Ферментери з одновальними мішалками і барботажною аерацією

Ця група є найбільш поширеною і відомою, що має промислове застосування. Типове обладнання має місткості, які відповідають ряду преференційних чисел R-10 для апаратів місткістю більше 1м³.Ряд R-10 визначається геометричною прогресією з коефіцієнтом ¹⁰ 10 ( об’єми, м³, 1,0, 1,25 1,6, 2,0, 2,5, 3,2, 4,0, 5,0, 6,3, 8,0, 10, 12,5, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160 і т. д. ). Ферментери які використовуються в якості посівних апаратів вибирають в діапазоні місткості – 0,1-10 м³. Найбільш поширені – 0,63, 2,0, 5,0 10 м³.

Нижче представлені технічні характеристики типових ферментерів для отримання посівного матеріалу.

Місткість, м^3	0,63	2,0	5,0	10
Діаметр, м	0,9	1,2	1,6	2,0
Поверхня теплообміну	2,5	6,9	--	-
Потужність електродвигуна, кВт	1,7	7	10	20
Число обертів двигуна, с^-1	25	25	25	25,5
Число обертів валу мішалки, с^-1	4,5	4,5	3	3

Ферментери місткістю 5м³ маючи типові геометричні розміри можуть відрізнятись конструкцією аераторів або циркуляційних контурів.

Конструктивно ці апарати поєднує те, що циліндричний корпус має еліптичні дно, в верхній частині розташований люк, оглядові вікна, штуцера підведення поживного середовища, посівного матеріалу, аератора, виходу відпрацьованого повітря та пробовідбірник.

Ферментер конструкції Гіпромедпрома (рис 13)[4]має циліндричний корпус у якого відношення H/d = 1,8, в апараті розташована двохярусна мішалка, яка оснащена двома відкритими турбінними мішалками. Для попередження биття валу мішалки змонтована нижня опора, для герметизації місця вводу вала мішалки в апарат передбачений торцевий ущільнювач. Стерилізацію ферментера проводять насиченою водяною парою з надлишковим тиском 0,3 МПа ( t = 142,9⁰ С).

На рис 14 показаний ферментер ВМ –10-1К 01 передбачений для отримання посівного матеріалу в виробництві лізина. Конструктивно апарат представляє собою вертикальну місткість, яка обладнана пристроями для аерації, терморегуляції та перемішування. Мішалка представляє собою двохярусну конструкцію: в нижньому ярусі розташована самовсмоктуюча мішалка, яка виконує роль диспергатора повітря, в верхньому ярусі – мішалка (відкрита дискова турбіна).Для терморегуляції використовують виту сорочку, що розташована на корпусі апарата. Ферментер виготовлений з сталі 08Х22Н6Т,вал мішалки – з сталі 14Х17Н2, деталі зовнішніх пристроїв – з сталі ВСт3сп5.

Технічні характеристики ферментера ВМ 10-1К-01.

Місткість, м³ :

номінальна 10

робоча 6

Тиск, МПа :

робочий 0,03- 0,05

надлишковий:

при стерилізації 0,3

в сорочці 0,3

Температура, С:

поживного середовища 25-31

стерилізації 133-146

охолоджуючої води 10-12

Витрати повітря, м³ /год 432

Поверхня теплообміну, м² 14,8

Потужність електропривода, кВт 15

Число обертів мішалки,с^-1 4,23

Габаритні розміри, мм 236021007112

Маса, кг 5702

Ферментери для проведення виробничого біосинтезу мають ряд специфічних ознак:

• місткість ферментерів для промислового біосинтезу більша ніж місткість посівних апаратів (більше 10 м³ );

• вони повинні на протязі тривалого часу підтримувати високий рівень асептичності;

• гідродинамічні умови в ферментері повинні забезпечувати рівномірне розподілення взаємодіючих фаз;

• інтенсивність масопередачі повинна відповідати вимогам споживання кисню біологічними агентами;

• теплообмінні пристрої розраховуються на відведення теплоти в режимах максимальної фізіологічної активності.

Табл. Серійні моделі ферментерів Сумського машинобудівного заводу

Об’єм, м^3	Висота, м	Діаметр, м	Потужність електродвигуна, кВт	Число обертів мішалки, с^-1
1,0	3030	1100	2,5; 3; 3,5; (8/6/4Т)	3,067; 4,083; 6,117
1,0	2845	1100	2,8	4,500
2,0	3870	1300	4,5	3,167
3,2	3960	1500	10	3,167
5,0	4140	1700	10	3,000
5,0	4470	1700	10	3,000
10,0	7130	2000	20	3,167
50,0	11470	3000	75	3,000

Для проведення промислового біосинтезу широко використовується ферментери місткістю 50 м³ Сумського заводу.

Дзержинськхіммаш засвоїв випуск серійного ряду апаратів місткістю –5, 15, 20, 30, 50, 63 та 100 м³.Більшість відомих заводів по випуску ферментних препаратів, лимонної кислоти, антибіотиків на ділянці промислового біосинтезу використовують 63м³ апарати.

Кемеровський завод хімічного машинобудування виготовляє ферментер місткістю 63 м³.(рис 15).

