Глава 4. Оборудование для культивирования микроорганизмов
Выращивание микроорганизмов – продуцентов биологически активных веществ проводят на твердых или жидких питательных средах. В промышленности наиболее широкое распространение получило глубинное культивирование на жидких средах. Вместе с тем культивирование на сыпучих средах имеет существенные преимущества по сравнению с культивированием на жидких средах:
- синтез ферментов в 5-8 раз выше;
- влажность получаемой культуры 45-50 %, что дает значительную экономию при сушке.
Однако отсутствие надежных механизированных растильных установок сдерживает его широкое промышленное применение.
Культивирование микроорганизмов на твердых питательных средах
Оборудование для культивирования микроорганизмов на твердых питательных средах называют растильными установками. По конструкции растильные установки можно подразделить на следующие виды:
- камерные растильные установки с горизонтально расположенными перфорированными кюветами размерами 400 X 800 мм,;
- механизированные растильные установки с вертикально расположенными перфорированными кюветами;
- механизированные установки;
- ленточно-конвейерные установки цикличного и непрерывного действия;
- пластинчатые агрегаты непрерывного действия с применением растильных вибрационных установок;
- установки колонного типа с объемным аэрированием;
- растильные установки барабанного типа.
Первые ферментные заводы в нашей стране были оборудованы камерными растильными установками с горизонтально расположенными перфорированными кюветами. На некоторых предприятиях эти установки применяются до настоящего времени.
Камерные растильные установки используют для выращивания культур грибов в кюветах поверхностным способом. Растильная камера – это прямоугольное помещение размерами 10 X 2,8 X 2,1 м с полной герметизацией. Помещение имеет две двери, одна из которых выходит в загрузочное отделение, а другая - в разгрузочное. Внутри камеры с одной стороны имеются воздуховоды для подачи кондиционированного воздуха, а с противоположной - воздуховоды для удаления отработавшего воздуха. Площадь камеры рассчитана на единовременную загрузку 18-20 этажерок по 9-10 этажерок на каждую сторону. Каждая этажерка имеет 9-10 полок, на которых расположены кюветы. Расстояние между полками принимается равным 80-100 мм. Это позволяет провести одновременную загрузку питательной среды до 700 кг в пересчете на воздушно-сухие отруби.
Этажерки устанавливают в камере широкой стороной к стенам. Меду рядами этажерок оставляют свободный проход для обслуживания шириной 1000-1200 мм. Расстояния от стен должно быть равно 300—200 мм.
Кондиционеры воздуха располагают над растильными камерами. Они подают в камеры воздух температурой 22-32 °С и относительной влажностью 96-98 %. Воздух рециркулирует с добавлением от главного кондиционера 10 % свежего воздуха. Загрузочные и разгрузочные коридоры растильных камер должны быть изолированы от соседних помещений. Это достигается с помощью приточно-вытяжной вентиляции при кратности обмена воздуха до 8. Отработавший воздух перед выбросом в атмосферу тщательно очищается от спор.
Выращивание производственной культуры в растильных камерах использовалось на начальных этапах развития производства ферментных препаратов. Применяют этот способ и при малотоннажном производстве. Недостатками такого способа культивирования микроорганизмов являются большая трудоемкость, низкий уровень механизации технологических процессов и неизбежность контакта работающего персонала с растущей культурой микроорганизма.
Попытки создать механизированные растильные установки с горизонтально расположенными кюветами не дали положительных результатов, так как они металлоемки и малопроизводительны.
Механизированная линия для выращивания культур грибов разработана на основе растильных камер с разъемными кассетами. Используют её для механизированного выращивания и получения очищенных ферментных препаратов.
В состав линии несколько отделений: подготовки питательной среды выращивания, экстракции, осаждения, выделения и сушки, стандартизации и фасовки препарата.
Основой стадией технологического процесса является подготовка питательной среды и выращивание культуры гриба.
Принципиальная схема расположения технологического оборудования в отделении выращивания гриба показана на рис. 4.1.
Она предусматривает два технологически независимых потока. В каждом потоке имеются стерилизатор, смеситель, закрытый туннель, рельсовая система для последовательного перемещения камер от одной технологической операции к другой. В закрытом туннеле размещаются девять растильных камер.
