Các thiết bị lên men nuôi cấy chìm vi sinh vật trong các môi trường dinh dưỡng lỏng

Nuôi cấy các vi sinh vật phần lớn được tiến hành trong các điều kiện tiệt trùng. Độ tiệt trùng của quá trình được đảm bảo bằng phương pháp tiệt trùng thiết bị lên men, các đường ống dẫn, cảm biến dụng cụ; nạp môi trường dinh dưỡng tiệt trùng và giống cấy thuần chuẩn vào thiết bị lên men đã được tiệt trùng; không khí tiệt trùng để thông gió canh trường và chất khử bọt tiệt trùng; các dụng cụ cảm biến tiệt trùng trong thiết bị lên men để kiểm tra và điều chỉnh các thông số của quá trình; bảo vệ vật đệm kín trục của bộ chuyển đảo, các đường ống công nghệ và phụ tùng trong quá trình nuôi cấy.

Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt

Dạng thiết bị lên men này được sử dụng rộng rãi cho các quá trình tiệt trùng để nuôi cấy vi sinh vật - sản sinh ra các chất hoạt hoá sinh học.

Thiết bị lên men có thể tích 63 m3. Dạng thiết bị lên men này là một xilanh đứng được chế tạo bằng thép X18H10T hay kim loại kép có nắp và đáy hình nón (hình 10.1). Tỷ lệ chiều cao và đường kính bằng 2,6:1. Trên nắp có bộ dẫn động cho cơ cấu chuyển đảo và cho khử bọt bằng cơ học; ống nối để nạp môi trường dinh dưỡng, vật liệu cấy, chất khử bọt, nạp và thải không khí; các cửa quan sát; cửa để đưa vòi rửa; van bảo hiểm và các khớp nối để cắm các dụng cụ kiểm tra.

Khớp xả 16 ở đáy của thiết bị dùng để tháo canh trường. Bên trong có trục 6 xuyên suốt. Các cơ cấu chuyển đảo được gắn chặt trên trục. Cơ cấu chuyển đảo gồm có các tuabin 8 có đường kính 600 1000 mm với các cánh rộng 150  200 mm được định vị ở 2 tầng, còn tuabin hở thứ ba được gắn chặt trên bộ sủi bọt 13 để phân tán các bọt không khí. Bộ sủi bọt có dạng hình thoi được làm bằng những ống đột lỗ. Ở phần trên của bộ sủi bọt có khoảng 2000  3000 lỗ theo kiểu bàn cờ.

Hình 10.1. Thiết bị lên men với bộđảo trộn cơ học dạng sủi bọt cósức chứa 63 m3:

1- Động cơ; 2- Hộp giảm tốc; 3- Khớp nối; 4- Ổ bi; 5- Vòng bít kín; 6- Trục; 7- Thành thiết bị ; 8- Máy khuấy trộn tuabin; 9- Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn; 10- Khớp nối; 11- Ống nạp không khí; 12- Máy trộn kiểu cánh quạt; 13- Bộ sủi bọt; 14- Máy khuấy dạng vít; 15- Ổ đỡ; 16- Khớp để tháo; 17- Áo; 18- Khớp nạp liệu; 19- Khớp nạp không khí

Động cơ - bộ truyền động làm quay trục 6 và các cơ cấu đảo trộn 8, 12, 14. Sử dụng bộ giảm tốc và bộ dẫn động có dòng điện không đổi để điều chỉnh vô cấp số vòng quay trong giới hạn 110  200 vòng/ phút.

Thiết bị lên men được trang bị áo 17, gồm từ 6  8 ô. Mỗi ô có 8 rãnh được chế tạo bằng thép góc có kích thước 12060 mm. Diện tích làm việc của áo 60 m2. Bề mặt làm việc bên trong 45 m2 gồm ống xoắn 9 có đường kính 600 mm với số vít 23 khi tổng chiều cao của ruột xoắn 2,4 m.

Thiết bị lên men được tính toán để hoạt động dưới áp suất dư 0,25 MPa và để tiệt trùng ở nhiệt độ 130  1400C, cũng như để hoạt động dưới chân không. Trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật, áp suất bên trong thiết bị 50 kPa; tiêu hao không khí tiệt trùng đến 1 m3/ (m3/phút). Chiều cao cột chất lỏng trong thiết bị 5  6 m khi chiều cao của thiết bị hơn 8 m.

Để tiện lợi cho việc thao tác và tránh những sai lầm cần dán vào thiết bị sơ đồ chỉ dẫn thao tác (hình 10.2).

Để đảm bảo tiệt trùng trong suốt quá trình (giữ được hơi), các trục của cơ cấu chuyển đảo phải có vòng bít kín. Các vòng bít kín được tính toán để hoạt động ở áp suất 0,28 MPa và áp suất dư không nhỏ hơn 2,7 kPa, nhiệt độ 30  2500C và số vòng quay của trục đến 500 vòng/ phút. Nhờ các vòng đệm này mà ngăn ngừa được sự rò rỉ môi trường hay sự xâm nhập không khí vào khoang thiết bị ở vị trí nhô ra của trục.

Vòng bít kín khi tiếp xúc với môi trường làm việc được chế tạo bằng thép X18H10T và X17H13M2T, cũng như bằng titan BT-10. Thời gian hoạt động ổn định của các vòng này không nhỏ hơn 2000 h khi tuổi thọ 8000 h. Độ đảo hướng kính cho phép của trục trong vùng đệm kín không lớn hơn 0,25 mm, độ đảo chiều trục của trục không lớn hơn 0,250.

Để sản xuất lớn các chất hoạt hoá sinh học bằng tổng hợp vi sinh, việc ứng dụng các thiết bị lên men có thể tích 63 m3 là không kinh tế.

Thiết bị lên men có thể tích 100 m3 được sản xuất ở Đức. Loại này thuộc thiết bị xilanh có bộ dẫn động ở dưới cho cơ cấu đảo trộn. Cơ cấu đảo trộn với hai số vòng quay của trục - 120 và 180 vòng/ phút. Theo dấu hiệu về kết cấu nó gần giống với thiết bị lên men có thể tích 63 m3. Bảo vệ vòng bít kín của trục bằng cửa van dầu, được tiệt trùng ở nhiệt độ đến 1400C. Ngoài ra còn có bít kín dự phòng để mở một cách tự động khi trục ngừng hoạt động, nhằm bảo vệ vòng bít kín chính của trục và cho phép thay đổi vòng bít kín chính trong quá trình nuôi cấy để không phá huỷ độ tiệt trùng của canh trường.

