Moskva, Moscow, Russian Federation
On the basis of the industrial energy-intensive fermenter ADR-900-76, a new economical device for producing protein-vitamin additives from plant raw materials was created, and its heat and mass exchange parameters were calculated. Instead of energy-consuming self-priming turbines, a simpler and more cost-effective solution is offered - a variant of bubble-airlift aeration. This made it possible to reduce energy costs by 6.83 times, which ensured a multimillion-dollar economy per one operating fermenter and reduced its weight by 51 tons (with the weight of one turbine and blower 5t and 4.76t, respectively).
fermenter, mass transfer, turbine, microorganisms, bubbler, agitation, substrate, protein, heat exchange, oxygen.
В биотехнологическом производстве белковой биомассы, как целевого продукта, стадия ферментации занимает центральное место. Вопрос аппаратурного оформления этой стадии определяет в основном экономическую эффективность производства в целом. Решающее значение при технико-экономической оценке технологии получения микробного белка также имеет стоимость и удельный расход субстрата. Субстраты можно разделить на два больших класса: углеводные (гидролизаты растительного сырья, меласса, мелассная барда, богасса и др.) и углеводородные (н-парафины, природный газ, этиловый и метиловый спирты и др.). Специфика переработки различных субстратов существенно влияет на аппаратурное оформление процесса ферментации [1, 8, 18].
Выход биомассы от субстрата и потребность в кислороде зависит от восстановленности углерода в субстрате, эффективности штаммов-продуцентов и технологических режимов.
Таблица 1
Выход биомассы от субстрата и потребность в кислороде
|
глюкоза |
0,48–0,54 |
гр. биомассы |
0,4–0,6 |
гр. 02 |
|
гр. субстрата |
гр. биомассы |
|||
|
метанол |
0,36–0,54 |
гр. биомассы |
1,2–2,6 |
гр. 02 |
|
гр. субстрата |
гр. биомассы |
|||
|
этанол |
0,62–0,71 |
гр. биомассы |
2,0 |
гр. 02 |
|
гр. субстрата |
гр. биомассы |
|||
|
метан |
0,77–1,0 |
гр. биомассы |
3,0 |
гр. 02 |
|
гр. субстрата |
гр. биомассы |
Из данных табл. 1 следует, что потребность в кислороде на единицу биомассы при ее производстве на углеводном субстрате существенно ниже, чем при производстве на углеводородном субстрате [2, 3, 4, 6, 18].
Наряду с выходом биомассы эффективность процесса биосинтеза определяется скоростью образования биомассы. На этот показатель, в частности, оказывают влияние кинетические характеристики штамма-продуцента, концентрация лимитирующего элемента питания, температура, рН, условия транспорта питательных веществ и отвода продуктов метаболизма. Большая скорость процесса биосинтеза характерна для бактериальных штаммов, что наряду с более высоким содержанием белка в биомассе по сравнению с дрожжами делает их предпочтительнее, однако вызывает некоторые затруднения, связанные со стабильностью процесса, концентрированием биомассы и очисткой газовоздушных выбросов [1, 2].
В 60–90-х годах прошлого столетия широкое распространение в качестве углеводородного субстрата получили н-парафины нефти фракций С14-С19, обеспечивающие наибольший выход биомассы и продуктивность. Было построено восемь крупных заводов белково-витаминных концентратов (БВК) общей мощностью 1,2 млн тонн в год. Физико-химические особенности парафинов, в частности их низкая растворимость, в значительной степени определили конструкцию производственного ферментера [1, 2, 3, 4, 8]. Основным промышленным аппаратом на заводах БВК стал ферментер Б-50 (впоследствии модернизированный в АДР-900-76), выполненный в виде тора диаметром 18 метров с равномерно расположенными по окружности аэрационными самовсасывающими турбинами (рис. 1).
Рис. 1. Биореактор АД Р- 900 - 7 6
1 — кольцевой канал; 2 — воздуховод: 3 — пеногаситель:
4 — сепаратор; 5 — цилиндр; 6 — привод; 7 — теплообменник:
8-диффузор; 9 — цилиндрический стакан; 10—эжекционное устройство.
