Ферментатор с шахтным аэратором.

Принципиальная схема такого аппарата показана на рис. 2.29. Он состоит из емкости 1, циркуляционного насоса 2, теплообменных элементов 3 и 4 и аэрационного шахтного устрой­ства 6 для пленочно-струйного истечения жидкости. Шахтное уст­ройство является основным элементом аппарата, определяющим условия аэрирования жидкости. Принцип его работы сводится к следующему. Жидкость, увлекаемая насосом 2 из емкости 1, после теплообменника 3 подается в распределительную коробку 5 и, обтекая верхнюю закругленную кромку трубы 7, поступает в нее в виде кольцевого потока достаточно большой толщины. Сте­кая вниз по трубе 5 с нарастающей скоростью, жидкость увлекает за собой газ. Эффективному захвату газа способ­ствуют два фактора: шероховатость поверхности раздела фаз и касательное напряжение на границе раздела газ — жидкость. По мере стекания жидкости она так насыщается газом, что в ниж­нем сечении трубы 6 образуется газожидкостная смесь. При па­дении ее с большой скоростью на поверхность жидкости, нахо­дящейся в емкости 7, происходит дополнительный захват газа,

Рис. 2.29. Ферментатор с шахтным аератором

и в верхней части емкости 1 образуется газожидкостная система, размеры пузырьков в которой составляют менее 3 мм.

Основным узлом ферментатора, обеспечивающим ввод воздуха в культуральную среду, является аэрирующее шахтное устройство.

Глава 3 СЕПАРАТОРЫ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ

Процесс сепарации газожидкостных систем встречается в двух основных случаях: при разрушении пены и при выделении ка­пельной влаги из газа. Устойчивая структурная пена образуется на различных стадиях технологии получения биомассы: при ферментации, флотации и упаривании суспензий. На этих же стадиях может появиться необходимость улавливания капель­ной влаги, уносимой газом после разрушения пены.

Для пенорегулирования и предотвращения выбросов пеныиз биотехнологической аппаратуры существует много способов и средств, выбор которых зависит от природы продуцирующих микроорганизмов, физико-химических свойств среды и гидроди­намических условий ведения процесса. Эти способы и средства принято распределять по пяти основным группам:

1) химическое пеногашение, предусматривающее введение в пену веществ, связывающих пенообразователи в поверхностно-неактивные комплексы, или добавление ПАВ, уменьшающих прочность пленок;

2) физические способы пеногашения, к которым можно от­нести разрушение пены колебаниями звуковой или ультразву­ковой частоты, тепловое или электроимпульсное воздействие на пленки пены;

3) гидродинамические способы пеногашения, когда пена раз­рушается струями жидкости, ударной волной гидростатического давления или при прохождении через сужающее ее поток устрой­ство;

4) механические средства пеногашения, в которых разруше­ние пены осуществляется ударным воздействием на нее лопаток, трением пены о поверхности вращающихся дисков и конусов, а также за счет центробежного разделения фаз;

5) комбинированное пеногашение, сочетающее в себе различ­ные варианты указанных выше четырех способов.

Специфической особенностью химического пеногасителя яв­ляется более высокая его поверхностная активность, чем у основ­ного пенообразователя. Попадая на поверхность пленки, хими­ческий пеногаситель вытесняет из нее пенообразователь, создавая локальное понижение поверхностного натяжения. В результате этого происходит перемещение поверхностных слоев пленки в сторону больших значений поверхностного натяжения, сопро­вождающееся быстрым ее утончением в месте нахождения хими­ческого пеногасителя. Конечная толщина пленки при этом дости­гает нулевого значения, при котором наступает разрыв и раз­рушение пузырьков пены.

Кроме высокой поверхностной активности по отношению к пенообразующей жидкости химический пеногаситель должен быть практически не растворим в ней и хорошо диспергироваться в объеме пены.

Введение синтетического пеногасителя в культуральную среду на стадии ферментации ухудшает качество готового продукта, загрязняя его побочными примесями. Наблюдается при этом и понижение скорости переноса кислорода из газа в жидкость.

Особенность гидродинамических и механических способов воздействия на пену заключается в том, что она не разрушается полностью с образованием двух независимых фаз — газа и жид­кости. При этих способах в пену, как правило, вводится дополни­тельная энергия, и расходуется она на развитие межфазной поверхности. Вследствие этого из первичной крупноячеистой пены образуется вторичная мелкопузырчатая, отличающаяся большой площадью удельной поверхности и пониженным газо­содержанием. Часто такую пену называют эмульсией. Разрушение пены без образования ее вторичной структуры можно осу­ществить только в центробежных тарельчатых пеногасителях.

Механические пеногасители

Основным узлом любого механического пеногасителя яв­ляется быстровращающийся ротор, выполняемый в виде диска с лопатками, беличьего колеса, набора конусов, гладких и с ло­патками, и различных их комбинаций.

Все механические пеногасители можно подразделить на две группы: ударно-сдвигового воздейст­вия на пену и центробежно-фильтрационного.

Рис. 3.3. Пеногаситель ударно-сдвигового действия

с ротором в сепарационной камере

Вторичная пена возвращается в ферментатор. При слабой циркуляции газожидкостной системы в ферментаторе в верхней его части образуется смесь с повышенным содержанием вто­ричной пены. Поскольку такая пена состоит из пузырьков малых размеров, к тому же обедненных кислородом, в этой зоне будет ухудшенный массообмен. Наблюдается при этом и резкое воз­растание мощности, потребляемой ротором пеногасителя.