Trên trục lắp ba máy khuấy đảo kiểu tuabin dạng mở với đường kính từ 820 đến 1100 mm. Thiết bị lên men có bề mặt trao đổi nhiệt ở bên trong và bên ngoài để thải nhiệt.

1- Hơi vào; 2- Không khí tiệt trùng vào; 3- Không khí tiệt trùng hay hơi vào vùng bít kín; 4- Thoát hơi hay không khí tiệt trùng tới bộ sủi bọt; 5- Hơi hay không khí tiệt trùng vào thiết bị ở phần trên; 6- Thải hơi hay không khí tiệt trùng tới bộ lấy mẫu thử nghiệm; 7- Thải hơi hay không khí tiệt trùng; 8- Cơ cấu ống nhánh có van điều chỉnh bằng khí động học; 9- Nạp hơi hay không khí tiệt trùng vào thiết bị ở phần dưới; 10- Tháo nước ngưng; 11- Áp kế; 12- Van; 13- Ống tháo; 14- Van khoá; 15- Van lấy mẫu; 16- Nạp hơi hay không khí tiệt trùng khi lấy mẫu; 17- Đoạn ống để nối áp kế kiểm tra; 18, 25- Các áp kế; 19- Van để nạp vật liệu cấy; 20- Nạp canh trường; 21, 23- Nạp dung dịch chuẩn; 22- Thải hơi hay không khí từ vùng bít kín; 24- Ống nhánh để nạp dung dịch chuẩn; 26- Cung cấp khí thải từ thiết bị; 27- Cung cấp nước; 28- Van rót; 29- Van để rót nước từ áo; 30- Van để nạp nước lạnh; 31- Ống nhánh để nạp nước lạnh; 32- Lược; 33- Áp kế; 34- Van an toàn; 35- Cảm biến nhiệt độ; 36, 37- Các dụng cụ thứ cấp để đo nhiệt độ và độ pH; 38- Cảm biến pH met; 39- Thiết bị lên men; 40- Cơ cấu để làm sạch không khí

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men được sản xuất ở Đức:

Thể tích, m3:

hình học:100

làm việc: 70

Diện tích bề mặt, m2:

bên ngoài:89

bên trong: 77

Áp suất làm việc, MPa:

trong thiết bị: 0,29

trong ống xoắn: 0,4

Công suất của bộ dẫn động, kW: 120/180

Đường kính, mm: 3600

Chiều cao thiết bị và bộ dẫn động, mm: 14270

Thiết bị lên men của Hãng Nordon (Pháp). Kết cấu của loại thiết bị lên men này khác với các loại đã nêu ở chổ cơ cấu phần đảo nằm ở dưới trục gồm 6 cánh điều chỉnh có tiết diện hình chữ nhật, còn cơ cấu cơ học để khử bọt nằm ở phía trên gồm hai cánh (tiết diện hình chữ nhật) có các gờ cứng. Khi nuôi cấy nấm mốc, các cánh của cơ cấu chuyển đảo được nghiêng dưới một góc 33  340. Hình 10.3 mô tả sơ đồ bít kín trục nhờ 6 lớp đệm vòng khít được gia công sơ bộ dung dịch 0,5 % phenol tinh thể. Các lớp ép chặt lại trong ống bọc nhờ các gugiông (vít cấy). Đệm vòng khít 2 chèn lắp giữa trục 1 và cốc đột lỗ 3. Hai khớp nối 8 được dẫn tới các lỗ cốc. Hơi nạp theo các khớp nối này để tiệt trùng các vòng bít. Tiệt trùng ở nhiệt độ 1350C trong 1 h. Nước ngưng chảy vào phần dưới và được thải ra qua khớp nối 9. Khi kết thúc quá trình tiệt trùng khớp tháo nước ngưng được đóng lại và không khí tiệt trùng qua khớp 5 vào cơ cấu bít kín. Trong thời gian của quá trình nuôi cấy, áp suất không khí được giữ ở mức 0,2  0,4 MPa.

Sau khi tiệt trùng thiết bị và hạ áp suất đến áp suất khí quyển thì nạp tự động không khí tiệt trùng để tạo áp suất 0,2 MPa, và chỉ có sau đó mới nạp nước làm lạnh vào thiết bị. Tháo chất lỏng canh trường ra khỏi thiết bị nhờ không khí nén được tiệt trùng.

Hình 10.3. Bít kín trục của thiết bị lên men:

1- Trục; 2- Đệm vòng kín; 3- Cốc đột lỗ; 4- Vỏ của bộ nút kín; 5- Khớp nối để dẫn không khí tiệt trùng; 6- Ống lót ép; 7- Gugiông; 8- Khớp nối để nạp khí; 9- Khớp nối để thải nước ngưng

Bảng 10.1. Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị lên men của Hãng Nordon có đảo trộn cơ học

Thể tích, m3	Số vòng quay của cơ cấu trộn vòng/phút	Đường kính, mm	Chiều cao, mm	Công suất động cơ, kW
23153260120	Từ 150 dến 500250170175160120	200011001900240029002800	32603910635082991065012150	7,518,522,530,0225,0 (1)225,0

Ghi chú: (1) Công suất điện đã được nêu trên chỉ trong trường hợp sử dụng thiết bị lên men để nuôi cấy nấm mốc - cho sản phẩm amiloglucozidaza.

Các thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học và thông gió môi trường

Các thiết bị mà bên trong nó có trang bị các vòi phun, ống khuếch tán, các bộ làm sủi bọt để nạp không khí đều thuộc loại này. Không khí vào được sử dụng để khuấy trộn canh trường, để đảm bảo nhu cầu oxy cho vi sinh vật và để thải các chất chuyển hoá tạo thành.