Результаты многолетней эксплуатации показали, что он имеет определенные недостатки, в частности высокую металлоемкость (16 кг/кг биомассы) и нерациональное использование вводимой (высокой) энергии (до 3,0–3,5 квтч/кг биомассы). Работа ферментера характеризуется следующими показателями [4, 5, 8, 10, 11]:
- производительность, т/сут – 30–32;
- объем, м3
– геометрический – 900,
– рабочий – 450;
- вводимая мощность (при КLa = 1000–1500ч-1)
– суммарная, квт – 4095,
– удельная, квт/м3 – 9,1;
- расход воздуха
– суммарный, нм3/ч – 50 000;
– удельный, нм3/м3ч – 111;
- удельное потребление кислорода, кг/м3ч – 8,5;
- удельные затраты эл. энергии на ввод О2, квтч/кгО2 – 1,07;
- металлоемкость, т – 480–515;
- удельная продуктивность по биомассе, кг/м3ч – 2,9.
В начале 90-х годов в силу ряда причин, в частности резкого роста цен на нефтепродукты, производство БВК было прекращено. В сжатые сроки институтами и заводами была освоена технология производства белковых добавок на основе дешевых отходов сельскохозяйственных производств (отруби ржаные и пшеничные, некондиционное зерно и проч.), причем разработанная технология позволяла полностью использовать ферментационное и другое оборудование заводов БВК. Выпуск нового продукта был освоен на Светлоярском, Кстовском, Уфимском и других заводах БВК [8, 9, 13, 14].
Анализ работы ферментера АДР-900 показал, что возможно существенно снизить его энергопотребление при сохранении высоких массообменных характеристик, тем более, как показано выше, при работе на углеводном сырье потребляется меньше кислорода на единицу производимой биомассы.
Создание нового аппарата на базе ферментера АДР-900, расчет его тепломассообменных показателей и определение их в процессе промышленных испытаний и явилось целью данной работы [8, 9, 13, 14].
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Отработка конструктивных решений по выбору систем аэрации, проведение гидродинамических и массообменных испытаний предварительно проводились в лабораторных условиях. Перенос результатов лабораторных исследований, модернизация производственного ферментера и промышленные испытания были проведены на Светлоярском заводе БВК. Суть модернизации заключалась в замене энергоемких самовсасывающих турбин барботажно-эрлифтной системой аэрации при сохранении высоких массообменных показателей работы ферментера, для этого:
- демонтированы самовсасывающие турбины, срезаны «ложные днища» и направляющие аппараты (статоры);
- на крыше ферментера установлены 3 турбовоздуходувки ТВ-200-1,4, оснащенные кольцевым коллектором. От коллектора в каждую секцию ферментера подведены воздуховоды;
- в каждой секции с целью образования циркуляционных газожидкостных потоков встроены вертикальные перегородки, расположенные вдоль теплообменных блоков;
- под каждым теплообменником установлены барботеры в виде прямоугольных замкнутых контуров. В секцию также помещен барботер в виде вертикальной трубы.
Нижние и боковые поверхности труб аэрационной системы под теплообменником имеют вырезы 35×80 мм, которые закрыты просечно-сжатым листом со свободным сечением 20%. На вертикальных трубах вырезы расположены на высоту 1000–1500 мм. Общее число вырезов на секцию – 175 при скорости воздуха через просечки 10 м/с [7, 8, 9, 10, 13, 14].
Ферментер (рис. 2) работает следующим образом.
А - А
Рис. 2. Модифицированный ферментёр 1-коллектор, 2-патрубок выхода воздуха, 3-центральная секция, 5-радиальная перегородка, 6.перефирийная секция, 7-теплообменник, 8-аэрационное устройство, 9-трубы аэрационного устройства, 10-замкнутый контур аэрационного устройства, 11-крестовина аэрационного устройства, 12-вертик. трубы аэрац. устр. 13-перегородка, 14-газоход, 15-просечно-сжатый лист, 16-турбовоздуходувка ТВ-200-1,4.
