4 ^ ^
ООО
ООО
-и ЮЮ
p'pV
152
**"*V
'^ -<
-.■^,^.-g?Vie4^^^v,'^J^*1*^-"
О •—< LO —ч СО Ю
OOOINTTh
■* ** Г\ № *ъ #
OOOOOO
СО CD CO —< о —«
OOOOOO
S
о
II
•а
о
я
ы
о
о
тГ О
00 СО СО СЧ " —<
м о о о о о
MONO
O(Nt>c0^^
СО <N
S
II
X
н
о
D4
СО -^f —« СЧ тГ С^
О О —< CS CO Tt-
■* #Ъ № «К № ■
OOOOOO
—« <N ^ СО 00 —«
*■ *S Л •* •* ^
OOOOOO
OOOOOO
гг гг гг гг гг гг
о о
оооооо
гг гг гг гг
00 h- СО СО СО СО
оооооо
оооооо
** ^ *к #h r, *
оооооо
i6
OCON
о о ю
ООО
О О
О О
ООО
СЧ -< 00 (N ^
—t О О —* СО СО —
О О О О О —* СО
ооооооо
—« —< <N
ООО
ю
—. со
О (N СО
о осо
СЧ СЧ t*- 00 СО О 00
ОО) NN «N (N «
Ф% «S *v *ь *Ь #ь *
ООООООО
оо со —•
£ (N О О
СО
ООСО— 00СО — -Н
х » *• *■ ж .^».
S(NOO SiNOOO
о
о
X
о
о
со
43
н
о
D4
СП СП 00 00 00
—< о о о о о
оооооо
^ ^
оооооо
— LO (N 00 Ю
О О —' —■ <N
ОООООО
ю о ю ю
«> «ъ ■* «
Ом«^М
*
О CS
ОтГЮ
—< СО СП
О О —«
I!
я
43
О
X
О
о
ООО
Ю —■ Г^
СЧ С4- СО
cs о о
ООО
ООО
II
4|
л О О СО —< С-- СП Ю
О О t^COCO г-,
И TftD
о
,2 со с^со о тг
CQ «ococooo^fO
О О О О О —« (N
#ь *ч #к #ь *к *>. *
ооооооо
-н —' (N
ООО
СО -н
о о
о о
ооо
гг
LO
о- г— сп
оо —«
ооо
ю
Г-- С4^ LO СП СЧ ^ СО
«к Г> *к *> »» «к •
ооооооо
ооо
гг гг гг
ооооооо
гг гг гг гг гг гг гг
о о
о* о" о
Чь Чь
гг
-- «N СЧ
* — О
S О О
со о о о
о
Ю ^н
vOO
£ о о
А - .
00
00 Г- СО
ооо
ооо
Фч *> »
ооо
II
43 ___
о о о о о
гг гг гг гг гг
-н СО СО
LO -rf Tj-
ооо
ООО
X
н
о
о
о
о
о
ооо
43
та
х
i~
и
3*
CN CM CN CS (N (N (N
ооооооо
ооооооо
»» ^ *i ** Г\ ФК *
ооооооо
со
о
с
о о
оо
ооо
СО (N (N W CS (N ^н
ооооооо
ооооооо
г* г- г- р г* ^ »
ооооооо
Г- СП
— СП
ооо'
ооо
00 -rf
-н СО тГ Г-
о о о о —<
ооооооо
О (N
•-1 Ю О Ю Ю
О О CS CN СО СО*^*
СО 1^
о •*&
о осо
ООО)
0,012
0,026
0,021
>!■
f
Л
to «
00 О О
(N
й
43
О
X
О
о
СО
*
ооо сч
(N
(N О
О ^ —«
о о —<
ю
с^ t^ en
о о~
ооо
^
со
о'оо
гг
43
X
н
о
Th Th Th
ооо
ооо
ооо
СП 00 Г-
о о о
ооо
ооо
СО
СО
о со
ооо
о са
153
■ ■иЧЩ.!|(1^(чЖч(р**,*^*»чк*»**чр.'*"* ,|- '*Р^^**^ЩВИИ|^^^^| 'L^*j|ipip(4rttl"**,4|f(WffW*TW^^
Расчет высоты насадки фильтра
-£-,г
V.
'5
1
Щ
Рассмотрим в фильтре с объемом насадки 1 м3
элементарный объем dFdH, где F — площадь поперечного
сечения насадки, Н — высота насадки (рис. 64). Принимаем,
что волокна в фильтре расположены перпендикулярно
потоку газа и распределены равномерно в насадке фильтра.
Коэффициент осаждения для всей
насадки фильтра
ч\.
стер
dJ
в
Рис. 64. К выводу
уравнения Лэнгмю-
р,а.
где .Рстер — часть площади исходного
потока, освобожденного от взвешенных
частиц, м2; / — длина всех волокон, м.
* стер ,s= ^a ^в^ •
Секундный объем очищенного газа,
выходящего из фильтра, равен
Y)a djv,
где u = Uo/('l—a) —скорость газа в
насадке с объемной долей волокон а.
Количество частиц, удаляемых в фильтре
за секунду, равно
V\a dJ
V
О
1
Cn ,
a
где CN— концентрация аэрозольных частиц в газе в
любом сечении фильтра, 1/м3. Количество частиц,
удаляемых за секунду в элементарном объеме, при объеме всей
насадки 1 м3
f\a dBl
Vq
1
Си dFdH,
а
Это количество частиц выразим через уменьшение
концентрации частиц (—dCN) в результате прохождения
газа через элементарный объем. Секундный объем этого
газа равен v0dF и
*Па dBl
V
О
1
CN dFdH
VndFdCx.
a
i,
После сокращения и разделения переменных интегрируем
по всей высоте насадки в пределах от CN — концентра-
154
4 j:
а
■**Г"
ции частиц до фильтра до CN — концентрации частиц
после фильтра
асы > dBl
dH\
Yjg dBlH
1 —a
Чтобы исключить длину волокон U выразим ее через
объемную долю волокна в насадке а (объем насадки
равен 1 м3)
* dJ
г
Заменим также отношение концентраций отношением
общего количества частиц в очищаемом воздухе. В
результате получим
. N0 4 а. И
In -f = 7]a
N 7i 1 — a d
в
Эту зависимость получил Лэнгмюр. Величину In (N0/N)
назовем степенью очистки. Формула дает представление
о путях увеличения степени очистки газа в фильтре и
позволяет рассчитать высоту насадки фильтра.
Зависимость здесь логарифмическая, поэтому, если
задаться обычными концентрациями при очистке
CNo = 2000 м-3, CN = 2 . 10~7 м~3, то lg (CNe /CN) = 10.
В этих условиях 99% всех микробов задерживаются после
прохождения Vs части высоты насадки (рис. 65),
99,99% — после 2/5 высоты насадки и т. д. Это следует из
логарифмического закона:
5 N * N
При lg (NofN) = l0 и lg7 (99/1)-2, Я = 0,2 Н\ Исходная
концентрация микробов, так же как и конечная,
оказывает весьма слабое влияние на требуемую высоту
насадки.
Количество микробов в исходном
и очищенном воздухе
Количество микробов в атмосфере городов зависит от
сезона, погоды, благоустройства территории и высоты над
поверхностью земли. Наибольшее количество микробов
155
»
a
бывает летом (приблизительно в 10 раз больше, чем
зимой) в сухую ветреную погоду у поверхности земли в
малоозелененных городах при отсутствии асфальтового
покрытия.
Пыль, поднимая ветром, резко увеличивает обсеме-
ненность воздуха над землей (до 30 000—80 000
частиц в 1 м3). С высотой концентрация микробов резко
убывает и на высоте выше 30 м ста-
шип
Р^ис. 65.
Распределение
количества
осажденных частиц , по
высоте насадки
, No
при lg
новится почти постоянной.
Многочисленные исследования
показали, что концентрация микробов в
воздухе городов, как правило, не
превышает 5000 м~3 и в среднем бывает
около 2000 м-3.
Если принять во внимание, что
грубая пыль задерживается в
масляном фильтре и брызгоуловителе
компрессорной установки, а часть
микробов погибает при нагреве
воздуха в компрессоре, то следует
принять концентрацию микробов для
расчета аэрозольного фильтра равной
2000 м
-з
= 10.
Микробы составляют ничтожную
N " часть общего количества аэрозоля
атмосферы. Частицы, видимые под
микроскопом (0,2—5 мк),—это в основном пыль, сажа,
отходы промышленности — исчисляются сотнями
миллионов в 1 м3 воздуха.
Уравнение Лэнгмюра показывает, что абсолютная
стерильность (Cn = 0) наступит лишь при бесконечно
большой высоте насадки. Однако благодаря
дискретности микробных частиц возможно снижение
концентрации аэрозоля до нуля и обеспечение полной
стерильности воздуха в течение многих операций
ферментации.
Для снижения опасности проникновения микробов
через насадку рекомендуется вероятность проникновения
первой микробной частицы в рассчитанном объеме
воздуха (V) принимать равной 0,01, т. е. рассчитывать
концентрацию аэрозоля как
Cn
1
1007
156
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭРОЗОЛЬНОГО
ФИЛЬТРА
Критерий качества насадки фильтра
Производственные аэрозольные фильтры могут
оказаться весьма ненадежными, несмотря на дублирование
фильтров (общий и индивидуальный) и значительную
суммарную высоту насадки (около 2 м).
Это происходит при плохом качестве укладки
волокнистых материалов в патрон фильтра, осуществляемой
вручную. Надежность фильтров зависит также от
рабочего диапазона скоростей воздуха.
Неперпендикулярность волокон направлению потока, наличие участков
«разрежений» и «сгущений» волокон, образование
каналов в насадке, особенно вдоль стен, перемещение и
вибрации волокон при работе фильтра — эти недостатки в
значительной мере вызываются плохой укладкой
фильтрующего материала.
Многих недостатков можно избежать применением
фильтровальных матов — дисков толщиной 1—20 мм и
диаметром на 2—3 мм больше диаметра патрона
фильтра. Например, был успешно испытан мат из
высокообъемного нетканого фильтрующего материала ВНФМ
толщиной около 20 мм и объемной плотностью 50—
60 кг/м3, изготовленный из вискозного волокна (dB=10—
20 мк), склеенного поливинилацетатом (Л. И.
Каминская), смолой (выдерживает несколько стерилизаций),
полиэтиленом, крахмалом и пр. Маты набивают пачкой
в патрон (ВНФМ —не более 7 слоев) и сжимают до
требуемой объемной плотности.
Качество ручной укладки фильтровальных материалов
следует контролировать, по предложению Дэвиса, с
помощью измерения потери давления в насадке. По его
уравнению:
А/>= 72u//0n а**5(1 + 56а3).
При данной массе укладываемого материала
«разрежение» или неперпендикулярность волокон потоку приведут
к уменьшению Ар, например, сопротивление вдвое
уменьшается, если волокна параллельны потоку.