Thiết bị lên men dạng xilanh. Thiết bị loại này về kết cấu bên ngoài tương tự như thiết bị lên men có khuấy trộn bằng cơ học, nhưng bên trong không có cơ cấu khuấy trộn bằng cơ học. Ống khuếch tán dạng xilanh 9 có miệng loa ở đáy, được lắp bên trong thiết bị. Máy thông gió 2 được lắp theo đường tâm của thiết bị. Nhờ các cánh hướng, không khí có áp suất được đưa vào máy thông gió theo tiếp tuyến đến tán phễu tròn làm

Hình 10.4. Thiết bị lên men dạng xilanh có đảo trộn bằng khí động học và thổi khí môi trường:

1- Khớp nối để tháo; 2- Thiết bị thổi khí; 3- Ống xoắn; 4- Cửa; 5- Khớp nối để nạp không khí; 6- Khớp thải không khí; 7- Khớp nạp liệu; 8- Cầu thang; 9- Ống khuếch tán; 10- Áo; 11- Thành thiết bị; 12- Ống quá áp

cho nhũ tương không khí - chất lỏng chuyển động xoáy. Nhũ tương tuần hoàn liên tục theo vòng khép kín bên trong theo mép biên của xilanh, vòng không gian giữa tường trong và tường ngoài thiết bị, sau đó một lần nữa lại lên trên qua miệng loa. Việc chuyển đảo và thổi khí mạnh do tạo ra vùng tuần hoàn bên trong. Để thải nhiệt sinh lý có kết quả hơn, ngoài áo 10 có nhiều ngăn còn bổ sung bề mặt làm lạnh của ống khuếch tán 9.

Kết cấu của thiết bị lên men được tính toán cho hoạt động dưới áp suất dư.

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học.

Thể tích của thiết bị lên men, m3: 25, 49, 63, 200

Áp suất làm việc, MPa: 0,2  0,3

Hệ số chứa đầy: 0,5

Tốc độ thoát không khí từ thiết bị thông gió, m/s: 25

Tiêu hao không khí, m3 cho 1 m3 canh trường vi sinh vật: 0,5  0,2

Loại này có thể tích làm việc nhỏ hơn so với các thiết bị lên men đảo trộn bằng cơ học, được hoạt động với môi trường lên bọt mạnh. Chúng được áp dụng trong những trường hợp khi giống sinh vật không cần phải khuấy trộn mạnh và độ nhớt không lớn.

Các thiết bị lên men dạng đứng. Loại thiết bị này dùng để tăng cường độ trao đổi khối, giảm tiêu hao đơn vị của không khí nén tiệt trùng và tăng tốc độ tổng hợp sinh học các chất hoạt hoá.

Kết cấu của các loại thiết bị lên men cho phép thực hiện quá trình nuôi cấy chìm khi vận tốc dài của dòng môi trường bằng 2 m/s và lớn hơn.

Thiết bị lên men dạng đứng (hình 10.5) bao gồm khối trụ đứng 7, bên trong có cơ cấu chuyển đảo 8 được lắp chặt trên trục, ống tuần hoàn, thiết bị thổi khí, buồng trao đổi nhiệt 5, các đoạn ống để nạp môi trường dinh dưỡng, các đoạn ống để nạp không khí, để rót canh trường 13 và để thải khí 16.

Ở phần dưới của ống tuần hoàn được lắp cơ cấu chuyển đổi 8 dạng vít. Các cánh hướng được phân bổ trên và dưới vít: các cánh trên thẳng đứng, còn các cánh dưới nghiêng.

Hình 10.5. Thiết bị lên men dạng trao đổi khối mạnh BO - 40 - 0,6:1- Ống cung cấp khí để thổi; 2- Bộ dẫn động kín; 3- Nắp; 4- Cơ cấu khử bọt; 5- Miếng đệm với buồng trao đổi nhiệt; 6- Hộp không khí; 7- Khối trụ đứng; 8- Cơ cấu chuyển đảo; 9- Ống để nạp nước lạnh; 10- Động cơ; 11- Bánh đai; 12- Truyền động bằng đai hình thang; 13- Cơ cấu tháo dỡ; 14- Ống để thải nước; 15- Các ống trao đổi nhiệt; 16- Ống thải không khí; 17- Ống để khử bọt;18- Cửa quan sát.Hệ tuần hoàn của thiết bị lên men gồm máy phun được nối với phần dưới của thiết bị, bơm và các đường ống. Ống tuần hoàn 15 có dạng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có hai ống góp. Bên trong ống góp trên có hai vách đặc được định vị trong mặt phẳng xuyên tâm, còn bên trong ống góp dưới không có vách. Ngoài ra bộ trao đổi nhiệt dạng ống còn có các ống trao đổi nhiệt nằm giữa các ống góp thông nhau và nối nhau bởi các tường chắn.

Buồng trao đổi nhiệt được lắp chặt trong giá đỡ có hai bích và có thể tháo lắp dễ dàng để sửa chữa. Bộ khử bọt bằng phương pháp cơ học 4 được gá trên nắp thiết bị lên men 3. Bộ dẫn động cho thiết bị khử bọt 2 và bốn cửa để rửa bằng phương pháp cơ học, đều được lắp trên nắp.

Hình 10.5. Thiết bị lên men dạng trao đổi khối mạnh BO - 40 - 0,6:1- Ống cung cấp khí để thổi; 2- Bộ dẫn động kín; 3- Nắp; 4- Cơ cấu khử bọt; 5- Miếng đệm với buồng trao đổi nhiệt; 6- Hộp không khí; 7- Khối trụ đứng; 8- Cơ cấu chuyển đảo; 9- Ống để nạp nước lạnh; 10- Động cơ; 11- Bánh đai; 12- Truyền động bằng đai hình thang; 13- Cơ cấu tháo dỡ; 14- Ống để thải nước; 15- Các ống trao đổi nhiệt; 16- Ống thải không khí; 17- Ống để khử bọt;18- Cửa quan sát

Nhờ truyền động bằng đai hình thang 12, mà động cơ 10 làm chuyển động vít với số vòng quay 280  350 vòng/phút. Để đảm bảo độ kín và độ tiệt trùng trong quá trình nuôi cấy cần bố trí vòng bít kín trên trục của cơ cấu chuyển đảo. Cơ cấu khử bọt bằng cơ học được lắp trên trục của bộ dẫn động nhờ ống rỗng. Khí thoát ra từ chất lỏng được dẫn qua ống rỗng trên. Cơ cấu này gồm bộ đĩa hình nón có gờ. Điều khiển động cơ tại chổ và điều khiển từ xa lấy tín hiệu từ bảng điều khiển.