Б - Б
Аппарат заполняют питательной средой с засевной культурой. Воздух на аэрацию поступает из коллектора 1 по газоходу 14 в аэрационные устройства 8 и далее распространяется по замкнутым контурам 10 с крестовинами 11 и вертикальным трубам 12. Диспергирование воздуха осуществляется через вырезы труб 9, закрытые просечно-сжатым листом 15, имеющим малое гидравлическое сопротивление. Благодаря различному размещению просечек, воздух, проходящий через просечно-сжатый лист, имеет направление, препятствующее оседанию твердых частиц на дне аппарата. Суспензия микроорганизмов, проходя через теплообменник 7 в восходящем газожидкостном потоке, насыщается кислородом воздуха и одновременно охлаждается, что способствует растворению кислорода. Циркулирующие потоки дрожжевой суспензии, поднимаясь вверх, освобождаются от пузырьков воздуха, поступают в центральную часть секции 6, проходят вдоль перегородок 13, опускаются вниз и направляются под теплообменник 7, замыкая контур циркуляции. В центральной части секции воздух подается по вертикальным трубам через просечно-сжатые вставки. Трубы расположены напротив друг друга у радиальных перегородок 5, и благодаря этому образуются встречные газожидкостные потоки, которые вращают суспензию и препятствуют образованию застойных зон в центральной части секции. Таким образом, организуется дополнительный контур циркуляции газожидкостной среды, который взаимодействует с контуром циркуляции от теплообменника в перекрестном направлении, что интенсифицирует процесс массообмена. Отработанный воздух отводится из аппарата по патрубкам 2. [13, 15, 16, 17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Массообменные показатели
Эксперименты показали, что на субстрате из отрубей выбранный биоценоз микроорганизмов имеет удельную скорость роста µ=0,15час-1 при оптимальной рабочей концентрации микробной биомассы в ферментере х = 27,5 кгАСВ/м3 (без учета неутилизированной части субстрата). Продуктивность ферментера составит Qx = µ×х = 0,15×27,5 = 4,125кгАСВ/м3хч. [1, 2, 24, 25].
Потребность в кислороде: М= αо2× Qx=0,5×4,125=2,06 кгО2/ м3хч
где αо2 – удельный расход кислорода, кгО2/кг биомассы
или для всего объёма аппарата Qо2=М ×450=938,4 кгО2/ч (656,9 м3 О2/ч)
Потребность в воздухе с учетом коэффициента использования кислорода (η=0,1) 656,9/0,21×0,1=31280 м3/ч.
Следовательно, требуемую подачу воздуха в ферментер обеспечат три турбовоздуходувки ТВ-200-1,4, производительностью 12 000 м3/ч каждая.
Приведенная скорость газа и жидкости в восходящем потоке:
где: n – число секций ферментера, S – площадь секции ферментера в зоне восходящего двухфазного потока %; G – расход газа, м3/ч.
Для эрлифтных аппаратов [3, 20] скорость циркуляции жидкости WL = 0,62м/с при WG = 0,132м/с.
Расходное газосодержание в восходящем потоке рассчитывают по формуле
- с учетом полученных ранее экспериментальных данных коэффициент массоотдачи в циркуляционной зоне принимаем 1051/ч, [3, 4], тогда средний коэффициент массоотдачи по всему аппарату с учётом соотношения объёмов барботажа и циркуляции составит 3571/ч (при общей площади секции 18м2);
- скорость растворения кислорода рассчитывают из соотношения:
М = βLV×ΔĈ,
где ΔĈ – движущая сила процесса (при условии, что содержание растворённого кислорода близко к нулю):
где Р0 – давление воздуха на выходе из ферментера, Ун – доля кислорода в воздухе на входе в ферментер.
На основании проведенных ранее экспериментов принимаем объемную долю кислорода в отходящем из ферментера воздухе уК = 0,19.
Константа фазового равновесия (коэффициент распределения) mpc = 3,54×106 Па м3/кгО2 (при 30 0С) [21, 23].
Р = Р0+ρgh = 9,81×104+1000×9,81×3 = 1,275×105 Па
– давление воздуха на входе в ферментер (ρgh – избыточное давление столба суспензии по монолиту в аппарате).
Откуда ΔĈ = 6,36×10-3 кг/м3, М = 357×6,36×10-3 = 2,27 кг/ м3ч.
Уточненная продуктивность ферментера по биомассе составляет х˚ = М/αо2 = 2,27/0,5 = 4,54 кгАСВ/м3·ч,
Установочная мощность трех турбовоздуходувок ТВ-200-1,4, Nуст = 200×3 = 600 кВт.