Поскольку вероятность нарушения инструкций по укладке
волокна или полотен выше при большем размере фильт-
157
щ*.*Ы*ФЯ1#&*<* 'т*ЩЩ&^ЯЩ1&фЩиЮ№Ф^ *чч**,*.*
pa и большем объеме работы, допускаем, что
качество насадки, выраженное через количественный
показатель, обратно пропорционально площади
фильтрации или прямо пропорционально линейной
скорости воздуха перед насадкой Vq. Качество насадки,
очевидно, также пропорционально степени очистки In
(N0/N) при данной высоте насадки или, в соответствии
с законом Лэнгмюра,— коэффициенту осаждения т]а. При
этом дополнительно следует учитывать потерю давления
в фильтре. Было бы нецелесообразно делить v0y\a на Ар,
потому что с производственной точки зрения изменение
Ар, например, от 0,001 до 0,1 ат не влияет на экономику,
хотя изменяет частное v0r\afAp на два порядка. Потери
давления в индивидуальном фильтре меньшие 0,1 ат (5%
от избыточного давления, создаваемого компрессором)
несущественны для производства. С другой стороны,
потери, равные Дрр, при которых перестает обеспечиваться
регламентная подача воздуха в ферментатор (например,
0,3 ат), недопустимы. Поэтому в качестве критерия
качества насадки целесообразно, при известной степени
очистки, принять величину
/\рр — Ь.р
Тпр — : ^о^а •
Описанный в литературе критерий качества
т = lnW*) _ _22_
не зависящий от высоты насадки в диаметре волокна
(см. ниже), непригоден для оценки производственных
фильтров по указанным выше причинам.
Выбор рабочей скорости воздуха и диаметра волокна
Основные расчетные соотношения
С увеличением скорости v0 коэффициент осаждения
быстро убывает, а затем, достигнув минимума (при
Умин»£>кр^0,3 м/сек, для волокон dB= 15 мк и d=l,2 мк),
вновь возрастает (рис. 66). В правой части кривой
преобладают инерционный эффект и касание, в левой— все
механизмы, исключая инерцию. Хэмфри и Дейндорфер
рекомендуют выбирать при расчете высоты насадки
v0 = viasmttVKp для увеличения надежности фильтра, по-
158
•г
скольку подача воздуха в ферментатор меняется в ходе
одной операции ферментации и при изменении технологии
производства. Этой рекомендации следует
придерживаться при скоростях, не намного больших скорости
Высоких значений критерия качества можно
достигнуть на участках кривой вдали от точки минимума.
Для того чтобы фильтр
имел высокое качество и
надежно работал, следует
выполнить расчеты уПр для
данного диаметра волокна.
Покажем, что для волокон,
неравномерно
расположенных в насадке, диапазон
скоростей, где преобладает
инерция (l-f-З м/сек),
является предпочтительным.
Насадку с неравномерно
расположенными волокнами
можно представить (для
уяснения характера
процесса) состоящей как бы из
продольных трубок
«сгущений» и «разрежений»
волокон. Поскольку давление до
насадки и после насадки
одинаково и для
«сгущений» и для «разрежений»,
скорость воздуха в
«сгущениях» мала, а в
«разрежениях» велика при
постоянном расходе газа. Оценим,
влияние неравномерного
расположения волокон, выражающегося в локальном
изменении объемной доли волокон а, на необходимую
высоту насадки для различных механизмов осаждений.
По уравнению Дэвиса при Ap = const
0.01
0.03 0.1 0.3 / 3
Скорость Воздуха ^ м/сен
W
Рис. 66. Сравнение
коэффициентов осаждения в функции
скорости воздуха при диаметре
волокна 16 мк, диаметре частицы
1,2 мк.
i — вычисленных из опытных
данных Humphrey— Gaden (1955) и ^
рассчитанных путем суммирования
коэффициентов осаждения по всем
механизмам.
V
1
о
' al.5(l +56 a3)'
Коэффициент инерционного осаждения
(16)
(17)
159
По уравнению Г. Н. Натансона, для броуновской
диффузии
ч«~--^г (18)
Для электростатического осаждения и седиментации
W^ — • (19)
Высота насадки по уравнению Лэнгмюра и
эмпирическому уравнению Чэна:
Я^1^~а= *~а . (20)
ат]а ат|0(1 +4,5 а)
Когда преобладает инерционное осаждение из (16)
(17) и (20) получаем:
И • ,(1~а)(1+56 *3)*1/2 (21)
U 1+4,5 а ' К }
В случае преобладающего влияния диффузии из (16)
(18) и (20) находим:
// 1 ~"g (22)
Д (1 +4,5а)(1 +56 аЗ)2/За2* V
Когда превалирует электростатическое осаждение или
седиментация, из (16), (19) и (20) находим:
// ^ ^ . (23)
9 (1 +4,5 а)(1 +56аЗ)«2,5 v '
Эмпирические преобразования позволяют упростить
три последних уравнения до
tfu->ai/«; (24)
И^~^Г] (25)
а2 • 4UU
Яэс^ ——. (26)
Из уравнения (24) следует, что в «сгущениях»
насадки, где а велика, инерционное осаждение слабо
уменьшается и требуемая высота насадки несколько
увеличивается. Это происходит вследствие уменьшения скорости,
несмотря на увеличение концентрации волокон. В
«сгущения» проникает малая часть потока газа. В «разреже-
160
ниях» же, по уравнениям (25) и (26), куда устремляется
большой поток воздуха, диффузионное,
электростатическое и седиментационное осаждение резко уменьшаются
как вследствие увеличения скорости, так и из-за
уменьшения концентрации волокон.
Таким образом, при использовании неравномерно
набитой насадки следует предпочитать с целью более
надежной очистки инерционный механизм осаждения. Его
преобладание в промышленных фильтрах, кроме того,
уменьшает их размеры. Целесообразность выбора
больших скоростей подтверждается также более высокими
значениями критерия качества (см. табл. 6).
Применение больших скоростей имеет два недостатка.
Во-первых, происходит уплотнение насадки (как это
видно из данных табл. 6) и возрастает потеря давления.
Уплотнение насадки тем сильнее, чем больше исходная
величина а и чем больше слой насадки. Однако при
скоростях, больше критических, высота насадки,
необходимая для определенной степени очистки, быстро убывает
с увеличением скорости и потеря давления
стабилизируется.
Во-вторых, в ходе эксплуатации фильтра недопустимо
даже кратковременное уменьшение скоростей из-за
резкого снижения эффективности осаждения. Применение
электростатического поля, приложенного извне к
насадке, эффективно осаждающего частицы при малых
скоростях, как показывает уравнение, записанное выше,
является одним из способов избавления от этого
недостатка. Напряженность приложенного поля при этом
рассчитывается так, чтобы обеспечиваемый им коэффициент
осаждения дополнял при малых скоростях инерционный
коэффициент до необходимой величины.
При выборе диаметра волокна следует учитывать
ориентировочное правило: диаметр волокна должен быть
одного порядка с диаметром аэрозольных частиц.
Высота насадки быстро убывает с уменьшением
диаметра волокна:
Это доказывается подстановкой в уравнение
пропорциональности, полученное из уравнения Лэнгмюра:.
11 К. Г. Федосеев 161
«tf
,t-
значений коэффициентов
механизмам:
*Пок
I
од
осаждения по трем основным
-R = d\db\
Уменьшение диаметра волокна столь же быстро
увеличивает гидравлическое сопротивление потоку газа:
*"4
з
Г
it
ч..
*
.и
1;
ii
i i
t
г
Характеристики некоторых
фильтровальных материалов
1) Стеклянная вата dB = 21 мк, изготовляемая из
щелочного стекла; при стерилизации паром
выщелачивается и измельчается.
2) Однонаправленное стеклянное волокно, dB = 6 мк,
/ = 0,7 м, изготовляемое из нейтрального стекла.
3) Базальтовое штапельное волокно типа ВРВ,
dB*=6 мк.
4) Ультратонкое волокно из нейтрального стекла и
базальта, dB= 1,5 мк.
5) Фильтрующий материал ФП (фильтр Петрянова).
ФП — это сверхтонкие беспорядочно расположенные
волокна, сформированные в виде полотен на марлевой
подложке. Они изготовляются из перхлорвинила
(ФПП-15 и ФПП-25, средний диаметр волокон
соответственно 1,5 мк и 2,5 мк)> ацетилцеллюлозы (ФПА-15) и
полистирола (ФПС-15). Гидравлическое сопротивление
этих волокон (в мм вод. ст.) при скорости 0,01 м/сек
записывается после обозначения марки, например
ФПП-15-1,5; ФПП-25-6; ФПА-15-4.
Фильтрующий материал ФПП гидрофобен, стоек к
кислотам и щелочам, но не стоек к органическим
растворителям и маслам, не выдерживает температуру выше
60°. Поэтому материал можно применять при влажности
воздуха до 99% при отсутствии в нем капель смазочного
масла. Стерилизация материала проводится
газообразным формальдегидом. Толщина ткани ФПП-15-1,5 около
1 мм. Материал ФПС обладает аналогичными
свойствами, предельная температура его применения 80°, однако
он обладает меньшей прочностью, чем ФПП, и
выпускается промышленностью в ограниченном количестве.
162
<-'-^-->^-**&ШФ*+ *тщтН*-А
Материал ФПА стоек к кислотам, щелочам, маслам и
органическим растворителям, термостоек до 150°, но
гидрофилен и может применяться при влажности
воздуха до 80%. Гидрофильность материала не позволяет в
большинстве случаев использовать ФПА в
промышленных условиях. Эффективность ФПА также ниже
вследствие более быстрой потери электростатических зарядов
даже при влажности ниже 80%.
Новыми материалами для очистки газов от аэрозолей
являются мембранные фильтры в виде пористых
пластинок. Фильтры «Миллипор АА» (США) с диаметром пор
0,8 мк изготовлены из ацетата целлюлозы. В Японии
изготавливают мембранные фильтры из полиуретана, а
также из поливинилового спирта толщиной 2—3 мм, с
диаметром пор от 4 до 60 мк. Эти материалы характеризуют-
ся более высокими значениями критерия качества
Y = ца/Ар- Менее эффективны фильтры из прессованного
бронзового порошка, у которых диаметр пор 30—40 мк.
Весьма перспективен для использования в
биотехнологии высокообъемный нетканый фильтрующий материал
из антимикробного целлюлозного волокна (Л. И.
Каминская), не требующий предварительной стерилизации и
приводящий к гибели микрофлору, осевшую на волокне.
Размер микробных частиц наряду с диаметром
волокна и скоростью газа оказывает большое влияние на Bei:
личину осаждения. '■' • ]
i <•
Характеристика микробных загр ягнений1
' * I . * i .1.1 L Л J _ . ' * - . ■■
Воздушная микрофлора^ по определениям ММёля,ивь^
полненным в 1878—1899 гг. в 5 км от центра Парижа,
содержала организмы рода Micrococcus — 66%, рода
Bacillus -— 25%, рода Bacterium —6%, рода Vibrio— 1—2%.
В воздухе доказано также присутствие значительного
количества актиномицетов.
Чаще всего поперечник бактерий и спор актиномицетов
равен 0,5—1 мк, редко встречаются бактерии диаметром1
0,1—0,2 и 2—3 мк. Поперечник клеток у бактерий и
актиномицетов довольно постоянен и является стойким ро-:
довым признаком. Длина же сильно меняется в
зависимости от возраста, состава среды и других условий ростам
Большинство бактерий имеет длину 1—10 мк.