Để khảo sát quá trình nuôi cấy vi sinh vật, trên tường thiết bị phân bổ sáu cửa quan sát 8. Thiết bị được thiết kế để hoạt động với áp lực đến 0,3 MPa.

Các bộ phận tự động dùng để điều chỉnh các thông số cơ bản của quá trình: nhiệt độ canh trường bên trong thiết bị - theo sự biến đổi tiêu hao nước lạnh trong phòng trao đổi nhiệt; lượng chất lỏng - theo sự biến đổi thoát ra của chất lỏng canh trường; nồng độ ion hydro - theo sự mở và tắt của bơm định lượng nạp kiềm hay axit; nồng độ oxy hoà tan trong môi trường theo sự biến đổi tiêu hao không khí tiệt trùng; tiêu hao môi trường dinh dưỡng - theo sự biến đổi môi trường dinh dưỡng vào thiết bị và nồng độ sinh khối - theo sự biến đổi tiêu hao môi trường dinh dưỡng.

Kết cấu của thiết bị cũng có khả năng kiểm tra tiêu hao nước lạnh, mức độ đồng hoá nitơ, nồng độ CO2 và O2, độ ẩm không khí, nhiệt độ và áp lực trong những điểm riêng biệt của thiết bị.

Thiết bị lên men này có thể hoạt động gián đoạn hay liên tục.

Khi kết thúc quá trình tiệt trùng và làm lạnh của thiết bị và của các cơ cấu phụ, thì rót đầy môi trường dinh dưỡng tiệt trùng và tiến hành cho hoạt động cơ cấu chuyển đảo để thực hiện tuần hoàn môi trường theo vòng khép kín. Nạp không khí nén một cách liên tục qua thiết bị thổi khí vào không gian giữa tường và ống tuần hoàn. Không khí cuốn hút chất lỏng thành dòng, đập vỡ ra thành bọt nhỏ và được khuấy trộn mạnh với môi trường, tạo ra hỗn hợp đồng hoá giả. Chuyển động quay của môi trường được tạo nên trong ống tuần hoàn nhờ các cánh hướng, kết quả tạo ra vùng xoáy trung tâm có hàm lượng khí cao.

Nhờ ma sát chất lỏng với phần gờ của các ống trong bộ trao đổi nhiệt mà sự chảy rối của các lớp biên được duy trì. Không khí thải được tách ra khỏi chất lỏng và được thải ra qua ống lót rỗng của thiết bị khử bọt.

Để tăng cường quá trình cần nạp môi trường dinh dưỡng vào thiết bị qua máy phun. Bơm hút chất lỏng canh trường và đẩy qua vòi phun của máy phun, cho nên mức độ phân tán của chất dinh dưỡng đạt được rất cao và tạo ra bề mặt tiếp xúc của các pha rất lớn.

Sự tuần hoàn nhiều lần của canh trường trong vòng khép kín với các bề mặt định hình tốt, bảo đảm hiệu suất cao của quá trình và bảo đảm tính đồng nhất của hỗn hợp trong không gian vòng tuần hoàn. Buồng trao đổi nhiệt bảo đảm tốt tốc độ chảy của tác nhân lạnh cao làm cho hệ số trao đổi nhiệt lớn. Bộ trao đổi nhiệt kiểu chùm ống trong ống góp cho phép tăng bề mặt đơn vị làm lạnh khoảng 10 lần lớn hơn khi truyền năng lượng qua tường thiết bị. Hệ số truyền nhiệt được tăng lên một số lần và đạt gần 3900 W/(m2K).

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men dạng đứng:

Hệ số chứa đầy: 0,6  0,7

Thể tích, m3: 40

Lượng môi trường được nạp, m3: đến 28

Áp suất, MPa:

trong tường: 0,6

trong phòng trao đổi nhiệt và trong áo ngoài: 0,3

trong thiết bị:0,1  0,6

Công suất bộ dẫn động, kW:

cho cơ cấu khuấy trộn: 125

cho cơ cấu khử bọt: 40

Số vòng quay của trục, vòng/phút:

cho cơ cấu khuấy trộn: 350 và 200

cho cơ cấu khử bọt: 1500

Kích thước cơ bản, mm: 4600260012000

Các quá trình nuôi cấy sản sinh ra các nấm men gia súc thuộc các quá trình nuôi cấy vi sinh vật không tiệt trùng. Theo kết cấu các thiết bị lên men, để sản xuất nấm men tương tự như các thiết bị để sản xuất enzim, các kháng sinh chăn nuôi, các aminoaxit và các sản phẩm tổng hợp khác, nhưng không có sự bảo vệ hơi và không khí của trục quay và một số bộ phận kết cấu.

Trong nhiều trường hợp để sản xuất nấm men gia súc, ứng dụng các thiết bị đã được sử dụng trong các quá trình tiệt trùng.

Các thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học và đường viền tuần hoàn bên trong

Các thiết bị nuôi cấy nấm men dùng phương pháp bơm dâng bằng khí nén của hệ thống Lephrancia có đường viền tuần hoàn bên trong được ứng dụng phổ biến nhất. Trong sản xuất nấm men thuỷ phân thường ứng dụng các thiết bị loại này có sức chứa 250, 320, 600 và 1300 m3. Kết cấu các thiết bị lên men không có các thiết bị cơ học để khử bọt. Bọt được khử dưới trọng lực của cột chất lỏng khi tuần hoàn.

Không khí vào thiết bị theo ống trung tâm vào chậu, tại đây hỗn hợp khí - chất lỏng được tạo thành từ nước hoa quả nạp vào và từ chất lỏng ở phần dưới thiết bị. Hỗn hợp trên được chuyển động theo ống khuếch tán bên trong. Một phần không khí được tách ra khỏi bọt và thải ra khí quyển qua lỗ ở nắp thiết bị, còn một phần khác cùng với bọt hạ xuống theo đường rãnh vòng giữa ống khuếch tán và tường. Khi chuyển động xuống dưới bọt bị khử. Độ bội tuần hoàn đạt cao 1,5  2 thể tích chất lỏng hoạt động trong một phút. Các thiết bị công nghiệp có chiều cao 12  15 m. Bọt dâng cao lên 10  12 m. Tiến hành làm nguội thiết bị lên men bằng tưới nước tường ngoài và nạp nước vào áo của ống khuếch tán. Tiêu hao không khí cho 1 kg nấm men khô là 20 m3.

Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị lên men công nghiệp hoạt động ở áp suất khí quyển được giới thiệu ở bảng 10.2.

Bảng 10.2. Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học và khối khí để sản xuất nấm men gia súc

Các chỉ số
Thể tích của thiết bị, m3
320	500	600	1300
Năng suất theo lượng nước hoa quả chảy, m3/hMôi trườngTiêu hao không khí, m3/hÁp suất dư của không khí, kg lực / cm2Bề mặt làm lạnh của áo ống khuếch tán, m2Kích thước cơ bản, mm	20  30pH 4,5đến 50000,630570013350	90000,75503=150760011200	30  35pH 3,54,514000160000,458740014175	55  62pH 4,24,5180000,6504=2001100014500

Thiết bị lên men hình trụ có bộ phận bơm dâng bằng khí nén với sức chứa 1300 m3

Thiết bị loại này được dùng để nuôi cấy nấm men một cách liên tục trong nước quả. Nó gồm có vỏ thép hàn, đáy hình nón cụt và nắp hình nón có lỗ ở chính giữa (hình 10.6).

Bốn ống khuếch tán 7 được lắp bên trong thiết bị để tạo ra bốn dòng tuần hoàn độc lập. Không khí nén được đẩy qua ống góp 2 vào các ống trung tâm của mỗi ống khuếch tán, ở cuối ống trung tâm có côn và chậu 8.

Thùng phân phối được đặt trên nắp thiết bị, dịch lên men, nước quả, nấm men và nước amoniac cho vào các ống khớp nối 3, 4, 5. Tất cả các cấu tử được trộn lại và tạo ra một dung dịch dinh dưỡng và theo các đường ống có đường kính 100 mm chảy xuống dưới các chậu của thiết bị thổi khí.

Hỗn hợp dinh dưỡng khi chảy tràn qua mép chậu được khuấy trộn với không khí thoát qua khe dưới chậu. Nhũ tương không khí - chất lỏng được tạo thành dâng lên theo ống khuếch tán đến tấm chặn 6 thì bị phá vỡ và chảy xuống dưới. Dùng thiết bị tưới dạng ống góp để làm lạnh tường ngoài thiết bị.

Thiết bị lên men dạng tháp

Các thiết bị lên men này bao gồm loại đĩa và loại không có các cơ cấu chuyển đảo nằm ngang. Sự khác biệt của loại thiết bị này so với các loại thiết bị đã được nêu ở các phần trên là trị số tỷ số giữa chiều cao và đường kính rất lớn. Thiết bị dạng tháp có nhiều triển vọng bởi kết cấu đơn giản, khả năng tăng cường quá trình sinh tổng hợp và công suất đơn vị lớn.

Ưu điểm về kết cấu của thiết bị dạng tháp là không có các phần quay chuyển động và diện tích chiếm chỗ nhỏ.

Thiết bị lên men dạng phun. Thiết bị lên men của Đức với sự trao đổi khối mạnh. Có thể tích đến 10003, sử dụng phương pháp các tia ngầm.

Hoạt động của thiết bị (hình 10.7) được mô tả dưới đây: bơm ly tâm có chức năng khử khí, đẩy chất lỏng đến cửa vào của thiết bị lên men dạng đứng. Chất lỏng chảy xuống dọc theo tường đứng ở dạng dòng vòng khuyên. Dòng chảy rối ở đầu cuối nằm ngang mức bề mặt chất lỏng của hỗn hợp bị thắt lại trong tiết diện ngang của ống và từ đó chảy thành dạng tia để tạo ra vùng áp suất thấp.

Khi tạo hỗn hợp đồng hoá với chất lỏng thì không khí được hút qua lỗ ở đỉnh khoang trong vùng áp suất thấp. Chất lỏng sủi bọt (ở dạng tia xâm nhập tự do, do dự trữ năng lượng động học) đến đáy của thiết bị lên men, tạo ra trường rối mạnh trong dung dịch canh trường. Các bọt khí từ đáy thiết bị nổi lên bề mặt, một lần nữa qua trường rối được tạo ra từ các tia xâm nhập tự do.

Nhờ hệ thổi khí tương tự như thế có thể đảm bảo cung cấp oxy cho các thiết bị lên men loại lớn có thể tích đến 2000 m3, khi cường độ khuấy mạnh.

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men dạng phun để nuôi cấy nấm mốc được giới thiệu ở bảng 10.3.

Khi tốc độ chuyển động của các dòng tia 8  12 m/s và áp suất không đổi thì sự phân tán của không khí sẽ đạt được tốt. Nhờ tác động phun ở vùng vào của dòng, nhờ chuyển động điểm ở tường của thiết bị và nhờ đảo trộn các bọt khí mà thực hiện việc lựa chọn thích hợp cho xung lượng của dòng nạp tự do, nhằm bảo đảm sự khuấy trộn mạnh canh trường nuôi cấy.

Các bọt không khí trong luồng hầu như hoàn toàn đến đáy thiết bị, còn khi nổi lên bề mặt thiết bị chúng bị phá huỷ bỡi trường rối

Trong trường hợp giảm lượng chất lỏng tuần hoàn thì sự phân tán không khí được tăng lên đáng kể và nó được phân bổ đều theo toàn thể tích thiết bị. Tốc độ trao đổi khí tăng tuyến tính với sự tăng dòng chất lỏng tuần hoàn và tiêu hao năng lượng trong một khoảng hoạt động rộng. Cho nên quá trình thổi khí có thể điều chỉnh bỡi tốc độ truyền khí. Trong các thiết bị có kết cấu được nêu trên, nhu cầu về năng lượng để nạp không khí rất nhỏ và năng lượng của dòng tuần hoàn sẽ bảo đảm độ rối cần thiết để trao đổi khối. Những điều kiện cần thiết để trao đổi khối mạnh trong thiết bị là: độ rối cao, sự phân tán không khí tốt, thời gian có mặt của không khí trong canh trường lâu và độ đồng hoá môi trường cao.