ФЕРМЕНТЕР Ф-63-1К-01

Рис. .Ферментер з турбінною мішалкою та барботером, розроблений КБ ВНИИФСа (об`єм 40 м<sup>3</sup>): 1 — корпус; 2 — сальник; 3 — тяги; 4 — вал с мішалками; 5 — барботер; 6—підп`ятник; 7 — стійка; 8 — лаз-павук діаметром 400 мм; 9 и 10 — муфти; 11 — стійка; 12 — електродвигун; 13 — смотрове скло; 14 — гільза для термометра; 15—проміжний вал; 16 — редуктор; 17, 18 и 19 — штуцери для виходу води, для гільзи термометру та для наповнення; 20, 21 и 22 — штуцера для завантаження посівного середовища, для барботера та подачі води; 23, 24 и 25 — штуцера для манометра, відбору проби та виходу повітря.

Рис. . Торцеве ущільнення типу ТТ:

1 - нерухоме ущільнююче кільце; 2 - рухоме ущільнююче кільце; 3 - пружина; 4 - нерухоме ущільнююче кільце; 5 - водило; 6 - втулка; 7 - указувач рівня; 8 - корпус; 9 - уловлювач утечок; 10 - вхід пари; 11 - відвід утечок з уловлювачу; 12 - вхід запираючої рідини; 13 – вихід повітря: 14 – визід конденсату; 15 - вихід замираючої рідини

В промисловості використовують ферментери виробництва VEB Chemieanlagenbau Erfurt-Rudisleben місткістю 63 та 100 м³ з комбінованим введенням енергії. Ферментер місткістю 100 м³ (рис. 16) [1] має вертикальний циліндричний корпус, по центру якого розташований вал декількома ярусами відкритих турбін. Лопаті мішалок розсувні .В нижній частині ферментеру розташований квадратний барботер. Для відведення тепла корпус ззовні має секціоновану сорочку, а всередині –пласкі вертикальні трубчасті теплообмінники, які одночасно виконують роль відбиваючих перегородок. Характерною рисою цього ферментера є те, що він має нижній привід мішалки , потужність електродвигуна-120/180 кВт, швидкість обертання валу мішалки 1 та 2 с^-1.

Ферментери з комбінованим введенням енергії місткістю більше 10 м³ мають ряд загальних конструктивних ознак:

• вони обладнані багатоярусними мішалками;

• введення газової фази здійснюється через барботери різних конструкцій;

• промислове використання орієнтоване на проведення асептичного біосинтезу;

• використання приводу мотор-редуктор дозволяє змінювати в широкому діапазоні рівень зрізових зусиль.

• при необхідності в типовому корпусі можлива установка додаткових пристроїв – дифузори, центральні або периферійні аератори, різні конструкції піногасників ( вмонтовані, виносні ), секційонування за допомогою тарілок різних конструкцій.

• додаткова турбулізація поживного середовища забезпечується за допомогою відбиваючих перегородок;

• для створення циркуляційних контурів поживного середовища використовують вбудовані в ферментер спіральні теплообмінники або дифузори.

Табл. Технічна характеристика промислових ферментерів з комбінованим введенням енергії

Об’єм, м^3	40	50 (м. Суми)	63
Коефіцієнт заповнення, %	60-65	62
Висота корпусу, м	6,2	7,772	6,470
Внутрішній діаметр апарата, м	3,0	3,0	3,2
Тип мішалки (мішалок)	відкрита турбіна	відкрита турбіна	відкрита турбіна
Кількість ярусів мішалок	2	3	3
Число обертів мішалки, с^-1	3	3	3,27
Потужність електродвигуна, кВт	14	75	90
Поверхня охолодження м^2:
Сорочка	28,2	-	50
Теплообмінник	-	4 змійовика (30)	4 спір. ( 40)
Тип барботера		кільцевий з 12 променями	кільцевий з 12 променями
Витрати повітря м^3/год			432
Маса, кг			5702

Ферментер, ( рис 17) [1] що серійно випускається Дзержинськхіммаш місткістю 100 м³ має циліндричний корпус з приварними еліптичними дном і кришкою. По центру апарата проходить вал з багатоярусною мішалкою. Нижня мішалка, яка розташована безпосередньо над барботером представляє собою закриту турбіну з криволінійними лопатями і статором для випрямлення потоку. Над нижньою закритою турбіною розташовані дві закриті турбіні мішалки з прямими лопатями. В самій нижній частині апарата встановлена пропелерна мішалка. Барботер – трубчастий, квадратний. Всередині апарата симетрично розташовані чотири трубчасті змійовики. Поверхня теплообміну складається з секціонованої сорочки і змійовиків. В ферментері використовується верхній привод мішалки з електродвигуном потужністю 120/180 кВт частота обертання валу мішалок 2 та 3 с^-1.

Серед ферментерів місткістю 100 м³ відомий промисловий апарат фірми “Хемап“ (Швейцарія) (рис 18) [1].

Апарат виконаний у вигляді вертикальної циліндричної місткості з еліптичним дном і кришкою. Всередині встановлений циркуляційний стакан – дифузор. По центру дифузора проходить вал з чотирма двосторонніми мішалками. Внутрішня поверхня апарата полірована. В нижній частині ферментера встановлений трубчастий барботер, а вгорі на валу мішалки – механічний піногасник. Терморегуляція забезпечується за допомогою сорочки, яка розташована на корпусі. Привод перемішуючого пристрою – нижній, потужність електродвигуна, наприклад ферментера місткістю 20 м³, - 150 к. с. Мішалки з високою швидкістю обертання мають регульовану швидкість і напряму з’єднуються з електродвигуном. Апарати можуть працювати при надлишковому тиску 0,25 – 0,35 МПа.