Исходное сырьё для питательной среды - отруби и свекловичный жом, подаются пневмотранспортом в приемный бункер, а из него шнековым транспортером перемещаются в стерилизатор. В этот же стерилизатор добавляют необходимое количество воды и раствора сульфата аммония. Смесь перемешивают и производят стерилизацию в автоматическом режиме. После стерилизации среда поступает в стерильный смеситель, Туда же добавляют стерильную воду для увлажнения среды и стерильную суспензию посевной культуры. Количество посевного материала составляет 0,1-0,8 % от массы питательной среды.
Засеянную питательную среду перемешивают 3-5 мин, автоматически открывается люк смесителя и среда перегружается в подготовленную стерильную растильную камеру 13 с разъемными кассетами. Камера устанавливается на столе загрузки 5 под смесителем. Среды в кассетах уплотняется за счет вибрации камеры, После чего растильная камера по рельсовому пути автоматически транспортируется в туннель камеры выращивания 10.
В отделении выращивания размещены две камерами выращивания. Каждая из них имеет узел загрузки 3, 4, иузлом разгрузки 9. В линии имеется устройство для измельчения культуры, мойки и стерилизации камер. Все узлы соединены между собой рельсовыми путями 15 с поворотными кругами 1 и транспортирующими системами.Транспортировка камер от одного узла к другому производится автоматически.
Туннель камеры выращивания разделен на три участка: первый рассчитан не размещение шести растильных камер 13, второй — на две камеры и третий — на одну. Каждый участки камеры выращивания герметизирован, оборудован двумя противоположно расположенными диффузорами для подвода и отвода воздуха, калориферами и вентиляторами. Подача воздуха осуществляется по замкнутой циркуляционной схеме.
Каждые 3 ч в туннель поступает загруженная растильная камера, а предыдущая автоматически сдвигается на следующий участок. Таким образом, в туннеле камеры выращивания постоянно находятся 9 растильных камер.
На первых двух участках происходит прорастание спор и активный рост. Продолжительность лаг-фазы составляет 16-18 ч. Температура поддерживается 33-35 °С. В период активного роста интенсивность воздушного потока увеличивается. Это обеспечивает отвод тепла и газообразных продуктов метаболизма. Температуры среды поддерживается в пределах 35—36 °С. На третьем участке идет накопление ферментов. Система аэрации рассчитана на поддержание оптимальной температуры на уровне 32—34 °С.
Температура воздуха на каждом участке регулируется автоматически по заданной программе.
По окончании цикла выращивания гидротолкатель выводит растильную камеру из туннеля и она подается к столу разгрузки 9. На столе разгрузки, с помощью специальных устройств, камера разгружается и выращенная культура попадает на первую ступень дробления.
После разгрузки растильная камера движется по рельсовому пути на узел мойки, а затем в стерилизатор камер, После стерилизации растильная камера охлаждается, просушивается стерильным воздухом и автоматически подается на стол загрузки. Технологический цикл повторяется.
Механизированная технологическая линия имеет определенные преимущества, но не лишена и недостатков.
К преимуществам линии можно отнести:
- повышение технического уровня и культуры производства;
- снижение споро- и пылевыделения;
- снижается контакт обслуживающего персонала с выращиваемой культурой.
К недостаткам линии можно отнести:
- требуются большие площади для установления транспортных систем и растильных камер;
- металлоемка;
- энергоемка;
- малопроизводительна.
Установки для статико-динамического выращивания культур позволяют интенсифицировать процесс, герметизировать все технологические операции, снизить производственные затраты.
Метод статико-динамического поверхностного выращивания культур грибов заключается в том, что среда некоторое заданное время находится в неподвижном (статическом) состоянии, а затем периодически подвергается принудительному движению, разрыхлению и перемешиванию (динамические условия). При этом способе необходимость применения кювет полностью отпадает.
Стерильная питательная среда засевается посевной культурой и загружается на первую полку ленты камеры выращивания. В камере одна под другой расположены несколько полок. Длительность выдерживания засеянной среды на полке устанавливается в зависимости от числа полок в камере. При этом общая длительность пребывания растущей культуры на всех полках должна быть равна длительности процесса выращивания культуры (от 24 до 48 ч). Верхние полки используются для первой фазы выращивания, средние - для второй и нижние - для третьей. В камеру подается стерильный кондиционированный воздух, в зоне выращивания температура воздуха должна быть 32-35 °С, а относительная влажность – 96-98 %. Через равные промежутки времени среда механически пересыпается с полки на полку. Это позволяет засеянной питательной среде проходит все стадии роста.
При перемещении среды с полки на полку она разрыхляется. Разрыхление среды способствует улучшению процессов массообмена, отвода продуктов метаболизма, повышает активность культуры.