Bảng 10.3. Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị lên men dạng phun sản xuất ở Đức

Các chỉ số
Thể tích của thiết bị lên men, m3
200	400	1000
Năng suất của thiết bị lên men (tính theo chất khô tuyệt đối), kg/hThể tích chất lỏng sủi bọt, m3Dung lượng của thiết bị, tấnNăng suất của các bơm tuần hoàn, tấn/hBội số tuần hoàn của các bơm, thể tích trong 1 hSố lượng bơmTiêu thụ năng lượng điện cho các bơm để thổi khí và đồng hoá, kW.hTiêu hao không khí trong khoang sủi bọt có áp suất giảm, Nm3/hKích thước,mmđường kínhchiều cao phần trụ	250180802500301125 135360060007500	37035013026  302210 220500080008000	400440011010220060000115001050

Bơm tuần hoàn là bộ phận chính của toàn hệ. Phương pháp luồng ngầm có hiệu quả đặc biệt đối với các quá trình có tốc độ trao đổi khối cao.

Trong trường hợp tổ hợp tầng của các thiết bị hay khi phân chia bên trong thiết bị có sức chứa lớn ra thành 2  3 phần và tất cả các ngăn được nối lại nhờ các máng rót để môi trường theo đó chảy từ trên xuống máng dưới, mỗi lần chảy như thế được bảo hoà oxy của không khí.

Lượng chất tuần hoàn được hạn chế bởi sự cấp liệu của bơm chuyển. Khi phân bổ thành ba tầng lượng bơm cần thiết cho thiết bị ở một tầng với chiều cao chuyển là bội số 3 thì rút ngắn được 3 lần. Bọt được tạo thành trong quá trình thổi khí cũng được chuyển xuống dưới, cho nên cơ cấu khử bọt được định vị ở phần dưới của thiết bị. Tiến hành thải nhiệt sinh lý trong bộ trao đổi nhiệt đặc biệt.

Ứng dụng dạng thiết bị trên để nuôi cấy vi sinh vật trong điều kiện tiệt trùng rất phức tạp vì do khó khăn về độ kín của các bơm tuần hoàn, nhưng tiện lợi đối với quá trình tiệt trùng bằng hơi. Nhưng có những ưu điểm: cơ cấu đơn giản, dung lượng lớn, bảo đảm thổi khí mạnh và đảm bảo truyền khối mà không cần cơ cấu đảo trộn, làm cho kết cấu này trở nên có triển vọng trong công nghiệp vi sinh.

Các thiết bị lên men có hệ thông gió dạng phun

Loại thiết bị này được ứng dụng để nuôi cấy chủng nấm men đặc biệt trên môi trường dinh dưỡng chứa parafin lỏng.

Thiết bị lên men В-50. Kết cấu của thiết bị có dạng dung lượng xilanh đứng với sức chứa 800 m3 (hệ số chứa đầy 0,4), được chia thành 12 ngăn (hình 10.8). Mỗi ngăn có cơ cấu khuấy trộn và thổi khí. Thiết bị được trang bị các bộ đảo trộn để thực hiện chức năng khuấy trộn pha lỏng và cung cấp không khí.

Trong quá trình quay của bộ đảo trộn ở vị trí thoát chất lỏng, không khí được hút vào, vùng hạ áp được tạo ra. Khi đó không khí hoà mạnh vào chất lỏng, làm bảo hoà oxy chất lỏng.

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men В-50:

Năng suất của thiết bị tính theo sinh khối khô tuyệt đối, tấn/ngày 27,0

Năng suất thiết bị khi gá đặt ở trung tâm 13 ngăn, tấn/ngày: 30

Dòng chất lỏng, m3/h: 37,5

Dung tích, m3:

khi chưa hoạt động: 800

khi hoạt động: 320

Nhiệt độ hoạt động, 0C: 32  34

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2: 2700  3000

Tiêu hao không khí, m3/h: 36160

Số lượng cơ cấu thông gió: 12

Công suất động cơ, kW: 3,5

Thiết bị nuôi cấy nấm men trên môi trường rắn ГФР-76-900 để nuôi nấm men parafin. Hiện tại loại kết cấu này được thực nghiệm rộng rãi trong các nhà máy sản xuất chất cô chứa vitamin và protein. Thiết bị lên men (hình 10.9) gồm vỏ 1; vòng tuần hoàn đột lỗ 2; ống khuếch tán trung tâm 5; các cơ cấu thổi khí 3 được lắp trong vòng tuần hoàn đột lỗ và trong ống khuếch tán trung tâm; các bộ trao đổi nhiệt 7 và bộ tách giọt 4. Động cơ 6 dẫn động cho các cơ cấu thổi khí. Nạp vào thiết bị môi trường dinh dưỡng chứa parafin, muối khoáng, các nguyên tố vi lượng, nước amoniac, và tháo thành phẩm ra khỏi bộ phân ly qua khớp nối. Nạp không khí để thổi cho canh trường bằng phương pháp tự hút. Khi các bộ thông gió sục khí cho môi trường thì sự trao đổi khối được xảy ra qua bộ trao đổi nhiệt để tạo ra những dòng lên xuống.

Vỏ thiết bị được chế tạo bằng thép không gỉ, hai lớp, còn các bộ trao đổi nhiệt, các cơ cấu trao đổi khí và các vách ngăn - bằng thép nguyên khối.

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men ГФР-76-900

Năng suất thiết bị, tấn/ngày: 30  36

Dung lượng, m3:

khi chưa hoạt động: 900

khi hoạt động: 450

Áp suất, MPa: 0,02

Nhiệt độ hoạt động, 0C: 32  34

Môi trường, pH: 4,2  4,4

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2: 2700

Tiêu hao không khí (ở điều kiện bình thường), m3/h: 54000

Số lượng các cơ cấu thổi khí: 13

Công suất động cơ điện, kW: 315

Kích thước cơ bản, mm: 17000170006500

Khối lượng, tấn: 535

Nhược điểm của thiết bị lên men có hệ phun ở chổ: trục thiết bị bị rung động; nhiễm bẩn bề mặt trao đổi nhiệt và giảm hệ số trao đổi nhiệt.

