Назначение систем перемешивания и аэрации в биореакторах. (Лекция 5)

1.

ФЕДОРЕНКО
Борис Николаевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
доктор технических
наук, профессор
ОБОРУДОВАНИЕ
ОТРАСЛИ
Московского
государственного
(биотехнологические
производства)
университета пищевых производств
Лекция 4.
СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И АЭРАЦИИ
В БИОРЕАКТОРАХ
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
1

2. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И АЭРАЦИИ В БИОРЕАКТОРАХ

18.01.2017
Лекция 5
Системы перемешивания
биореактора предназначены:
для обеспечения в нем
однородных условий
культивирования;
интенсификации массо- и
теплообмена.
Системы аэрации
предназначены для подвода и
равномерного распределения
воздуха.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
2

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Тихоходные;
Быстроходные.
Основные типы мешалок:
а – лопастная;
б – якорная;
в – рамная;
г – листовая;
д – пропеллерная;
е – турбинная.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
3

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Тихоходные мешалки
Лопастные;
якорные;
рамные и т.п.
Быстроходные мешалки
Специальные –
ленточные,
шнековые и т.п.
Турбинные
Просты, громоздки, дешевы,
металлоемки
Сложней, компактней, дороже,
металлоэкономней
Частота вращения
30…100 мин-1
Частота вращения
100…3000 мин-1
Скорость на конце лопасти
2…3 м/с
Скорость на конце лопасти
3…20 м/с
Для вязких и
сыпучих сред
Слабый осевой
поток (для его
усиления лопасти
выполняют
наклонными)
18.01.2017
Пропеллерные
(винтовые)
Лекция 5
Вязкость
до 2 Па·с
Вязкость
до 500 Па·с
Осевой поток
(насосный
эффект)
Слабый осевой
поток (для его
усиления лопасти
выполняют
наклонными)
© проф. Федоренко Борис Николаевич
4

5. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
5

6. ТУРБИННЫЕ МЕШАЛКИ

Открытого типа (а);
Открытого типа с изогнутыми
лопастями (б);
Открытого типа с
наклонными лопастями (в);
Закрытого типа (г):
1 – турбина;
2 – направляющий аппарат.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
6

7. МНОГОЯРУСНЫЕ МЕШАЛКИ

а
)
18.01.2017
Эффективное
перемешивание в
больших объемах
обеспечивают с
применением
многоярусных
мешалок;
В состав системы
перемешивания
входят
отражательные
перегородки.
б
)
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
7

8. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ПЕРЕГОРОДКИ

2
1
3
4
5
6
А
А
7А
А
8
18.01.2017
Лекция 5
Отражательные перегородки предотвращают
образование водоворота вокруг вала мешалки,
переводя круговое движение жидкости в вихревое.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
8

9. СТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

2
1
3
4
5
6
7А
А
1 – Уплотнение;
2 – Редуктор;
А
А
3 - Эл. двигатель;
4 – Вал;
5 – Отражатель;
6 – Промежуточный
подшипниковый узел;
7 – Мешалка;
8 - Концевой подшипниковый
узел;
8
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
9

10. УСТРАНЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ВАЛА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

18.01.2017
Лекция 5
При работе мешалки возникают
круговые колебания вследствие
динамических нагрузок на
консольный конец вала. Для их
устранения устанавливают
концевой или промежуточный
подшипник.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
10

11. ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ВЕРХНИМ И НИЖНИМ ПРИВОДОМ

18.01.2017
Лекция 5
Гораздо чаще применяют системы
перемешивания с верхним приводом.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
11

12. МНОГОЯРУСНАЯ МЕШАЛКА И ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ПЕРЕГОРОДКИ В БИОРЕАКТОРЕ

18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
12

13. САЛЬНИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

1
2
3
4
18.01.2017
Лекция 5
1 – корпус сальника;
2 – крышка сальника;
3 – сальниковая набивка;
4 – грундбукса.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
13

14. ДВОЙНОЕ ТОРЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

1
6
5
4
3
2
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
1
14

15. НЕДОСТАТКИ САЛЬНИКОВЫХ И ДВОЙНЫХ ТОРЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ ВАЛА

Высокие затраты энергии на преодоление сил трения;
Необходимость отвода тепла, выделяемого в результате
трения;
Торцевые уплотнения требуют квалифицированного
обслуживания;
Наличие истирающихся деталей и материалов, что требует
их замены, периодической подтяжки и т. п. (в противном
случае возникает возможность нарушения герметичности
соединения);
Ограничения по давлению и температуре.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
15

16. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ПРИВОДЫ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

18.01.2017
Лекция 5
На основе трех вариантов:
с асинхронным экранированным
электродвигателем (ЭЭД), в
котором экран в виде стакана
разделяет статор и ротор, на
котором закреплен вал с мешалкой;
с экранированной
электромагнитной муфтой (ЭММ), в
которой магнитное поле создается
протекающим по обмоткам
возбуждения электрическим током;
с экранированной муфтой на
постоянных магнитных (ЭПМ), в
которой магнитное поле создается
постоянными магнитами.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
16

17. ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПРИВОД С ЭКРАНИРОВАННОЙ МУФТОЙ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

1 – ведущая полумуфта;
2 – стакан, проницаемый для
магнитного поля;
3 – ведомая полумуфта.
ЭПМ не является источником механической энергии, а лишь
служит промежуточным звеном в передаче энергии от источника
(асинхронного двигателя) к валу перемешивающего устройства.
Механическая энергия передается в герметичный объем биореактора
посредством магнитного поля бесконтактным способом.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
17

18. ПРЕИМУЩЕСТВА ЭКРАНИРОВАННЫХ МУФТ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Обеспечивается абсолютная герметичность биореактора;
Упрощается обслуживание, поскольку отпадает
необходимость в профилактических осмотрах и ремонтах
герметизирующего узла;
Невозможно заклинивание, поскольку устройство муфты
обеспечивает самопредохранение ее при повышении
крутящего момента выше критических значений;
Легкая замена традиционного привода на герметичный
привод с ЭПМ;
Обеспечивается более полное использование мощности
приводного электродвигателя, за счет отсутствия потерь
на трение в герметизирующем узле.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
18

19. ВИБРАЦИОННЫЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Вертикальные колебания
перфорированных пластин
с амплитудой 0,1…3 мм и
частотой 50 Гц.
18.01.2017
Лекция 5
Не образуется воронка;
Герметичность аппарата (высокий уровень асептики);
Низкие энергозатраты;
Снижение травмируемости клеток;
Необходимость специальных фундаментов из-за
повышенной вибрации.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
19

20. БИОРЕАКТОР ВАЛЬДГОФА С САМОВСАСЫВАЮЩЕЙ МЕШАЛКОЙ

Диффузор усиливает
разрежение, создаваемое
при вращении мешалки в
верхней части аппарата, где
поверхность жидкости
приобретает вид глубоко
вогнутого мениска.
Вращение мешалки
способствует
диспергированию воздуха.
Хороший газожидкостной
контакт обеспечивается также
спиральной траекторией
пузырьков газа.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
20

21. ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Перемешивание среды
осуществляется
пузырьками газа.
Простейший вариант –
применение барботера.
Классический вариант
– сочетание барботера и
диффузора
Скорость массопередачи между газом и жидкостью в таких
аппаратах намного ниже, чем в аппаратах с механическим
перемешиванием;
Простота конструкции и малые энергозатраты.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
21

22. СОПЛОКОНУСНЫЙ БИОРЕАКТОР

18.01.2017
Лекция 5
Увеличение интенсивности
перемешивания возможно в
соплоконусных биореакторах.
В таких системах мощная струя
воздуха врывается в аппарат через
отверстия (сопла, форсунки) в
центре днища аппарата, имеющего
форму конуса.
Биосинтез целевого продукта
происходит преимущественно в
пенном слое.
Соплоконусные биореакторы
обеспечивают эффективный синтез
аминокислот бактериями.
© проф. Федоренко Борис Николаевич
22

23. ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Биореакторы циркуляционного (гидродинамического) типа содержат устройства (насосы, эжекторы),
создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру.
Жидкость увлекает за собой пузырьки газа.
Основные типы биореакторов
с циркуляционным перемешиванием:
типа «падающая струя»;
типа «погруженная (затопленная) струя.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
23

24. БИОРЕАКТОР ТИПА «ПАДАЮЩАЯ СТРУЯ»

18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
24

25. БИОРЕАКТОР ТИПА «ПОГРУЖЕННАЯ СТРУЯ»

Воздух
Культуральная
жидкость
Аэрированная
культуральная
жидкость
Принципиальное устройство эжектора
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
25

26. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА НА РАЗВИТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

mС
1
f 3( C )
0,5
0 КC
C
= mCC / (Кс+ С)
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
26

27.

АЭРАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ БАРБОТЕРОВ
Ферментер
18.01.2017
Лекция 5
Замочный аппарат
© проф. Федоренко Борис Николаевич
27

28. БАРБОТЕРЫ

Воздух
Â
îç
ä
ó
õ
Воздух
Â
îç
ä
ó
õ
à
)
Воздух
Â
îç
ä
ó
õ
á
)
â
)
Барботёр — устройство для распределения воздуха в жидкости, за
счет пропускания через слой жидкости пузырьков газа, диспергируемых погруженными в жидкость специальными конструктивными
элементами — чаще всего перфорированными трубами.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
28

29. АЭРАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ ФОРСУНОК (на примере замачивания зерна)

Подача воздуха в замочный аппарат
через систему форсунок
18.01.2017
Лекция 3
© проф. Федоренко Борис Николаевич
29

30.

АЭРАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ ВЫНОСНОГО АЭРАТОРА
Стерильный воздух
Гликоль
Пар
Биореактор
Стерилизатор
Стерильный воздух
Конденсат
CIP
Культуральная жидкость
Питательная
среда
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
30

31. АЭРАТОР

18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
31

32. ОСОБЕННОСТИ ГЛУБИННОЙ АЭРАЦИИ В БИОРЕАКТОРАХ

Обильное пенообразование (несмотря на
применение пеногасителей);
Невозможность использования вместимости
биореактора более чем на 70% (коэффициент
заполнения обычно составляет 0,5…0,7);
Необходимость сложной системы очистки и
стерилизации воздуха на входе и очистки
отработанной газовой смеси на выходе из
биореактора;
Использование воздуха с содержанием кислорода не
более 21%.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
32

33. СИСТЕМЫ МЕМБРАННОГО БАРБОТИРОВАНИЯ В БИОРЕАКТОРАХ НА ОСНОВЕ ПОРИСТЫХ МЕМБРАН

Способ мембранного
барботирования через
специальные пористые
полипропиленовые мембраны
применяют, в частности, при
культивировании клеток в
промышленном получении
-интерферона.
Важной технологической особенностью этого процесса является
отсутствие пенообразования.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
33

34. СИСТЕМЫ МЕМБРАННОЙ АЭРАЦИИ В БИОРЕАКТОРАХ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННЫХ МЕМБРАН

Воздух
СО2
О2
Воздух
О2
Воздух
Воздух
О2
О2
СО2
О2
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
СО2
34

35. БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПЕРФУЗИОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ фирмы «MBR Bio Reaktor AG»

Свежая
питательная
среда
8
Хладагент
Бесклеточная
культуральная
жидкость
Воздух
7
6
5
4
3
2
Воздух
Хладагент
Слив
1
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
35

36. ПРЕИМУЩЕСТВА МЕМБРАННОЙ АЭРАЦИИ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННЫХ МЕМБРАН

Исключение систем очистки воздуха и газовых выбросов
соответственно на входе и выходе биореактора; а,
следовательно, снижение затрат на оборудование и
обслуживание;
Исключение пенообразования в процессе
культивирования, а, следовательно, исключение
использования пеногасителей;
Повышение производительности биореактора почти на
треть, за счет увеличения его рабочей вместимости почти
до 100%;
Повышение надежности асептики процесса;
Улучшение экологической безопасности производства.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
36

37. НЕДОСТАТКИ МЕМБРАННОЙ АЭРАЦИИ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННЫХ МЕМБРАН

Обрастание их культурой в процессе
эксплуатации;
Технические трудности при мойке и
стерилизации между циклами культивирования;
Трудность масштабирования, поскольку
развитие площади газообмена лимитируется
внутренним пространством биореактора.
Уменьшение требуемой площади поверхности газообмена
может быть обеспечено, благодаря увеличению движущей силы
трансмембранного массопереноса, которой является разность
концентраций. Для этого через газообменные трубки продувают
не атмосферный воздух, а воздух, обогащенный кислородом, или
даже чистый кислород.
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
37

38.

РЕКУОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К
ИЗУЧАЕМОЙ ТЕМЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ”
Б. Н. Федоренко
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ
Часть 1. БИОРЕАКТОРЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Федоренко Б.Н. Технологическое оборудование микробиологических производств.
Часть 1. Биореакторы. – М.: МГУПП, 2006.
– 66 с.
МОСКВА 2006
18.01.2017
Лекция 1
© проф. Федоренко Борис Николаевич
38

39.

ФЕДОРЕНКО
Борис Николаевич
доктор технических наук, профессор
Кафедра “Технологические машины и
оборудование”
Московского государственного
университета пищевых производств
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
тел. 8 (499) 158-72-11
18.01.2017
Лекция 5
© проф. Федоренко Борис Николаевич
39