Микрококки имеют диаметр 0,3—1,5 мк, чаще 0,5—'
1 мк. Бациллы в поперечнике 0,3—-1,2 мк, в длину: 3—*'
11
*
16$
8 мк. Бактерии обычно имеют диаметр 0,5—0,8 мк,
длину 1—2 мк. Вибрионы имеют размер 0,5—1 мк. Актино-
мицеты имеют споры диаметром 0,7—0,8 мк.
Хотя большинство микроорганизмов в воздухе связано
с более крупными пылевыми частицами, в расчетах
следует ориентироваться на легче проникающие через
насадки свободные микроорганизмы. Хэмфри и Дейндор-
фер рекомендуют принимать в расчетах поперечник
организмов равным 0,5 мк- Однако точнее ориентироваться
на размер равного по объему шара, близкий к 1 мк. В
производственных условиях размеры микробов определяют
при анализе воздуха в случае его нестерильности.'
F
Некоторые рекомендации по выбору
насадок и режимов работы фильтров
Предварительный выбор скорости воздуха и диаметра
волокна рекомендуется делать по табл. 6, где отражены
расчеты, выполненные К. Г. Федосеевым по указанным
выше формулам и графикам. Расчет является
приближенным. Например, при расчете инерционного
осаждения для большинства значений ReB производилось
интерполирование при известных значениях цоик для ReB = 0,2
и /?ев=Ю. Коэффициент броуновской диффузии
совместно с касанием рассчитан по графику рис. 62 для Ren~
= 0,01. В табл. 6 отражены расчеты коэффициентов
осаждения т]ь высоты насадок //, потери давления Др и
производственного критерия качества упр для тонких (rfB =
= 1,5 мк), средних (dB = 6 мк) и грубых (dB = 21 мк)
волокон применительно к мелкой (d = 0,3 мк), средней
(d=l мк) и крупной (d—3 мк) микрофлоре. Хотя
расчет выполнен для фильтра, в который подается
2000 м3/час воздуха в пересчете на стандартные
условия, эта величина почти не сказывается на результатах
расчета. Величина Дрр принята равной 0,3 ат. Данные,
приведенные в табл. 6, позволяют сделать следующие
выводы и рекомендации.
1. Мелкую микрофлору можно осаждать на волокнах
при скоростях до 0,3—0,5 м/сек, которые меньше
критических. При более высоких скоростях расчетная высота
насадки создает Др>Дрр. Несформованная насадка при
скоростях 0,2—0,5 м/сек в соответствии с уравнением
(23), по-видимому, также вызовет недопустимо большую
потерю давления. Уменьшению же скорости в такой на-
164
садке препятствует увеличение размеров фильтра. При
отсутствии матов из стекловолокнистых материалов
целесообразно применять полотно ФПП или другие ткани,
подобные ему по размеру волокон.
2. Крупную микрофлору можно удалять на волокнах
всех размеров в широком диапазоне скоростей, принятых
в расчете (0,01-т-2 м/сек для ФПП и 0,1ч-2,5 м/сек для
стеклянных волокон). Однако средние волокна
нежелательны из-за более высокой потери давления (0,12—
0,27 ат), особенно в насадках, набиваемых вручную (не-
сформованных). В последнем случае выгодно
использовать инерционное осаждение, т. е. скорости более I м/сек
для грубых волокон и более 0,5 м/сек — для средних.
3. Для осаждения средней микрофлоры допустимо
применять все три размера волокон, равномерно
расположенных в насадке. Однако грубых волокон следует
избегать (даже в виде матов). Они имеют низкий критерий
качества (упр^0,01) при скоростях меньше 2,5 м/сек и
создают значительную потерю давления (0,2—0,28 ат)
при скоростях 0,5—3,5 м/сек.
С увеличением скорости воздуха критерий качества
насадки из тонких волокон возрастает от 0,001 до 0,82
(здесь и далее выводы относятся к средней микрофлоре),
причем наиболее быстро в диапазоне скоростей 0,5—
1 м/сек, в котором начинает проявляться инерционный
эффект. Для промышленных фильтров целесообразна
скорость 1 м/сек, при которой небольшая потеря давления
(0,1 ат) при малой толщине насадки (0,6 мм)
сочетается с достаточно высоким критерием качества (0,33).
Для средних волокон чем больше скорость (до
2,5 м/сек), тем быстрее нарастает критерий качества.
Потеря давления имеет максимум (0,16 ат) при скорости
0,5 м/сек. Наиболее целесообразны скорости 1,5—
2,5 м/сек, где уже проявляет свое действие инерционный
эффект, потеря давления невелика (0,1 ат) и критерий
качества достаточно высок (0,2—0,75).
4. По величине производственного критерия качества
матированные средние волокна не уступают тонким,
если скорости на 0,4—0,8 м/сек больше скоростей в
насадках из тонких волокон.
Уменьшение проницаемости фильтра
Понимание механизма процесса отделения взвешенных
частиц позволяет сделать выводы о путях уменьшения
12 К. Г. Федосеев 165
»(р№зд^^^дабЦ^«^^■ •■i-"—^г , • -'~■''^~'^:■■-^f'^'^:^\■'i''■i-'nxщшf^'r^ *-»~-'---г'{-у*&:*' -■■-^■■■^■-■ь ■.,*щ0ы<.-..^. ,..- /->*.«■■■*■.■ ■■., ---..■■:;■ ._
JP,
V*-!
Проницаемости фильтра. Плохое качество волокна,
плохая укладка волокна в фильтре, нарушение структуры
насадки при эксплуатации фильтра и неправильный
выбор скорости воздуха чаще бывают причиной
неудовлетворительной работы фильтра, чем недостаточность
высоты насадки.
Если волокно стерилизуется паром, оно не должно
изменять своих механических свойств и выщелачиваться
под влиянием конденсата. Этим требованиям мало
удовлетворяют грубые волокна хлопковой и стеклянной ваты.
Самые распространенные причины нарушения работы
фильтра — неперпендикулярность волокон потоку газа,
каналы в насадке и увлажнение насадки водой. При
увлажнении волокна собираются в пряди, между которыми
образуются пустоты, и качество насадки резко
снижается. Помимо этого, увлажнение, даже самое слабое,
приводит к стеканиго электрических зарядов с волокон, что
также ухудшает осаждение частиц на фильтре.
Конденсация водяного пара из воздуха, сжатого в компрессоре до
3 ат, происходит после его охлаждения до температуры
40—50° вследствие уменьшения в 3 раза объема газа.
Это заметно при высоком влагосодержании
атмосферного воздуха.
Поэтому необходимо тщательно отделять в брызго-
уловителе капли воды, а также не допускать дальнейшей
конденсации влаги из воздуха при его охлаждении во
время транспортирования. При движении сжатого
воздуха в системе трубопроводов и аппаратов, включая
фильтры, происходит падение его давления примерно на I ат.
Уменьшение температуры воздуха до температуры
конденсации водяного пара (точки росы) наступает
вследствие теплоотдачи к холодным стенкам аппаратов и труб,
протянутых по территории завода нередко на сотни
метров. Большая скорость воздуха сопровождается
сравнительно большой теплоотдачей к стенкам труб и быстрым
падением температуры воздуха, имеющего малую
теплоемкость. Снижение температуры воздуха до точки росы
не всегда сопровождается конденсацией в нем воды.
Чем полнее воздух освобожден от аэрозольных частиц,
тем большее пересыщение может быть достигнуто.
Однако на стенках трубопроводов и аппаратов, а также в
насадках конденсация начинается при температуре
насыщения воздуха водяным паром. Эту температуру
можно определить по таблицам насыщенного водяного пара,
166
7>Vflw***m«; тф?трчмтт^ <www*
^*%w-
вычисляй АрёДбарительно парциальное давление
водяного пара в воздухе рВод. Для этого замеряют
относительную влажность и температуру воздуха, выходящего из
пробного штуцера, или рассчитывают рВод "о параметрам
атмосферного воздуха после брызгоуловителя.
Температуру внутренних поверхностей труб и аппаратов на всем
пути от холодильника до индивидуального фильтра
необходимо поддерживать выше точки росы с помощью
теплоизоляции и греющих рубашек (Д. С. Козленко).
Одна из причин проникновения бактериальных частиц
через фильтр — это вибрация при встряхивании насадки
фильтра, например при резком открывании вентиля
подачи в фильтр сжатого воздуха.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРИЛЬНОГО
СЖАТОГО ВОЗДУХА
Воздух, поступающий из атмосферы, необходимо
предварительно очистить от грубой пыли для защиты
компрессора, затем сжать до требуемого давления (2,5—
3 ат). При сжатии в компрессоре воздух нагревается до
температуры 100—200°. Воздух необходимо охладить до
Рис. 67. Технологическая схема очистки воздуха от аэрозоля.
/ — масляный фильтр; 2 — компрессор; 3 — теплообменник; 4 — ресивер;
5 — брызгоуловитель; 6 — общий фильтр; 7 — индивидуальный фильтр.
температуры, которая определяется свойствами
продуцента и наличием резерва теплообмеиной поверхности
ферментатора. Некоторые продуценты (например,
пенициллина, стрептомицина) снижают продуктивность при
температуре поступающего, в ферментатор воздуха выше
40°. При этом температура культуральной ;кидкости
поддерживается постоянной и равна 27—28°. Другие проду-
12* 167
центы (например, окситетрациклина) не снижают
продуктивности при температуре входящего воздуха 70°.
Высокая температура воздуха целесообразна для
предотвращения конденсации воды. Теплота, которую воздух
в аппарате через высокоразвитую межфазную
поверхность отдает культуральной жидкости, отводится в
змеевиках ферментатора при коэффициентах теплопередачи
на порядок больших, чем в теплообменнике на линии
сжатого воздуха. Поэтому температуру воздуха, подаваемого
в ферментатор, следует повышать до максимально
допустимых величин, не влияющих на продуктивность
мицелия. Теплоизоляция на трубах рассчитывается на
использование естественного охлаждения воздуха зимой на
пути от компрессора до ферментатора. Перед подачей в
ферментатор воздух освобождается от водяных капель и
микробных загрязнений.
Для проведения перечисленных процессов применяют
технологическую схему, один из возможных вариантов
которой изображен на рис. 67. На всасывающем
трубопроводе компрессора принято ставить масляный фильтр,
содержащий несколько фильтрующих элементов в виде
прямоугольных ячеек из угловой стали, обтянутых
сеткой. Ячейки наполняются мелкими кольцами Рашига,
металлической стружкой или иной насадкой, которая
смачивается минеральным маслом. Воздух в насадке
освобождается от грубой пыли, благодаря инерционному
осаждению. Площадь ячеек находят из расчета скорости
воздуха t>=l —1,5 м/сек. Запыленные ячейки для очистки
ежемесячно промывают в горячем растворе соды или
щелочи, сушат и вновь смачивают маслом.
Давление сжатия воздуха в компрессоре
рассчитывается суммированием давления под крышкой
ферментатора (1,2—1,3 ат), гидростатического давления столба
жидкости в ферментаторе, потери давления при
истечении воздуха из барботера и всех сопротивлений при
транспортировании и очистке воздуха от загрязнений.