Thiết bị lên men trao đổi khối mạnh

Mục đích chính của loại thiết bị này là tăng nồng độ vi sinh vật trong dung dịch canh trường, tăng điều kiện thổi khí và tăng năng suất thiết bị.

Thiết bị (hình 10.10) là một dung lượng xilanh 17, bên trong lắp xilanh hướng 2. Hai đoạn ống 4 và 18 định vị cho xilanh hướng trong dung lượng. Đoạn ống 18 được lắp chặt đến đáy và chia dung lượng ra làm hai phòng: phòng 19 dùng để nuôi cấy canh trường, còn trong phòng 20 tận dụng bổ sung nguyên liệu ban đầu. Đoạn ống 4 lắp cách mặt đáy của dung lượng. Bên trong xilanh hướng 2 và trong không gian giữa tường dung lượng và đoạn ống 4 được bố trí các ống góp 16. Các ống góp được lắp chặt bởi các ống đột lỗ 21.

Trong không gian giữa xilanh hướng 2 và các đoạn ống 18 và 4 có các bộ trao đổi nhiệt 1. Để nạp không khí đến các ống góp trong phòng 19 dùng ống góp phân phối 7, còn trong phòng 20 - ống góp 5. Ở phần trên của dung lượng có ống góp 14 để thu nhận và làm khô bọt, bên trong được lắp các đĩa hình nón 15. Không khí thoát ra từ phòng 19 qua bộ tách khí 9. Máy khử bọt bằng cơ học 12 với bộ dẫn hướng được lắp đặt trên các đĩa 15. Môi trường dinh dưỡng được đẩy vào thiết bị qua khớp 6. Sinh khối được tháo ra khỏi thiết bị qua khớp 11, còn không khí - qua khớp nối 8 và 13.

Thiết bị hoạt động như sau: nạp hỗn hợp dinh dưỡng ban đầu vào phòng 19 qua khớp nối 3, còn không khí - vào thiết bị qua khớp nối 6. Trong phòng 19 xảy ra nuôi cấy sinh khối. Tuần hoàn và đảo trộn chất lỏng được thực hiện bỡi thiết bị bơm dâng bằng khí nén. Từ phòng nuôi cấy, chất lỏng canh trường chảy qua đoạn ống 12 vào phòng 20, tại đây xảy ra tận dụng bổ sung nguyên liệu. Bên trong phòng 19 và 20 dung dịch canh trường được thổi khí nhờ các ống được đột nhiều lỗ. Sinh khối tháo ra khỏi phòng cùng với pha bọt được tạo thành ở phần trên của phòng. Sau đó bọt nổi lên theo các đường rãnh giữa các đĩa nón 15, được tách khỏi chất lỏng và được cô lại. Khử bọt đã được cô bằng bộ khử bọt cơ học 12 và tháo ra qua khớp nối 11.

Thải không khí khỏi phòng 19 qua khớp nối 8 nhờ bộ tách khí 9, còn khỏi phòng 20 - qua khớp nối 13.

Hình 10.9. Thiết bị cấy lên men trao đổi khối mạnh

Máy phun kiểu tuabin - đó là loại kết cấu hút hai tầng có các cửa trên và dưới để nạp và thải dung dịch. Loại này hoạt động như sau: không khí vào được trộn với chất lỏng, khi thoát ra thì không khí được hướng lên trên và sau khi qua bộ trao đổi nhiệt được chia ra làm hai dòng. Khi đi qua phần trung tâm của cơ cấu tuần hoàn, dòng thứ nhất vào cửa trên của cơ cấu phun, còn dòng thứ hai hướng xuống dưới theo đường viền của cơ cấu tuần hoàn và khi chuyển động dưới đáy giả thì vào cửa dưới.

Máy phun kiểu tuabin có các vòng đột lỗ

Loại kết cấu này được dùng để thổi khí và khuấy trộn môi trường giống khi nuôi cấy vi sinh vật, đặc biệt là nấm men.

Nhằm mục đích đơn giản hoá kết cấu của máy phun kiểu tuabin, cơ cấu để phá dòng chất lỏng có dạng vòng đột lỗ, được lắp giữa các cánh của quạt và các phần tạo đường viền của vỏ máy.

Các cánh của máy bơm dọc trục đẩy chất lỏng canh trường và dẫn vào phần chảy 7 của máy phun, tại đây các vòng đột lỗ 5 sẽ tạo ra nhiều vòng nhỏ. Các dòng này sẽ phun vào không khí được đẩy từ quạt và trong vòi phun 4 sẽ tạo ra hỗn hợp hơi - chất lỏng, nhờ các cánh khuấy 11 hỗn hợp bị phân tán trong chất lỏng. Dòng khí - chất lỏng được phân tán chảy ra ngoài. Loại này cho phép làm đơn giản hoá kết cấu của máy phun, làm tốt hơn sự phân tán không khí và tăng tốc độ hút oxy trong chất lỏng.

Máy phun kiểu tuabin có các vòi

Máy phun kiểu tuabin hình 10.12 gồm có vỏ 8 với các đoạn ống đường viền 2 để hình thành vòng, vòi phun 4 được lắp chặt trên trục rỗng của ống thông khí thứ 1; các cánh phân bổ 10 bên trong vòi phun để phun hỗn hợp khí - chất lỏng và quạt gắn trong vỏ gồm hai đĩa 5, 6 với các cánh 3 ở giữa các đĩa.

Theo đường kính ngoài của các đĩa người ta phân bổ các vòi 9 để phá huỷ các dòng chất lỏng. Những đoạn vào của các nhánh 10 để phun hỗn hợp khí - chất lỏng được phân bổ giữa các vòi.

Chất lỏng ban đầu được hướng tới các vòi 9 nhờ các cánh 7, tại đây chất lỏng được phân chia ra một số dòng, chúng tiếp xúc với không khí vào từ quạt và đẩy vào vòi phun 4, rồi tiếp tục phân tán khí trong chất lỏng nhờ các cánh 10, 9. Sau đó chất lỏng bão hoà không khí được thoát ra ngoài.