Такой способ позволяет:
- максимально использовать полезный объем камеры;
- интенсифицировать процесс и облегчить условия труда;
- улучшить условия теплообмена и сократить расход воздуха для отвода физиологического тепла, выделяемого культурой.
Применяют метод статико-динамического выращивания культур микроорганизмов в установках полочного, ленточного и других типов.
Конвейерная растильная установка типа 4Г-КСК может быть использована для периодического или непрерывного поверхностного выращивания грибных культур.
Установка типа КСК показана на рис. 4.2. Она представляет собой металлический шкаф. Внутри его расположено 4-5 ветвей лент сетчатого транспортера. Каждая лента имеет индивидуальный привод, либо общий с вариатором скоростей.
Над транспортерными лентами устанавливают уравнительные планки. Они позволяют регулировать высоту слоя питательной среды от 30 до 100 мм. Для разрыхления среды над верхними лентами установлены валы с лопастями в виде игл. Разрыхление производят при перегрузке среды с верхней ленты на нижележащую ветвь ленты. В пространстве между ветвями транспортерных лент установлены паровые калориферы. Температура воды, подаваемой в калориферы различна. Под первой (верхней) и второй ветвями лент, она должна быть 35-40 °С, под третьей и четвертой – 26-30 °С. Калориферы пятой ветви лент могут обогреваться отработавшей горячей водой из верхних ярусов. Благодаря этому в камере создаются три температурные зоны: первая зона с температурой среды 32-35 °С, вторая зона - с температурой 30 °С, третья зона с температурой до 28 °С.
Калориферы имеют и штуцера для подвода пара. Пар используют при мойке, сушке и стерилизации установки.
Установка должна быть полностью герметизирована и смонтирована в обособленном герметичном и стерильном помещении. Над установкой монтируют вытяжной зонт с вытяжной трубой высотой 5-10 м для подачи и удаления воздуха. На подающей и вытяжной линии воздуха устанавливают фильтры для бактериальной очистки воздуха.
Стерильная питательная среда из стерилизатора самотеком подается на верхнюю ленту камеры. После заполнения ленты подача среды прекращается, и она выдерживается при оптимальных температурах для роста гриба в течение 9 ч. После этого среда перегружается на нижележащую ветвь транспортера с одновременным разрыхлением и снова выдерживается.
Освободившаяся ветвь верхнего транспортера вновь заполняется стерильной средой.
Таким образом, через каждые 9 ч. происходит перемещение питательной среды с одной ветви транспортера на другую и через 36 ч. выращенная культура выгружается.
Количество воздуха, подаваемого в камеру, составляет до 1000 м3 на 1 т культуры гриба.
По окончании цикла выращивания установку моют горячей водой и стерилизуют горячим воздухом при температуре 120-130 0С в течение 2-3 ч.
Вибрационные растильные установки позволяют выращивать культуру грибов в динамических условиях. Такой метод выращивания считают более прогрессивным. Сущность способа заключается в том, что стерильная засеянная питательная среда в процессе выращивания подвергается вибрационным колебаниям с одновременным перемещением в непрерывном потоке. Под действием высокочастотных колебаний 10-17,5 Гц питательная среда становится более подвижной, уменьшается коэффициент внутреннего трения, и снижается сопротивление перемещению. Колебательные импульсы, передаются слою транспортируемой среды, и она переходит во взвешенное состояние. Режим вибрационного транспортирования способствует непрерывному обновлению поверхностного слоя: часть пути среда совершает в контакте с поверхностью транспортируемого органа, затем переходит во взвешенное состояние и снова падает. Это способствует интенсивному перемешиванию среды, хорошему доступу воздуха до каждой частицы, что в тысячи раз увеличивает активную поверхность среды по сравнению со статическим кюветным способом выращивания.
Физиологическое тепло, выделяемое культурой в процессе роста, отводится водой. Это позволяет сократить расход кондиционированного воздуха с 20 000 до 500 м3 на 1 т культуры.
Применение вибрации позволяет:
- интенсифицировать процессы массо- и теплообмена;
- ускорить процесс микробиологического синтеза;
- механизировать технологические операции;
- повысить активность культуры;
- повысить эффективность технологии.
Вибрационные установки могут быть как горизонтального, так и вертикального типа. На рис.4.3 показана установка растильная винтового типа.