Удельные показатели работы ферментера следующие:
- расход воздуха 36 000/450 = 80 м3/м3ч,
- затраты мощности на аэрацию 600/450 = 1,33 кВт/ м3,
- затраты эл. энергии на растворение кислорода 1,33/2,27 = 0,59 кВтч/кгО2,
- эффективность аэрации 1/0,59 = 1,69 кг О2/кВтч.
Теплообменные показатели
Удельное тепловыделение i при биосинтезе микроорганизмов составляет порядка 30–40 мДж/кгАСВ (субстрат н-парафины). Также известно, что для роста на углеводах в сравнении с н-алканами, кислорода требуется в 3,6 раза меньше. Принимаем i = 10 000 кДж.
Тепло, выделяемое в процессе выращивания в ферментере:
Где Vp – рабочий объем аппарата, м3
Параметры охлаждающей воды t2в (на выходе) и t1в (на входе) взяты как средние показатели оборотного водоснабжения для южных регионов РФ.
Среднюю разность температур рассчитываем по формуле:
К – коэффициент теплопередачи по расчёту составляет 446 Вт/ м2 К о, что согласуется с экспериментальными данными.
Поверхность теплообмена определяем по формуле
Общая поверхность теплообменников в ферментере АДР-900-76 равна 2600–2800 м2. Таким образом, теплосъем имеющимися теплообменниками при максимальных тепловых нагрузках в летнее время для модифицированного ферментера будет гарантированно обеспечен, в то время как при производстве паприна эти вопросы были «узким» местом [12, 21, 25, 26, 27].
Сравнительные затраты электроэнергии на аэрацию дрожжевой суспензии в новом ферментере и в ферментере АДР-900-76:
- затраты электроэнергии в ферментере АДР-900-76. Э = 315×13 = 4095 кВт.
- затраты электроэнергии в барботажно-эрлифтном ферментере Э1 = 3×200 = 600 кВт.
- экономия электроэнергии при работе нового ферментера Э/Э1 = 4095/600 = 6,83 раза.
Таким образом, на базе энергоемкого ферментера АДР-900-76, ранее используемого для производства паприна, разработан новый, экономичный ферментер для получения белково-витаминных добавок, например, БЕЛКОВИТа, из растительного сырья. Вместо энергоемких самовсасывающих турбин предложено более простое и экономически эффективное решение – вариант барботажно-эрлифтной аэрации. Это позволило снизить энергетические расходы в 6,83 раза в расчете на один работающий ферментер и уменьшить его вес на 51 тонну (при весе одной турбины и воздуходувки 5т и 4,76 т, соответственно) [13, 14, 15, 18, 19, 22].
1. Gracheva I.M. Tehnologiya mikrobnyh belkovyh preparatov, aminokislot i zhirov [Tekst] / I.M. Gracheva. - M.: Pischevaya promyshlennost'. 1980. - 448 s.
2. Bykov V.A. Biotehnologiya. Kn. 5: Proizvodstvo belkovyh veschestv [Tekst] / V.A. Bykov. - M.: Vysshaya shkola. 1987. - 142 s, il.
3. Katrush R.V., Vinarov A.Yu. Tehnologicheskoe i apparaturnoe oformlenie processov fermentacii na uglerodsoderzhaschih substratah [Tekst] / R.V. Katrush, A.Yu. Vinarov. - M.: VNIISENTI. 1985. - 44 s, il.
4. Bykov V.A. Raschet processov mikrobiologicheskih proizvodstv [Tekst] / V.A. Bykov i dr. - K.: Tehnika. 1985. - 245 s, il.
5. Sokolov V.N., Domanskiy I.V. Gazozhidkostnye reaktory [Tekst] / V.N. Sokolov, I.V. Domanskiy. - L.: Mashinostroenie. 1976. - 216 s.
6. Pert S.Dzh. Osnovy kul'tivirovaniya mikroorganizmov i kletok [Tekst] / S.Dzh. Pert. - M.: Mir. 1978. - 331 s.
7. Lukanin A.V. Apparat dlya vyraschivaniya mikroorganizmov. Patent RF, № 2078807 ot 10.05.97.
8. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotehnologiya: processy i apparaty mikrobiologicheskih proizvodstv [Tekst]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. - M.: Nauchno-izdatel'skiy centr Infra-M, 2016.
9. Lukanin A.V. Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnyh proizvodstv kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin. - M.: Moskovskaya akademiya himicheskogo mashinostroeniya, 1994.
10. Klyushenkova M.I., Lukanin A.V. Zaschita okruzhayuschey sredy ot promyshlennyh gazovyh vybrosov [Tekst]: uchebnoe posobie / M. I. Klyushenkova, A. V. Lukanin. - M.: Moskovskiy gos. un-t inzhenernoy ekologii, 2012.
11. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: processy i apparaty ochistki stochnyh vod i pererabotki osadkov [Tekst]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. - M.: Nauchno-izdatel'skiy centr Infra-M, 2017.
12. Lukanin A.V. Processy i apparaty biotehnologicheskoy ochistki stochnyh vod [Tekst]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. - M.: Nauchno-izdatel'skiy centr Infra-M, 2016.
13. Lukanin A.V. Modernizaciya promyshlennogo fermentera ADR -900 -76 dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki iz rastitel'nogo syr'ya [Tekst] / A.V. Lukanin // Biotehnologiya. - 2003. - № 6. - S. 84.
14. Flow hydrodynanics and vass transfer in a bubbling liquid layer /a.v. Lukanin Lukanin A.V., Solomakha G. //Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii. - 1988. - T. 22. - № 4. - S. 435.
15. Lukanin A.V. Novyy vysokoeffektivnyy promyshlennyy fermenter bol'shoy edinichnoy moschnosti dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki [Tekst] / A.V. Lukanin // Nauka i promyshlennost' Rossii. - 2003. - № 2-3. - S. 61.
16. Lukanin A.V., Tarasova T.A. Ustanovka dlya ochistki i dezodoracii gazovozdushnyh vybrosov fermenterov. Patent na izobretenie RUS 2060273
17. Lukanin A.V., Koval'skiy Yu.V. Ocenka modernizirovannogo oborudovaniya i sistem gazoochistki biotehnologicheskogo proizvodstva po preduprezhdeniyu zagryazneniya atmosfernogo vozduha [Tekst] / A.V. Lukanin, Yu.V. Koval'skiy // Biotehnologiya. - 1992. - № 3. - S. 75.
18. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotehnologiya. Osnovy tehnologii mikrobiologicheskih proizvodstv [Tekst]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. - M.: Nauchno-izdatel'skiy centr Infra-M, 2016.
19. Lukanin A.V., Koval'skiy Yu.V. Energotehnologicheskoe i ekologicheskoe sovershenstvovanie sushil'nyh ustanovok mikrobiologicheskih proizvodstv [Tekst] / A.V. Lukanin, Yu.V. Koval'skiy // Biotehnologiya. - 1989. - T. 5. - № 6. - S. 768.
20. Lukanin A.V. Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnyh proizvodstv kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin // Ekologicheskiy vestnik Rossii. - 2016. - № 6. - S. 46.
21. Lukanin A.V. Zaschita vozdushnogo basseyna pri krupnotonnazhnom proizvodstve kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin // Zhurnal tehnicheskih issledovaniy. - 2016. - T. 2. - № 6. - S. 2.
22. Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A., Lukanin A.V., Sister V.G. Sposob polucheniya kormovoy belkovo-vitaminnoy dobavki. Patent na izobretenie RUS 2290831 30.11.2004
23. Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A., Lukanin A.V., Sister V.G. Sposob polucheniya kormovoy dobavki. Patent na izobretenie RUS 2295869 30.11.2004
24. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: processy i apparaty ochistki gazovozdushnyh vybrosov [Tekst]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. - M.: Nauchno-izdatel'skiy centr Infra-M, 2017.
25. Updating of the industrial adr-900-76 fermenter for production of fodder protein additive from plant material [Text] / A.V. Lukanin // Biotechnology in Russia. 2003. № 6. s. 97-102.
26. Lukanin A.V. Zaschita vozdushnogo basseyna pri krupnotonnazhnom proizvodstve kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. - 2017. - № 3. - S. 4-11.
27. Lukanin A.V. Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnyh proizvodstv kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin // Ekologicheskiy vestnik Rossii. -2016. - № 6. - S. 35-45.