Khi tính toán cần xác định các chỉ số cơ bản về kết cấu và năng lượng của thiết bị với thể tích chung đã cho.

Bước đầu cần phải xác lập khối lượng thể tích , độ nhớt động học , hệ số dẫn nhiệt , áp suất làm việc trong thiết bị khi tiệt trùng bằng hơi nước, nhiệt dung C. Theo nghiên cứu của nước ngoài, khối lượng thể tích của các môi trường dinh dưỡng ở trong giới hạn  = 1060  1070 kg/ m3; độ nhớt động học - trong giới hạn  = 0,001  0,00155 PaS, nhiệt dung C = 4186 J/(kgK), hệ số dẫn nhiệt  = 0,6 W/ (mK).

Để tiệt trùng môi trường dinh dưỡng bên trong thiết bị, cần phải tạo ra áp suất làm việc không nhỏ hơn 0,2 MPa. Hệ số chứa đầy môi trường dinh dưỡng của thiết bị phụ thuộc vào thành phần của môi trường và vào dạng vi sinh vật nuôi cấy k = 0,5  0,65.

Tính toán kết cấu của thiết bị lên men

Thể tích làm việc của thiết bị V1 (m3) được tính theo công thức:

V1 = V.k

Để sản xuất axit amin, các chất kháng sinh chăn nuôi và các chế phẩm enzim, đường kính bên trong DB = 2000  3000 mm.

Các kích thước còn lại của thiết bị (chiều cao của phần elip he; chiều cao gấp mép h, bề mặt bên trong Fb; sức chứa của đáy Vd và chiều dày của tường đáy S được lấy như sau:

hc = 0,25DB ; h  2S;

Thể tích chưa hoạt động của thiết bị Vr tính theo công thức:

Vr = Vx + 2Vd

Thể tích của phần xilanh:

Vx = Vr  2Vd

Chiều cao phần xilanh của thiết bị:

H x = V r − 2V d F size 12{H rSub { size 8{x} } = { { left (V rSub { size 8{r} } - 2V rSub { size 8{d} } right )} over {F} } } {}

trong đó : F - diện tích tiết diện của thiết bị theo đường kính trong:

F = 0, 785 D B 2 size 12{F=0,"785"D rSub { size 8{B} } rSup { size 8{2} } } {}

Chiều cao chung của thiết bị: He=Hx+2he+h size 12{H rSub { size 8{e} } =H rSub { size 8{x} } +2 left (h rSub { size 8{e} } +h right )} {}

Tính toán bộ khuấy trộn của thiết bị lên men

Khi nuôi cấy vi sinh vật trong môi trường dinh dưỡng lỏng bằng phương pháp chìm, do tạo sinh khối nên độ nhớt của chất lỏng canh trường tăng lên, cho nên sự khuấy trộn và thổi khí môi trường bị xấu đi. Nhằm tăng cường sự khuấy trộn huyền phù cho phép sử dụng bộ khuấy trộn dạng tuabin. Đường kính bộ khuấy trộn dạng tuabin dk (m) được tính theo công thức:

dk = (0,3  0,33)DB

trong đó: DB- đường kính bên trong của thiết bị lên men.

Tra bảng theo giá trị dk để chọn bộ khuấy trộn tối ưu (hệ khuấy trộn có hiệu suất cao). Các dạng cơ cấu khuấy trộn cho chất lỏng có độ nhớt khác nhau được nêu trong bảng 10.4.

Bảng 10.4. Tốc độ biên tối ưu của các cơ cấu khuấy trộn phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường được khuấy trộn

Cơ cấu khuấy trộn	Độ nhớt của môi trườngPa.s	Vận tốc biên tối ưu của bộ khuấy trộn, m/s
Cánh, neo, giáDạng tuabinChong chóng	0,001  44  88  150,001  55 1515  250,001  2	3,0  2,02,5 1,51,5  1,07  4,24,3  3,43,4  2,34,8  16

Số vòng quay của bộ khuấy trộn (vòng/phút) :

n 1 = ω πd k size 12{n rSub { size 8{1} } = { {ω} over {πd rSub { size 8{k} } } } } {}

Theo giá trị nhận được của số vòng quay, chọn tốc độ thực tế của nó. Chọn bộ truyền động trong bảng tra cứu theo giá trị đã được nhận của số vòng quay.

Công suất tiêu thụ (kW) khi máy khuấy hoạt động để khuấy trộn canh trường không đề cập đến sự ảnh hưởng của các cơ cấu phụ:

N M = K N ρ c n 3 d k 5 size 12{N rSub { size 8{M} } =K rSub { size 8{N} } ρ rSub { size 8{c} } n rSup { size 8{3} } d rSub { size 8{k} } rSup { size 8{5} } } {}

trong đó: KN - chuẩn công suất, phụ thuộc vào cường độ đảo trộn và được đặc trưng bởi chuẩn ly tâm Reynolds (Re);

c - tỷ trọng môi trường;

n - số máy khuấy trộn;

dk - đường kính máy, m.

Re 1 = ρ c nd k 2 μ c size 12{ bold "Re" rSub { size 8{1} } = { {ρ rSub { size 8{c} } ital "nd" rSub { size 8{k} } rSup { size 8{2} } } over {μ rSub { size 8{c} } } } } {}

trong đó: c - đô

Các thiết bị lên men nuôi cấy chìm vi sinh vật trong các môi trường dinh dưỡng lỏng

Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt

Chiều cao thiết bị và bộ dẫn động, mm: 14270

Các thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học và thông gió môi trường

Các thiết bị lên men có đảo trộn bằng khí động học và đường viền tuần hoàn bên trong

Thiết bị lên men hình trụ có bộ phận bơm dâng bằng khí nén với sức chứa 1300 m3

Thiết bị lên men dạng tháp

Máy phun kiểu tuabin có các vòng đột lỗ

Máy phun kiểu tuabin có các vòi

Tính toán kết cấu của thiết bị lên men

Tính toán bộ khuấy trộn của thiết bị lên men

Đăng ký nhận thông báo

HỖ TRỢ HỌC VIÊN

VỀ ZAIDAP

HỢP TÁC VÀ LIÊN KẾT

KẾT NỐI VỚI CHÚNG TÔI

TẢI ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI