2.2. Массоперенос кислорода к клеткам микроорганизмов.
Рассмотрим массоперенос кислорода из ферментационной жидкости к клетке микроорганизмов. Движущей силой процесса будет являться разность концентраций кислорода в ферментационной жидкости х и на поверхности клетки хг
,
( 18 )
где βЖ-К, v – объемный коэффициент массоотдачи кислорода от жидкости к клетке, ч-1 ; хГ – концентрация кислорода на границе раздела фаз жидкость-клетка, кг/м3 .
Однако в этом уравнении следует учесть удельную скорость поглощения кислорода микроорганизмами. Тогда уравнение примет вид
,
( 19 )
где: r– удельная скорость поглощения кислорода микроорганизмами, кг/кг.ч; М – концентрация микроорганизмов (биомассы), кг/м3 .
Уравнение (19) справедливо для непрерывного культивирования микроорганизмов.
При использовании этого уравнения для периодических процессов принимают, что r = const, а зависимость концентрации микроорганизмов от продолжительности процесса М= f(r) подчиняется закону экспоненциального роста. Оба эти допущения сужают диапазон их применения и описывают только небольшую часть процесса развития популяции микроорганизмов.
2.3. Аппаратура для проведения процессов ферментации.
Процессу глубинной ферментации в ферментаторах предшествуют следующие стадии, проводимые в лабораторных условиях: приготовление посевного материала; приготовление и стерилизация питательных сред; выращивание посевного материала в инокуляторах. Количество посевного материала зависит от объемов ферментаторов, установленных в цехе. Обычно количество посевного материала составляет 5…10% объема питательной среды. Перед загрузкой питательной среды и посевного материала ферментатор и все коммуникации стерилизуют. С целью уменьшения пенообразования в ферментатор загружают поверхностно-активные вещества (ПАВ). Ферментацию проводят в асептических условиях в течение 18 - 24 ч. Во время процесса контролируют температуру и рН культуральной жидкости. После окончания ферментации ферментатор опорожняют, Полученный продукт отделяется от жидкости на фильтрах или сепараторах и поступает на дальнейшую обработку.
При проведении ферментации основным специфическим аппаратом является ферментатор – это аппарат с механическим перемешиванием и барботером для подвода воздуха (рис. 3). Ферментационная жидкость перемешивается в таком аппарате мешалкой и подаваемым воздухом. Во время работы мешалки воздух дополнительно диспергируется в ферментационной жидкости. Наибольшее применение получили типовые открытые турбинные мешалки, обеспечивающие эффективное перемешивание и диспергирование воздуха.
В зависимости от объема ферментатора по высоте аппарата на вал может быть установлено несколько мешалок. Иногда монтируют отражательные перегородки. Для поддержания необходимой температуры в ферментаторе предусматривают теплообменную рубашку, в которую подается охлаждающая вода.
Разработаны самовсасывающие воздух мешалки, одна из конструкций которых показана на рис.4 .В таких мешалках осуществляется перемешивание с одновременной подачей воздуха для аэрации жидкости. Внутри турбины находится полость с кольцевым соплом, соединенная с каналом, подводящим воздух. При вращении мешалки внутри турбины создается разряжение, в результате воздух из атмосферы засасывается во внутреннюю полость мешалки и диспергируется в ферментационной жидкости.
Менее эффективными являются барботажные ферментаторы. На рис.5 показан эрлифтный дрожжерастительный аппарата, который представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость. В емкости по оси расположен диффузор. Воздух подается в аппарат по трубе, расположенной по оси аппарата, и диспергируется в жидкость через кольцевую щель. При подаче воздуха в аппарате возникает направленная циркуляция ферментационной жидкости, за счет которой жидкость перемешивается. Образующаяся пена гасится поверхностно-активными добавками.
В некоторых конструкциях ферментаторов воздух подается через инжекторы, установленные тангенциально в корпусе аппарата.
Оборудование, применяемое для выделения продукта из ферментационной жидкости, экстракции, выпаривания и сушки, является типовым и не отличается от оборудования, используемого в химической и пищевой промышленности.