Обычно давление сжатия не менее 2,5 ат. Оптимальная
скорость воздуха в трубах, при значительной их длине,
должна быть рассчитана как экономически
наивыгоднейшая.
При выборе компрессора следует отдать предпочтение
турбокомпрессорам, которые в отличие от поршневых, не
загрязняют нагнетаемый воздух парами и туманом
смазочного масла. Аэрозоль снижает эффективность работы
168
насадок воздушных фильтров. Турбокомпрессоры
отличаются компактностью и равномерной подачей воздуха.
Ресивер служит для устранения пульсаций воздуха,
создаваемых поршневыми компрессорами, чтобы обес-
Рис. 68. Аэрозольный фильтр конструкции
Гипромедпрома.
/ — штуцер для входа воздуха; 2 — штуцер для
выхода воздуха; 3 — штуцер для продувкн; 4 н 5 —
штуцеры для пара и конденсата; 6 — патрон; 7
—прижимное устройство.
'
печить поддержание избыточного давления в аппаратах.
При наличии турбокомпрессоров, подающих воздух без
пульсаций, обратного клапана на линии подачи сжатого
воздуха из компрессоров, а также регулятора
автоматического давления в ферментаторе надобность в ресивере
отпадает. Ресивер и общий фильтр (см. выше), будучи
крупными аппаратами, работающими под давлением,
обычно расположены вне помещения из соображений тех-
169
■■лШ1«р«
»~*У*И
■*•*»
ЦРМЦЩ.И1.'
■J Г
ники безопасности и экономии производственной
площади.
Брызгоуловитель с насадкой из колец Рашига и
тонким слоем стеклянной ваты применяется для очистки
воздуха от мелких капель масла и влаги, ухудшающих
работу аэрозольных фильтров.
Фильтры устанавливают обычно в две ступени: общий
фильтр, обслуживающий все ферментаторы цеха, и
индивидуальные фильтры, установленные у каждого продук-.
ционного и посевного ферментатора. Общий фильтр
дублирует работу индивидуальных фильтров и увеличивает
надежность очистки воздуха. Во время смены насадки
общего фильтра воздух направляется в резервный общий
фильтр. Смену насадки индивидуальных фильтров
производят во время подготовки ферментатора к следующей
операции.
Общий фильтр обычно представляет собой
вертикальный сосуд с решеткой у днища (рис. 68). На решетку
помещают небольшой слой стеклянной ваты, затем слой
гранулированного активированного угля высотой 1,5—2 м,
а сверху, под свободно лежащей тяжелой решеткой,—
еще слой ваты.
Индивидуальный фильтр, согласно нормам техники
безопасности при работе со стеклянной ватой, имеет
съемный патрон, набиваемый насадкой за пределами
цеха. Патрон с помощью прижимного устройства
герметично укрепляется в корпусе аппарата. В фильтре
конструкции Гипромедпрома (см. рис. 68) воздух движется
вертикально через насадку, состоящую из стекловолокнистых
материалов, иногда в сочетании со слоем
активированного угля. В фильтрах с большой высотой слоя насадки
для устранения опасных каналов у стенок сосуда
весьма желательны поперечные неширокие кольца,
герметично закрепляемые на стенках с помощью фланцев в
процессе набивки фильтра насадкой. Одна из рациональных
конструкций фильтров представляет собой патрон,
состоящий из двух перфорированных цилиндров, вставленных
один в другой (рис. 69). В кольцевое пространство
между ними набивается однонаправленное стеклянное
волокно. Эта конструкция фильтра применяется в том случае,
если по расчету высота насадки мала (например, 0,03ч-
4-0,15 м). Такой фильтр имеет в 6 раз большую удель-
■ную поверхность фильтрации по сравнению с фильтром
конструкции Гипромедпрома.
!70
Индивидуальный фильтр стерилизуют после смены
насадки, а также в том случае, если обнаружено нарушение
хотя бы одного из следующих условий надежной его
работы: ферментация проходит без заражения посторонней
микрофлорой, фильтр герметичен, вентили на входе и вы-
Рис. 69. Схема патро- Рис. 70. Схема аэрозольного
на аэрозольного филь- фильтра с материалом ФП
тра Киевского завода (П. И. Басманов и др.).
медицинских
препаратов.
ходе воздуха исправны, в фильтре непрерывно
поддерживается избыточное давление воздуха.
Весьма эффективен при аккуратной сборке
индивидуальный фильтр с фильтрующим материалом ФП.
Применение ФП с волокнами толщиной 1,5—2,5 мк позволяет
резко сократить толщину насадки — до 1—3 мм.
Эффективности фильтров Петрянова способствует малая
скорость воздуха, в 10—30 раз меньшая, чем в фильтрах
других конструкций, благодаря большой поверхности
фильтрации в конструкции типа листового фильтра.
Применение малых скоростей при сильном
электростатическом заряде волокон позволяет эффективно использовать
электростатическое притяжение, броуновскую диффузию,
171
на-
со-
t
J
I
ФПП-15
Сепаратор
t
Воздух
■<**•
-'.'
ван-дер-ваальсовы силы для осаждения наиболее легко
проникающих через общие фильтры самых мелких
микроорганизмов. Эти благоприятные обстоятельства при
хорошем качестве сборки насадки обеспечивают
дежную очистку воздуха на фильтре при малом
противлении для фильтруемого воздуха.
Одна из конструкций
такого фильтра показана на
рис. 70. В цилиндрический
корпус фильтра герметично
монтируется
прямоугольный пакет, собранный из
П-образных алюминиевых
или фанерных рамок,
между которыми зажимается
лента из ткани ФП (рис.
71). При сборке в пакет
рамки укладывают с
чередованием открытых и
закрытых сторон в двух
противоположных направлениях.
Для предупреждения
слипания слоев ткани от
напора воздуха применяют
сепараторы из
гофрированной винипластовой пленки или чертежной бумаги.
Стерилизацию фильтров с насадками ФПП, ФПС
проводят газообразным формальдегидом. Для этого в
собранный фильтр заливают через боковую воронку 0,3—
2 л 30% раствора формальдегида, после выдержки
сливают раствор и продувают насадку воздухом до
исчезновения запаха формальдегида. Для ускорения удаления
следов формальдегида целесообразно предусмотреть
добавление аммиака в воздух, подаваемый в фильтр.
Для приточной вентиляции в помещении, где
проводятся стерильные операции, выпускаются рамочные фильтры
прямоугольной формы типа ЛАИК с материалом ФПП и
ФПА. Фильтры марок от Д-2,8 до Д-33 имеют
фильтрующую поверхность от 2,8 до 33 м2. Габариты фильтра
марки Д-33 0,59x0,64x0,75 м. Фильтры марок от
ДК-0,11 до ДК-4,5 снабжены дополнительно фильтром
(для предварительной грубой очистки) насадочного типа
из волокна лавсан. Фильтры марок от В-0,1 до В-2
изготовляются из винипласта. ...
172
Рис. 71. Элемент аэрозольного
фильтра с материалом ФПП-15.
Срок службы насадок ФПП-15 60 суток.
Качество работы фильтра — стерильность воздуха —
часто определяется в настоящее время с помощью
механического фильтрования аэрозоля на стерильном
мембранном ультрафильтре — бумаге из нитроклетчатки,
имеющей поры диаметром 0,4—1,5 мк. Бумага
помещается на агаровую пластинку. Вырастающие на бумаге
колонии микробов выявляются прокрашиванием их эрит-
розином. Часто используется и контрольный фильтр с
тонкодисперсным водорастворимым альгинатом натрия.
Однако такой контроль стерильности воздуха
малочувствителен, поскольку в фильтр поступает лишь около
0,01 % от всего объема воздуха, идущего в ферментатор.
Поэтому прибор обнаруживает нестерильность воздуха
только после попадания в ферментатор до 104
микробных клеток. Более высокую чувствительность
обеспечивает пропускание воздуха через небольшой слой
активированного угля, помещаемого затем асептично в
питательный бульон.
ЛИТЕРАТУРА
Басманов П. И. и др. Мед. пром., 1959, 11, 31—35.
Басманов П. И. и др. Хим. пром., 1967, 12, 911—912.
Грегори Ф. Микробиология атмосферы. М. Изд. «Мир», 1964.
Д ух и н С. С. и др. Коллоидн. журн., 1958, 20, 3, 326—328.
Красильников И. А. Определитель бактерий и актиномицетов.
М., Изд. АН СССР, 1949.
Коган Э. А. Мед. пром., 1962, 10, 39—41.
Козленко Д. С. Хим.-фарм. журн., 1968, 7, 46—47.
Натансон Г. И. Диффузионное осаждение аэрозолей на
обтекаемом цилиндре при малых коэффициентах захвата. Доклады
Академии наук, 1957, 112, 1, 100—103.
Натансон Г. Н. Осаждение аэрозольных частиц на обтекаемом
цилиндре под действием электростатического притяжения.
Доклады АН СССР (новая серия), 1957, 112, 4, 696—699.
Спурнын К. и др. Аэрозоли. М. Атомиздат, 1964.
Степин Б. Д. и др. Хим. пром., 1968, !, 35—39.
Фукс Н. А. Механика аэрозолей. М. Изд. АН СССР, 1955.
Фукс Н. А. Успехи механики аэоозолей. М. Изд. АН СССР, 1961.
Чэи Ч. Успехи хим., 1956, 25, 3, 368—392.
Aiba S. J. Gen. Appl. Microbiol., 1963, 9, 3, 267—272.
Da vies C. N. et, al. Proc. Roy. Soc, 1956, 234A, 1197, 269—295.
Gunn R. J. Coil. Scl, 1955, 10, 1, 107—109.
Gillespie T. J. Coll. Set., 1955, 10, 3, 299—314.
Gaden E. L. et al. Ind. Eng. Chem., 1956, 48,. 12, 2172—2176.
Humphrey A. E. et al. Ind. Eng. Chem., 1955, 47, 5, 924—930.
Humphrey A. E. et al. Fol. microbial., 1961, 6,. 1, 1—9.
Max on W. D. et al. Ind. Eng. Chem., 1956, 48, 12, 2176—2180.
Zebel G.-J. Coll. Sci., 1965, 20, 6, 522—543.
1
■p
V
ПЕНООБРАЗОВАНИЕ И ПЕНОГАШЕНИЕ
РОЛЬ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ
F
Чрезмерное вспенивание в процессе ферментации
ограничивает полезную емкость аппарата, нередко является
причиной заражения среды посторонней микрофлорой,
приводит к потерям культуральной жидкости, уходящей
с пеной из аппарата. Оно вынуждает ограничивать
подачу воздуха и выключать мешалку, что отрицательно
сказывается на развитии продуцента и биосинтезе.
С другой стороны, широко применяемый для
обогащения руд флотационный процесс используется и в
биотехнологии для выделения из культуральной жидкости
некоторых продуктов ферментации. На жидкой поверхности,
окружающей пузыри воздуха, адсорбируются поверхно-
стноактивные вещества (ПАВ), к которым в свою
очередь прилипают микробные тела и частицы. Поднимаясь,
пузыри выносят эти вещества и частицы на поверхность
жидкости, где они концентрируются в слое пены.
Подобный флотационный способ в промышленном
производстве дрожжей позволяет в 3 раза сконцентрировать
дрожжи в культуральной жидкости перед ее сепарированием.
Разработан также флотационный метод выделения спор
бактерий из биомассы. Основанием для такой
разработки послужило обнаружение чистых спор, почти
свободных от вегетативных клеток и клеточных обломков при
'микроскопии мазка из верхней части пены,
образующейся при глубинном культивировании сибиреязвенной
палочки.
КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПЕНООБРАЗОВАНИЯ
В чистых жидкостях всплывший на поверхность пузырь
газа разрушается через доли секунды ввиду энергетиче-
ской неустойчивости и малой прочности окружающей его
жидкой пленки (при разрыве оболочки поверхность
сокращается и происходит освобождение поверхностной
энергии пузыря Ea=*Fu • а). При наличии в жидкости
174
поверхностноактивных веществ они сосредоточиваются
на поверхности пузырей, и это усиливает прочность их
оболочек.
При смыкании пузырей над зеркалом жидкости, часть
жидкости, находящаяся в разделяющих пузыри
прослойках, стекает вниз под действием силы тяжести.
Образуется слой пены. Нижняя часть слоя пены состоит в
основном из сферических мелких пузырей и большого
количества жидкости, а верхняя часть — из больших более
старых многогранных пузырей и очень малого
количества жидкости. Крупные пузыри образуются при
разрушении и коалесценции мелких. Нередко в верхнем слое
собирается прочная мелкоячеистая пена. Разрушению
пузырей, помимо стекаиия жидкости, способствует
испарение воды с поверхности пены, а также всасывание
жидкости в так называемые треугольники Гиббса.
Монодисперсная пена после стекания жидкости подобна
пчелиным сотам. Каждый пузырь имеет 12—15 плоских
граней., В полидисперсной пене перегородки изгибаются
в сторону более крупных пузырей. Это происходит
вследствие более высокого давления в мелких пузырях, в
соответствии с уравнением Лапласа (см. стр. 72):
4а
V = •
Диффузия газа в крупные пузыри из мелких делает
последние еще мельче. В местах, где соединяются грани,
образуются углы (треугольники Гиббса), в которых
жидкость имеет сильно вогнутую поверхность. При большой
кривизне поверхности давление в жидкости,
заполняющей треугольники Гиббса, понижено, подобно давлению
в капиллярах с вогнутым мениском. Это создает перепад
давления, приводящий к перемещению жидкости из
плоскости граней в треугольники. Плоские грани жидкости
истончаются и разрушаются под действием избыточного
давления в пузыре по отношению к атмосферному
{р—Ро) и других факторов. При наличии в жидкости
и, следовательно, в окружающих пузыри пленках ПАВ
их слой-на обеих поверхностях оболочки, отжимаемый
потоком жидкости в углы, растягивается в центре жидких
граней (рис. 72), придавая им эластичность. При
значительной вязкости жидкости скорость ее вытекания из
пленок весьма мала, а после приобретения эластичности
жидкость вообще перестает перемещаться. Толщина жид-
175
ких1пленок, спустя некоторое время, становится
соизмеримой с длиной световой волны (несколько микрон) и в
отраженном свете пленка видна окрашенной, благодаря
интерференции лучей.
Еще не создана достаточно полная экспериментально
подтвержденная теория устойчивости пен (Шелудко).
Требуют объяснения большие
различия пенообразующей способности
различных веществ при разных
концентрациях. Влияние
концентрации ПАВ на стойкость пены
зависит от размера их молекул.
Низкомолекулярные ПАВ, например,
низшие спирты, кислоты дают пены с
малой продолжительностью жизни
пузыря: 5= 10 + 20 сек. Существует
определенная концентрация этих
соединений, при которой они дают
наиболее стойкую пену. Эта
концентрация уменьшается с
увеличением молекулярной массы ПАВ.
Например, для этанола она равна
0,28 моля/л (13%), а для октилово-
го спирта —0,0003 моля/л (0,04%).
Для обоих соединений 5 = 5 сек.
Уксусная кислота дает наиболее
стабильную пену в концентрации
0,2 моля/л (12%, 5 = 8 сек.), а кап-
риловая — в концентрации 0,00025
моля/л (0,036%, 5=12 сек.).
Иначе ведут себя высокомолекулярные ПАВ — белки,
сапонины, мыла. Стойкость их пен (5 — 102—103 сек.)
неуклонно возрастает с концентрацией ПАВ, максимума не
наблюдается (Барч). Существует несколько объяснений
устойчивости пен. Гиббс, Адам, П. А. Ребиндер
объясняют стойкость пен растворов, содержащих
низкомолекулярные пенообразователи, эластичностью жидкой
пленки: в случае растяжения какого-либо участка пленки
снижение концентрации пенообразователя на его
поверхности сопровождается повышением поверхностного
натяжения. В результате этого растянутый участок стремится
к сжатию, тем самым противодействуя растяжению до
разрыва. Стойкость пленок пены, образованных
растворами высокомолекулярных веществ, Плате-и П. А. Ре-
Т76
Рис. 72.
Возникновение градиента
поверхностной концентрации
ПАВ на пленках пены
под влиянием тока
жидкости в
треугольники Гиббса.
^."-ц ' «:.W\-М-.^Ч.Ц#,
биндер объясняют механической прочностью моно-, или
полимолекулярного гелеобразного слоя ПАВ. Прочность
обусловлена пластичными реологическими свойствами
этих слоев. Белки на поверхности раздела, где свойства
веществ резко меняются из-за действия больших
поверхностных сил, подвергаются денатурации. Происходит
выпрямление свернутых полипептидных цепей,
поверхностная коагуляция в результате агрегации молекул с
помощью водородных и других связей. Образуется прочная
структура. В микробных культуральных жидкостях
пенообразователями являются как вещества исходной среды,
главным образом белки соевой и кукурузной муки,
кукурузного экстракта, так и продукты жизнедеятельности
продуцента — белки, высшие амины и пр. Продукты
распада жиров (пеиогасителей)—мыла — также являются
пенообразователями.
КИНЕТИКА ПЕНООБРАЗОВАНИЯ
Диффузия поверхностноактивного вещества к вновь
образованной поверхности раздела газ — жидкость
происходит в течение некоторого времени. Теоретический
расчет по уравнению Фика, в котором концентрация
заменена активностью, выполненный несколькими
авторами, указывает на то, что равновесие должно наступить
быстро — в течение малых долей секунды. Кемпер
нашел, что белок образует мономолекулярный слой при
диффузии из раствора в течение 0,8 секунды. Однако
эксперименты многих других авторов не подтверждают этого
вывода, по-видимому, в связи с тем, что в расчетах не
учитывалась обратная диффузия ПАВ от поверхности
в раствор, сильно замедляющая наступление равновесия.
Время наступления равновесия диссоциирующих
веществ с длинным углеводородным радикалом измерялось
часами. Например, 0,025% раствор стеарата натрия
уменьшал поверхностное натяжение во времени следующим
образом (Аидреас, см. книгу А. М. Годена «Флотация»):
Длительность,
ceKj нды
о, дн/см
Длитечъность
секунды
о, дн/см
177
"..-'
Задержку в наступлении равновесия следует учитывать
как при моделировании пенообразования в лаборатории,
так и при разработке технологии и автоматизации
процесса пеногашения.
Изменение высоты слоя пены в аппарате зависит от
соотношения скоростей образования пены и ее
разрушения. Скорость образования пены мало отличается от
скорости газа vv в сечении аппарата при том давлении,
которое имеется под крышкой аппарата (1,2—1,3 ат).
В простейшем случае можно предположить, что скорость
разрушения пены пропорциональна высоте слоя пены.
Скорость изменения высоты слоя пены:
dz dz dz s
где s, сек., — коэффициент стабильности пены,
являющийся постоянной величиной при постоянстве свойств
жидкости, условий диспергирования воздуха и размера
пузырей.
Уровень цены стабилизируется, когда высота ее
такова, что скорость разрушения становится равней скорости
образования. Условия стабилизации при vr~const и
s = const:
dz
Стабильная высота слоя пены Нс пропорциональна
скорости газа. Физический смысл коэффициента
стабильности— длительность движения пузыря от зеркала
жидкости к верхнему уровню пены, где пузырь подвергается
разрушению. Таким образом, 5 — это продолжительность
существования пузыря в пене, причем средняя, поскольку
пузыри бывают разной величины и обладают разной
стойкостью.
Борьба с пенообразованием заключается не в том,
чтобы стремиться держать пену на нулевом уровне.
Достаточно стабилизировать слой пены, который не должен
превышать высоту не заполненной жидкостью части
аппарата. Выброс пены в выхлопной трубопровод
недопустим, так как ведет к потере культуральной жидкости
и увеличивает опасность заражения. Чтобы этого не
произошло, пену гасят тем или иным способом, обычно
добавлением к пенящейся жидкости небольших порций по-
верхностноактивных веществ — пеногасителей. Исполь-
178
чг-9Я-Л*>*'
.-. *,.- j-*w,-,^.*-a»,4^wJft4^^»4r***-4№* ■*•*•*** Ж**»-
зуемые в производстве пеногас.ители представляют собой
несмешнвающиеся с водой жидкости (как правило,
применяются жиры). Благодаря перемешиванию пеногаси-
тель эмульгируется и распределяется в культуральной
жидкости. Будучи поверхиостноактивпым веществом,
пеногаентель сорбируется на поверхности всплывающих
пузырей и, ослабляя прочность их оболочек, способствует
быстрому разрушению. Часть пеногасителя, растекаясь
по зеркалу жидкости, производит гашение уже
образовавшейся пены. Как показали специальные
лабораторные исследования, величина порции подсолнечного масла
не должна быть меньше 0,005% объема культуральной
жидкости. Общий же расход жирового пеногасителя
составляет обычно 0,5—2,5% на операцию ферментации.
После разрушения пена некоторое время не образуется
(пока сохраняется действие пеногасителя). Затем вновь
начинается образование и подъем уровня пены. Исходя
из уравнения (27), время достижения пеной уровня Н
можно определить:
н
vv
sln i_. (28)
Г
Или, подставляя s — Hc/vr при постоянной скорости 1>г,
х = _^£_1П fl _ (29)
vr *" V~ HJ * '
В неньютоновских жидкостях картина пенообразования
усложняется в результате повышения содержания
газовой фазы в жидкости при накапливании в ней мелких
пузырей; вследствие чего объем ее значительно
увеличивается. С уменьшением диаметра пузырей подъемная
сила, пропорциональная кубу их диаметра, убывает
быстрее силы трения пузырей о жидкость,
пропорциональной, по закону Стокса, диаметру мелкого пузыря. Когда
подъемная сила пузыря становится меньше величины
силы трения то, при которой прекращается течение
пластичной жидкости, пузыри перестают всплывать. В
псевдопластичных жидкостях вязкость жидкостей при малых
скоростях пузыря очень велика и скорость его всплыва-
ния приближается к нулю. Пеногаентель, уменьшая
прочность слоя ПАВ на поверхности пузырен, способствует их
коалесценции и тем самым — уменьшению содержания
газовой фазы в жидкости. Однако эффект выражен
нечетко.
179
ИЗМЕРЕНИЕ ПЕНООБРЛЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
КУЛЬТУРАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
Количественная оценка вспениваемости культуральных
жидкостей необходима для анализа процесса пенообра-
зования, разработки рецептур питательных сред,
обеспечивающих пониженное пенообразование при
ферментации, оценки эффективности химических и других средств
предупреждения вспенивания и пеногашения. Поскольку
стойкость пены зависит от размера пузырей, желательно
для генерирования пены использовать пузырьковый
режим барботажа, обеспечивающий максимальную
однородность пузырей по их размерам.
Применительно к растворам моющих средств и других
ПАВ предложены разные методики измерения пенообра-
зующей способности.
Харди определял продолжительность жизни
единичного пузыря на поверхности жидкости.
Одиночный пузырь, очевидно, не моделирует пузырьковую
ячейку (многогранник) слоя пены. Метод Шутца
заключается в образовании в проволочном кольце,
размещенном на поверхности жидкости, слоя пузырей при
поступлении воздуха из капилляра, погруженного в
жидкость. Измеряется длительность разрушения всего слоя,
половина которой близка к средней продолжительности
жизни пузыря. Барч измерял длительность разрушения
пены в закрытом цилиндре после стандартного
встряхивания небольшого количества жидкости. Здесь
количество и стойкость пены в очень большой степени зависят
от условий опыта. Фулк и Миллер измеряли высоту
стабильного уровня пены в приборе, которая, естественно
зависела от скорости воздуха и размера пузырей.
Наиболее строго—по коэффициенту стабильности пены s,
равному средней продолжительности жизни пузыря в
столбе пены,— определял вспениваемость жидкостей еще
в 1938 г. Бикерман. Он оценивал вспениваемость 5 как
частное от деления высоты стабильного слоя пены на
линейную скорость газа. В условиях опытов Бикермана
величина 5 у данной жидкости не зависела от скорости
газа (в определенных пределах скоростей), размеров
сосуда и высоты слоя жидкости, если слой для каждого
раствора превышал определенную величину в пределах
3—5 см при использовании в качестве барботера
пористого стекла.
180
По характеру пенообразования культуральные
жидкости отличаются от растворов мыла, сапонина,
детергентов и т. п. Сравнение характеристик пены разных
культуральных жидкостей показало, что длительность
образования стационарного слоя пены, а также длительность
разрушения этого слоя непропорциональны стационар-
мп. дн. сп
<f;<$'f(Tp)
*&*№*)
0
24 h8 72 86
Часы
ПО № 168 № z>
Рис. 73. Изменения в ходе ферментации свойств культураль-
ной жидкости стрептомицина, связанных с пенообразованием
(Р. Д. Сойфер).
ной высоте Яс. В связи с этим Р. Д. Сойфер предложил
в качестве показателя вспениваемости культуральных
жидкостей произведение средней скорости роста пены
Н/х на длительность разрушения образованного слоя
пены тр:
и
Измерения производятся в описанном автором
приборе по несложной методике.
Применение показателя q позволяет количественно
охарактеризовать динамику пенообразования в ходе
ферментации (рис.73).
181
■п гь»^- * у-ч. -с • —"_1"ч п 1» h •• ,\ -■-
•• чгЩй/Оф ' " *","V*T^*7*^T' ■' ^'-"^*«-«-I-** "'■ .'■
На основе показателя q разработан критерий и для
лабораторной оценки пеногасительных свойств разных
веществ:
где Сэ — объемный расход пеногасителя на единицу
объема испытуемой культуральной жидкости,
обеспечивший снижение ее пенообразующей способности от
исходной величины q до допустимого уровня qK С помощью
интегральной функции qSj вычисляемой на основе
измерений величины q культуральной жидкости по ходу
ферментации, количественно оценивается общий
(суммарный) уровень пенообразования в процессе. Критерий q3
используется при изучении влияния состава исходной
питательной среды и других факторов на пенообразование
при ферментации.
ПЕНОГАШЕНИЕ
Для гашения различных пен предложены
разнообразные методы. Р. Д. Сойфер классифицирует их
следующим образом.
1. Устранение вспенивателей и воздействие на пену
физико-химическими средствами: а) разработка
рецептур сред, обеспечивающих пониженное пенообразование
при ферментации; б) удаление вспенивателей из
растворов; в) добавление веществ, связывающих
пенообразователи в поверхностно-неактивные комплексы; г)
добавление ПАВ, уменьшающих прочность пленок пены.
2. Разрушение пен механическими, гидро- и
аэродинамическими способами: а) ударное воздействие твердых
поверхностей; б) воздействие струями жидкости или
газа; в) сепарирование пены инерционным,
центробежным^ другими методами; г) резкое изменение давления
газа в пене; д) захват и разрушение пены потоками
перемешиваемой жидкости.
3. Акустическое пеногашение колебаниями звуковой и
ультразвуковой частоты.
4. Термическое пеногашение острым паром или через
нагретую поверхность.
5. Электрическре .пеногашение.
6. Стабилизация1уровня пены путем: а) временного
уменьшения подачи воздуха; б) временного'прекращения
182
механического перемешивания; в) вывода избыточной
пены из аппарата.
7. Комбинированные методы.
Большинство методов получило признание пока лишь
в патентах или испытано только в лабораторных
условиях. Наиболее известны химические пеногасители:
1) жиры животного происхождения — говяжий, свиной,
кашалотовый; растительные масла—подсолнечное,
льняное, кокосовое, пальмовое и др.; 2) кремнийорганические
пеногасители — полисилоксаны; 3) высшие жирные
спирты и их производные —октадекаиол, лаурилсульфонат и
другие сульфированные продукты; 4) минеральные
масла — вазелиновое, парафиновое и др.
Коллоидно-химическое действие этих пеногасителей
связано с их поверхностной активностью, как правило,
более высокой, чем у пенообразователей, и способностью
частично вытеснять пенообразователи из межфазовых
слоев, ослабляя тем самым прочность слоя пены.
Эффективные химические пеногасители обычно довольно
быстро, за 10—30 секунд, гасят пену или снижают ее
уровень. Нередки, впрочем, случаи очень слабого действия
пеногасителя или даже полного отсутствия эффекта.
Широкое промышленное применение получили
природные жировые пеногасители. В некоторых случаях более
эффективны по сравнению с жировыми полисилоксано-
вые пеногасители. Представителем полисилоксанов
является полидиметилсилоксан с концевыми гидроксиль-
ными группами ПГЖ-891.
НО
сн3 сн3
Si —О — Si-
СН3 СН,
он
Поверхностная активность силоксанов обусловлена
сочетанием гидрофобных полисилоксановых радикалов с
гидрофильными — гидроксильными, аминными и другими
группами. Эффективность и, следовательно, расход
пеногасителей разного строения находятся в зависимости от
содержания гидрофильных групп и их положения в
молекуле соединения. Полисилоксаны применяют в виде
эмульсий в воде или маслах. Одна из целей
применения эффективных силоксановых и других синтетических
183
1
пеногасителей — экономия дорогостоящих пищевых
жиров.
Среди других методов борьбы с чрезмерным пенообра-
зованием перспективны подбор питательных сред,
ферментация на которых проходит при допустимых уровнях
вспенивания, и применение механических пеногасителей.
Механические пеногасители в виде вращающихся в
аппарате или в выхлопной трубе лопастей, барабанов и т. д.
полезны в комбинации с химическими средствами
воздействия на пену.
Образующиеся при биосинтезе различных продуктов
пены обладают разной прочностью. Малостойкие пены
могут быть разрушены каким-либо одним из
перечисленных методов, в то время как для стойких необходимо
сочетание разных по природе воздействий. Временное
выключение мешалки, к которому иногда прибегают в
практике работы заводов, резко снижает концентрацию
кислорода в жидкости и не может быть признано
удовлетворительным методом пеногашения.
Используемые в качестве пеногасителей жиры во
многих случаях попутно являются одним из источников
углеродного питания продуцентов, а иногда даже
специфическими стимуляторами биосинтеза некоторых
антибиотиков (в определенных пределах концентраций жира).
Однако загрузка жиров в повышенных количествах (при
интенсивном пенообразовании) нежелательна, так как
это снижает скорость абсорбции кислорода и иногда
угнетает рост продуцента и биосинтез продукта.
Для автоматизации пеногашения с помощью
химических пеногасителей используется электропроводность
пены. В ферментаторе на определенном расстоянии от
уровня жидкости помещается электрод, находящийся
под электрическим током. Другим электродом служит
заземленный корпус ферментатора. Когда уровень пены
поднимается настолько, что пена соприкасается с
электродом, электрическая цепь замыкается и срабатывает
клапан на линии подачи пеногасителя в аппарат. Если
уровень пены после добавления пеногасителя продолжает
расти, автоматический прибор выключает мешалку.
Выключение мешалки значительно снижает концентрацию
кислорода в жидкости. Нередко в связи с этим
оказывается экономически выгоднее уменьшить заполнение
ферментатора и обеспечить непрерывную работу
мешалки, что благоприятно сказывается на развитии проду-
184
цента и биосинтеза. В некоторых системах
автоматического непогашения датчиком является термометр
сопротивления, на который намотана обогревающая спираль.
Импульс возникает при охлаждении датчика
поднявшейся пеной.
+
БРЫЗГОУНОС
Брызгоунос возникает при разрыве оболочек пузырей^
выходящих на поверхность жидкости, не содержащей
ПАВ, или оболочек пены, при наличии ПАВ. Разрушение
оболочки начинается с появления на ее поверхности ряда
разрывов. Затем пленка свертывается в отдельные
капли, которые за счет освобождающейся поверхностной
энергии часто приобретают значительную начальную
скорость. Чистые жидкости при этом могут образовывать
сравнительно крупные капли (до 1 мм) вследствие
значительной толщины пленки. Капли могут подниматься на
высоту до 2 м. С ростом скорости газа высота их
подъема увеличивается. Когда скорость газа становится
больше скорости падения капли, она уносится газом.
При насыщенной ПАВ поверхности раздела оболочка
пузыря до разрушения успевает достигнуть малой
толщины. При разрушении пены образуется большое
количество мельчайших капель, быстро теряющих
первоначальную скорость, но легко уносимых газом даже при
малых его скоростях.
Величина брызгоуноса культуральной жидкости, так
же как и испарения воды из культуральной жидкости при
барботаже, прямо связана с расходом воздуха.
Брызгоунос вызывает потерю питательных веществ и
растворенного в жидкости продукта ферментации. При больших
расходах воздуха за счет испарения воды и брызгоуноса
теряется до 10% жидкости за операцию.
Одним из целесообразных путей компенсации этих
потерь является дозаполнение ферментатора растворами
питательных веществ в ходе ферментации («доливы»).
ЛИТЕРАТУРА
Бойко И. Д., С о и ф е р Р. Д., Фридман Т. И. Мед. пром., 1962,
10, 39—41.
Годен А. М. Флотация. М. Госгортехиздат, 1959.
13 К. Г. Федосеев 185
ъ- --*ч«-йй1ЦЙ1,*ЦРЩ#iliwfe^■#**»■*-**■ «■№»'«■*■■
Городецкая А. В. Антибиотики (реф.) Изд. ин. лит.. 1956, 3,
3 а с ы п к и н а П. С. и др. В кн.: Производство и применение крем-
нийорганических соединений. Сб. I. М., 1964, 151—160.
С о й ф е р Р. Д. Мед. пром., 1966, 3, 22—27.
Сой ф ер Р. Д. Антибиотики, 1965, 3, 264—271.
С о й ф е р Р. Д. Антибиотики, 1967, 8, 733—740.
Шелудко А. Коллоидная химия. М. Изд. ин. лит., I960.
Bikerman J. J. Trans. Faraday Soc, 1938, 34, 5, 634—638.
Bikerman J. J. Foams: theory and industrial application. N. Y..
1953.
VI
СОХРАНЕНИЕ СТЕРИЛЬНОСТИ
ОБОРУДОВАНИЯ
г"
Г
Операции ферментации должны проводиться с чистой
культурой продуцентов, т. е. быть «стерильными»
(имеется в виду отсутствие посторонней микрофлоры).
Ферментационные установки представляют собой сложный
комплекс аппаратов, включающий наряду с посевными и
продукционными ферментаторами, мерниками для пено-
гасителя и веществ, добавляемых в аппарат по ходу
ферментации, также систему непрерывной стерилизации
среды, систему очистки воздуха и т. д.
Указанные аппараты соединены между собой большим
количеством трубопроводов, суммарная длина которых
достигает сотен метров. На этих трубопроводах и
аппаратах имеется множество фланцев, вентилей, сальников
и КИП, десятки метров сварных швов, что увеличивает
возможность проникновения посторонней микрофлоры.
Необходимость сохранения «стерильности» в
производственных аппаратах является специфической проблемой
биотехнологии. Она требует при проектировании
оборудования, его изготовлении и работе на нем большого
внимания к вопросам микробиологической надежности и
тщательного соблюдения всех рекомендаций и
инструкций. Нередки случаи, когда надежная, по замыслу
проектировщика, конструкция оказывается на практике
ненадежной из-за невысокого качества изготовления и
недостаточно тщательного обслуживания аппарата.
Необходимо при конструировании предвидеть это и
стремиться создать надежные системы, предусматривая
функциональную избыточность элементов защиты от
заражения или дублирования этих элементов там, где это
возможно.
Основные требования к конструкции и эксплуатации
аппаратуры с точки зрения сохранения стерильности
сводятся к следующему.
1. Сварные швы в аппаратах и трубопроводах должны
обеспечивать герметичность оборудования; при
гидравлическом испытании недопустимы течи в швах. Следует
13* 187
ь
обходиться минимальным количеством штуцеров на
корпусе аппарата, особенно ниже уровня жидкости.
2. Фланцевые соединения, неизбежные в крышках
лазов, крышках небольших аппаратов и у вентилей, должны
иметь хорошо обработанные и гладкие поверхности
соприкосновения, причем в качестве прокладок следует
применять преимущественно резину.
Рис. 74. Давление в сте- Рис. 75. Неправильное (А) и правиль-
рильном аппарате долж- ное (Б) соединение трубопроводом
но быть выше, чем в ру- стерильных аппаратов,
башке. Расход
охлаждающей воды регулируется
вентилем а, вентиль б
полностью открыт.
3. В течение всей ферментации необходимо сохранять
избыточное давление в аппарате по отношению к
давлению в окружающей нестерильной среде, например, в
рубашке или змеевиках с охлаждающей водой (рис. 74).
Вакуум, возникающий в ферментаторе, в результате
конденсации пара при охлаждении аппарата после
стерилизации приводит к засасыванию внутрь аппарата воздуха
через сальники вала мешалки и вентилей. При быстром
движении стерильной жидкости по трубопроводу ее
давление может стать ниже атмосферного, несмотря на
избыточное давление в исходном и приемном
резервуарах. Это может привести к засасыванию воздуха через
сальник вентилей. Поэтому, например, при передаче по-
188
севного материала в ферментатор по посевной линии
нельзя допускать большой скорости движения жидкости.
При остановке воздушного компрессора нельзя
допускать падения давления в воздушном фильтре ниже
давления в ферментаторе, чтобы не произошел переброс в
фильтр культуральной жидкости по барботеру.
4. Необходимо предусмотреть возможность
независимой стерилизации отдельных частей системы без
прекращения работы остального оборудования.
Пусть два стерильных аппарата (рис. 75) соединяются
трубопроводом, на котором имеется только один вентиль
(вариант А). При стерилизации одного из аппаратов этот
вентиль (а) будет нагреваться только со стороны
стерилизуемого аппарата и не достигнет температуры
стерилизации вследствие теплопроводности холодной части
трубопровода. Для надежной стерилизации этот вентиль
должен быть открыт, поэтому необходимо установить на
линии второй вентиль (вариант Б). Второй вентиль
стерилизуется вместе с другим аппаратом, а для
надежности сохранения стерильности трубопровода и сальников
вентилей во время работы обоих аппаратов линия между
ними оставляется под паром.
Такая система двойных вентилей (б, в) с паровой и
конденсационной линиями между ними обеспечивает
гибкость в операции стерилизации и надежность сохранения
стерильности трубопроводов. Эти паровые затворы
ставятся на все стерильные коммуникации, которые
используются периодически. На ферментаторе к таким
трубопроводам относятся материальная линия питательной
среды, посевная линия, сливной трубопровод и пробный
штуцер.
5. При стерилизации паром аппаратов и трубопроводов
необходимо удалять из них длительной продувкой
воздух. Все нагреваемые поверхности должны быть покрыты
теплоизоляцией. Необходим также контроль с помощью
термопар в предполагаемых точках недостаточного
прогрева при стерилизации. Ниже приводятся результаты
расчетов, тепло- и массопередачи в глухом штуцере, не
защищенном теплоизоляцией (Г. П. Питерских).
После «продувки» — пропускания через единицу
свободной емкости аппарата V объемов пара в условиях
полного перемешивания — отношение концентраций Сво
воздуха в аппарате к начальной концентрации Свн по
порядку величины равно:
189
*lv-
с
с
во
DH
,—V
Например; при расходе 10 кг пара/м3 аппарата, У = 6 и
Сво^0,1% от Свн, при расходе 15 кг/м3 аппарата Свол;
«0,01% и т. д.
Содержание воздуха в аппарате после продувки его
паром невелико; вследствие конденсации пара на
внутри»:. 76. Полость штуцера.
ренней поверхности штуцера (рис. 76) происходит приток
в него воздуха из аппарата. Концентрация воздуха на
глубине / штуцера определяется уравнением;
'oV
с
где Q\ и Q2 — тепловые потери штуцера через боковую
поверхность и через торец соответственно, кдж; г0 —
теплота конденсации единицы объема пара, кдж/м3; DQ —
коэффициент приведенной диффузии пара в штуцер, т. е.
диффузии молекулярной и конвективной, м2/сек; F —
площадь поперечного сечения полости штуцера, м2,
190
Из уравнения видно, что повышение потерь тепла и
увеличение длины штуцера очень сильно увеличивают
концентрацию воздуха в штуцере. Столь же сильное, но
обратное влияние оказывают увеличение площади сечения
штуцера и интенсивность диффузии. По нижеследующим
формулам находится D0 и температура в глухом конце
штуцера Т\\
D0 = 0,18 D (Ar- PrD)°'25
при Лг-Рго>103. Если Ar-Prv<l0\ то D0«D.
л ~J-$£(l £l Cb1 + 0,622M-Cd1) \
где Ar=lt!L?l^l.prD=^
v — кинематическая вязкость паровоздушной смеси; р, и
ро_ее плотность вверху и внизу полости
(соответственно).
Расчет показывает, что при условном проходе штуцера
rfy = 25 мм температура в торце штуцера снижается на
20° (от 133 до 113°), даже если концентрация воздуха
в аппарате равна 0,5X10"80/0. Такая низкая
концентрация практически недостижима, при более высокой
остаточной концентрации воздуха в аппарате снижение
температуры больше. Поэтому необходимо расширение
штуцера или его теплоизоляция. Снижение температуры
наблюдается не только на штуцерах, но и на
неизолированной крышке посевного аппарата. Измерения показали,
что при температуре внутри аппарата 126° температура
наружной поверхности крышки была 106°. По расчету
этому соответствует температура внутренней стенки 107°.
6. Отдельные изолированные «микробиологически
ненадежные» узлы конструкции, обеззараживание которых
не может быть гарантировано при стерилизации
основного аппарата, должны быть снабжены подводкой пара
или электрообогревом для постоянной или
периодической стерилизации во время работы аппарата. Приме-
■ ром может служить уплотнение ввода вала мешалки в
ферментатор.
В качестве уплотнения на ферментаторах применяют
сальники, набиваемые асбестовым шнуром, пропитанным
крнсистентной смазкой с добавлением графита. Сальник
может не простерилизоваться из-за большой
теплопроводности окружающих металлических деталей и из-за
большого сечения набивки. Поэтому в некоторых
конструкциях предусматривается подавать в сальник пар
через специальные штуцеры не только при стерилизации
аппарата, но периодически или постоянно во время фер-
12В ¥ &
Рис. 77. Схема торцового уплотнения (объяснения в тексте).
ментации. Удовлетворительная надежность сальникового
уплотнения обеспечивается при отсутствии биения
участка вала, проходящего через сальник и при тщательной
обработке и полировке поверхности вала,
соприкасающейся с набивкой. Для уменьшения биения вала при
любом уплотнении в ферментаторах (емкостью начиная с
2 м3 и более) предусматривается подпятник, а в
аппаратах емкостью 10 м3 и более — растяжка со втулкой на
уровне половины длины вала для его центровки.
192
# *>^^£мж ^^^^-^^mm^mi '■
И все же уплотнения с мягкой набивкой недостаточно
надежны в работе из-за быстрого износа набивки,
требуют постоянного наблюдения и трудоемкой смены
набивки. Этих недостатков лишено торцовое уплотнение. Оно
хотя сложнее и значительно дороже сальникового, но
отличается малым износом трущихся частей, поэтому
способно работать без нарушения герметичности до 1 года.
На схеме (рис. 77) условно показана только правая
сторона разреза уплотнения УКРНИИХИММАШ.
На валу (/) закреплена стальная пята (2). К
полированным торцовым поверхностям пяты с помощью
нескольких пружин {3) прижимаются притертые бронзовые
кольца (4, 5) верхнего (6) и нижнего (7) подпятника.
Подпятники крепятся к корпусу (8) уплотнения через
упругие мембраны (9, 10), компенсирующие угловые и
осевые биения вала, возникающие в результате
неточности изготовления и монтажа управления. В корпус
заливается масло, снижающее трение между
неподвижными бронзовыми кольцами и вращающейся пятой вала.
Для предотвращения попадания посторонней
микрофлоры в ферментатор температура масла поддерживается на
необходимом для стерилизации уровне с помощью
трубчатого электронагревателя {11). Просочившееся масло
собирается в маслоуловителе {12), откуда удаляется
вакуумом. Уплотнение с помощью фланцев {13)
крепится шпильками к крышке {14) ферментатора.
7. В выхлопную линию ферментатора могут
происходить выбросы пены, на ее внутренних стенках оседают
капли культуральной жидкости. При закрытом вентиле в
эту трубу выше вентиля может проникать холодный
нестерильный воздух из наружной атмосферы. По этим
причинам выхлопную линию на минимальном расстоянии от
ферментатора необходимо направить хотя бы с малым
наклоном вниз, а запорный вентиль поставить в начале
нисходящей части трубопровода.
8. Ферментатор после каждой операции должен
подвергаться профилактическому осмотру и ремонту, а
также проверке на герметичность. Обязателен тщательный
смыв биомассы и других осадков с внутренних
поверхностей аппарата. Ручная промывка из шланга
трудоемка и ненадежна. Ускоряет операцию вводимое в лаз
приспособление— трубопровод с насадкой, формирующей
струи воды, подаваемой под большим напором (12—
16 ат). Для надежной очистки нижней части высоких
193
аппаратов второй промыватель вводят через боковой
люк.
9. Транспортировку стерильных жидкостей производят
передавливанием стерильным воздухом.
10. Трубопроводы стерильных линий по возможности
должны выполняться прямолинейно, без глухих отводов
и с уклоном к стоку, чтобы предотвратить застой
жидкости и прорастание посторонней микрофлоры из
термоустойчивых спор.
Стерильная
часть
Нестерильная
часть
Рис. 78. Установка вентиля на стерильном
трубопроводе.
11. Вентили требуют систематического наблюдения и
обслуживания. Тип вентиля должен обеспечивать
микробиологическую надежность, строго герметичное
перекрывание трубопровода и удобство в обслуживании. На
паровых и конденсационных линиях, подведенных к
стерильным линиям, нередко применяют игольчатые
вентили, у которых конический металлический клапан хорошо
притерт к металлическому седлу. На материальных и
воздушных линиях часто применяют вентиль с плоским
клапаном, снабженным фибровой прокладкой, которую
сменяют после каждого ферментационного дикла.
Притертые поверхности ненадежны при попадании
абразивных частиц. На любых трубопроводах надежнее
применять на плоских клапанах тефлоновые прокладки. Они
достаточно эластичны и выдерживают температуру до
300°. Для вытеснения неконденсирующихся газов из
вентиля весьма желательно присоединение паропровода
непосредственно к корпусу вентиля. Для уменьшения теп-
лопотерь полезна съемная теплоизоляция, удаляемая при
проверке фланца вентиля на герметичность и при
ремонтных работах.
Сальник, имеющийся на вводе шпинделя в корпус
обычного вентиля, стерилизуется с трудом. Поэтому
вентиль ставится таким образом, чтобы клапан изолировал
от сальника вентиля стерильную часть системы, не
находящуюся постоянно под паром (рис. 78). На воздушных
линиях весьма надежны сильфонные вентили, не
имеющие сальника. На трубопроводах, передающих жидкости,
эти вентили ненадежны из-за разрушения сильфона под
влиянием гидравлических ударов.
12. Для уменьшения вероятности заражения
стерильной зоны при ее контакте с внешней средой необходимо
свести до минимума концентрацию микробов в
производственном помещении. Для этого следует очищать воздух
приточной вентиляции с помощью фильтрующих
приспособлений, обеспечивать чистоту поверхностей аппаратов
и помещения, протирать пол помещения раствором
фенола, облучать воздух ультрафиолетовыми лампами и пр.
13. Хранение простерилизованной питательной среды
в ферментаторе в течение нескольких часов часто
приводит к ее так называемому прорастанию, т. е. развитию в
ней посторонней микрофлоры. Это показывает
относительность достигаемой на практике стерильности среды
и необходимость немедленно после стерилизации
засевать среду посевным материалом, чтобы развивающийся
продуцент подавил продуктами своей жизнедеятельности
развитие посторонней микрофлоры.
Из приведенного перечня требований к оборудованию
видно большое разнообразие причин возникновения
«нестерильности». Соблюдение всех указанных требований
является одной из важнейших предпосылок
качественного проведения процесса" ферментации.
ЛИТЕРАТУРА
Б ан ников М. Т. и др. Мед. пром., 1966, 12, 23—31.
Кирсанов П. М. и др. Мед. пром., 1964, 7, 31—34.
Питерских Г. П. Мед. пром., 1966, 12, 32—36.
Schultz J. S. et al. Biotechnol. Bioeng, 1962, 4, 3, 299—301.
Ulrich K. et al. Biotechnol. Bioeng., 1965, 7, 4, 507—515.
I- ■
Приложение
ОСНОВНЫЕ (ОБЩЕПРИНЯТЫЕ) ОБОЗНАЧЕНИЯ
Символ
Значение
Л
В
с
D
))
F
G
К
N
Q
т
V
Усе к*
а
d
м
J96
Работа
перего-
Ширина отражательной
родки
Концентрация
Диаметр аппарата
Коэффициент молекулярной диф
фузии
Поверхность
Высота слоя жидкости
Вес
Коэффициент теплопередачи
Мощность
Количество теплоты
Абсолютная температура
Объем
Объемный расход
Коэффициент температуропровод
ности
Ширина лопасти мешалки
Диаметр мешалки
Размерность
КГ* MJ
сек2
м ■
кг
м3
м
м-'
сек
м2
м
К' Г • М
сек'-'
КГ
сек3- град
кг* м2
сек3
кг-м-1
сек-'
град
м3
М3
сек
м2
сек
м
м
Единицы
измерения
дж, кдж
м, мм
кг
моль
М3
м
м
н.
М3
, мм
м2
сек
м^
, мм
, к и
ВТ
м-'-град
вт.' квт
дж, кдж
°К
м3
м3
сек
м2
сек
м, мм
м, мм
.1,. »J
Символ
Значение
/
Удельная поверхность
g
Ускорение свободного падения
/
m
п
Коэффициент абсорбции
Линейный размер, длина трубы,
длина лопасти мешалки
Масса
Число оборотов
Давление
V, W
Скорость
х, у, г
а
Обозначения осей координат
Коэффициент теплоотдачи
Т
Удельный вес
X
Коэффициент полезного действия
Теплопроводность
Н-
Динамическая вязкость
Кинематическая вязкость
Р
Плотность
Поверхностное натяжение
Время
Угловая скорость
Продолжение
Размерность
Ьдиницы
измерения
1
М
м
сек2
м
сек
м
' 1ч
К1
I
сек
кг
M-ceKJ
м
сек
кг
к г • м
сек3-град
кг
м-сек
м2
сек
кг
м3
кг
сек2
сек
1
сек
м3
м
сек
м
сек
м, мм
кг, г.
об оо
сек мин
н ат, мм
~> вод. ст
М"
м
сек3-град
кг
м2-сек2
сек
вт
м-'Град
и
м3
ВТ
м-град
н-сек
м2
м2
сек
кг
м3
дж
ма
сек, час
рад
сек
197
ч
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
Литература 10
I. Стерилизация питательных сред И
Скорость отмирания микроорганизмов . . . . . . . 11
Масштабный переход при стерилизации 14
Влияние температуры иа скорость процесса 15
Выбор температуры стерилизации питательной среды ... 18
Периодический и непрерывный методы стерилизации ... 19
Схема подготовки питательной среды 20
Нагреватель 22
Выдерживатель 21
Холодильник 26
Литература 28
II. Массопередача и потребление кислорода 30
Массопередача кислорода 30
Определения н основные переменные 30
Барботаж газа (при отсутствии механического
перемешивания) 35
Влияние перемешивания на барботаж 38
Влияние движущей силы иа скорость абсорбции кислорода 38
Методы измерения скорости абсорбции и потребления
кислорода 41
Сопротивления массопередаче 45
Влияние физических свойств культуральных жидкостей иа
массопередачу 51
Потребление кислорода ' . . 56
Перемешивание в процессе ферментации 62
Выбор мешалок 62
Влияние циркуляции жидкости в сосуде на аэрацию . . 65
Влияние турбулентного движения на массопередачу . . 68
Выбор диаметра мешалки и скорости ее вращения . . 72
Расход энергии иа перемешивание жидкости .... 78
Расход энергии на перемешивание в системе газ—ку.тьту-
ральная жидкость 81
Масштабный переход в процессах массопередачи и
перемешивания . ■ 85
Литература 92
III. Некоторые аспекты процесса ферментации. Ферментаторы 93
Экономически наивыгоднейшая мощность перемешивания . . 94
Регулирование аэрации и перемешивания 96
Передача крутяшего момента от электродвигателя к мешалке 99
Тепловой баланс процесса ферментации . . ■ . . . 101
198
Теплообменные устройства * * ... 106
Определение оптимального момента окончания процесса
ферментации 109
Конструкция и материал ферментатора П2
Емкость и габариты И7
Конструкции, основанные на других методах аэрации и
перемешивания 121
Литература 131
IV. Стерилизация воздуха 133
Выбор метода очистки 133
Теоретические основы осаждения аэрозолей . . . . . . 134
Коэффициент осаждения 134
Инерционное осаждение 137
Касание 140
Диффузия , . . . 112
Седиментация 147
Электростатическое притяжение 147
Действие ван-дер-ваальсовых сил 149
Общий коэффициент осаждения 149
Размеры максимально проникающих частиц 151
Расчет высоты насадки фильтра 154
Количество микробов в исходном и очищенном воздухе 155
Проектирование и эксплуатация аэрозольного фильтра . . . 157
Критерий качества насадки фильтра 157
Выбор рабочей скорости воздуха и диаметра волокна . . 158
Основные расчетные соотношения 158
Характеристики некоторых фильтровальных материалов . 162
Характеристика микробных загрязнений . . . . . 163
Некоторые рекомендации но выбору насадок и режимов
работы фильтров 164
Уменьшение проницаемости фильтра 165
Технологическая схема получения стерильного сжатого воздуха 167
Литература 173
V. Пенообразоваиие и пеиогашеиие 174
Роль пенообразования 174
Коллоидно-химические основы пенообразования . 174
Кинетика пенообразования ... 177
Измерение пеиообразующей способности культуральных
жидкостей . . . 180
Пеногашение 182
Брызгоунос 185
Литература 185
VI. Сохранение стерильности оборудовании ...... 187
■
Литература , 195
Приложение 196
ч
:i
..j
К. Г. ФЕДОСЕЕВ
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
В ХИМИКО-ФАРМАЦЕРТИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
S
Редактор Р. Д. Сойфер
Техн. редактор В. Я. Табенская
Корректор Л. Г. Воронина
Художественный редактор Н. А. Гурова
Переплет художника В. Е. Орлова
Саано з набор 28/VII 1969 г. Подписано к печати
9/ХП 1969 г. Формат бумаги 84ХЮ8'/зг 6,25 печ. л.
(условных 10.50 л.) 9,68 уч.-изд. л. Бум. тип. № 2,
Тираж I0 00J экз. Т-16812 МУ-21
Издательство «Медицина».
Москва, Петроверигскпй пер., 6/8
Заказ 570. П-я типография Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР.
Москва, Нагатинская ул., д. 1.
Цеиа 44 к.
(■•ЦМШШДЧЩМ!*