Вибрационная установка винтового типа состоит из вибростерилизатора и четырех герметизированных вертикальных вибрационных конвейеров лоткового типа 7. Растильной частью установки являются первые три конвейера. Каждый конвейер соответствует условиям роста первого, второго и третьего периода. Четвертый конвейер предназначен для сушки культуры. Каждый конвейер имеет индивидуальный привод и вибратор.
Стерильная засеянная питательная среда из вибростерилизатора 3 поступает в приемный лоток 6 первого виброконвейера. Под влиянием виброимпульсов, сообщаемых желобу, перемещается снизу вверх, Из верхнего лотка первого виброконвейера среда по трубе поступает в нижний приемный лоток второго виброконвейера, затем по такой же схеме перемещается в третий и четвертый виброконвейеры.
Устройство второго виброконвейера отличается от первого тем, что лотки его снабжены водяной рубашкой для отвода тепла, выделяемого культурой в период роста. Кроме того, во второй виброконвейер подается стерильный кондиционированный воздух..
Скорость движения среды по лоткам виброконвейеров составляет 2-3 мм/с. Диаметр и число витков виброконвейеров рассчитаны так, чтобы среда находилась в непрерывном движении в период процесса роста.
Четвертый виброконвейер выполняет роль сушилки. В рубашку его лотков подают воду с температурой 70 °С, а в корпус - воздух с температурой 70-80 °С. Выращенная и высушенная культура гриба выгружается, воздух перед удалением подвергается бактериальной очистке.
Установка для непрерывного выращивания грибных культур колонного типа обеспечивает перемешивание и разрыхление всей толщи среды в процессе выращивания, предотвращает высыхания верхних слоев, а также интенсифицирует процесс выращивания. Общий вид установки показан на рис. 4.4. В состав установки входят: бункер для среды /, сборник для приготовления посевного материала 6, стерилизатор 2, устройство для охлаждения и увлажнения среды 3, устройство для посева культуры 4 и аппарат для выращивания 5. Основным узлом в установке является аппарат для выращивания культур. Выполнен он в виде секционной колонны, имеет сферическую крышку / и коническим днищем 6. В центральной части колонны установлены шнек 3 и вал. Витки вала выполнены полыми, кроме того, являются прерывистыми и в промежутках между ними установлены контрпальцы 4 для измельчения выращенной культуры.
Верхняя секция снабжена контрплитой 2 для направления движения среды к шнеку 3. Средние секции выполнены двустенными, причем внутренние стенки перфорированы. Наружные стены имеют люки 5 и штуцера 7 для подвода воздуха. Секции соединяются между собой при помощи фланцев. Привод шнека осуществляется через редуктор 8, установленный над крышкой колонны. Общий вид колонны показан на рис. 4.5.
Во время работы установки в верхнюю секцию аппарата поступает стерильная среда, засеянная культурой грибов. Контрплита предотвращает вращение среды и направляет ее к шнеку. В верхней зоне колонны среда находится 12 ч.
Из первой зоны среда поступает во вторую, где происходит активный рост культуры с выделением тепла. Отвод тепла от культуры осуществляется через поверхность шнека, в полую часть которого и витки подают хладагент.
В процессе выращивания среда перемешивается контрпальцами аэрируется кондиционированным воздухом. Воздух поступает через перфорированные внутренние стенки. Продолжительность выращивания во второй зоне длится 14 ч.
Выращенная культура поступает в нижнюю секцию колонны, где происходит накопление белка и ферментов. Длительность этого цикла составляет 8-12 ч. После этого выращенная культура измельчается и через коническое днище направляется на дальнейшую переработку.
Скорость движения культуральной массы внутри колонны зависит от времени выращивания культуры.
4.2 Культивирование микроорганизмов на жидких питательных средах – сложный и тонкий процесс получения продуктов микробного синтеза. Биосинтез биологически активных веществ зависит от ряда факторов:
- температуры ферментации;
- рН среды и растущей культуры;
- концентрации растворенного кислорода,;
- длительности культивирования;
- конструкции и материала оборудования, в котором происходит процесс, и др.
Ферментеры для глубинного выращивания микроорганизмов по способу культивирования подразделяются на аппараты непрерывного и периодического действия;
По конструктивным признакам их можно разделить на следующие группы:
- аппараты с диффузором и турбиной;
- с вращающимися аэраторами;
- с механическими мешалками;
- с наружным циркуляционным контуром;
- колонные ферментеры, с эжекционной системой аэрации.
В. микробиологической промышленности процессы культивирования продуцентов биологически активных веществ проводятся периодическим способом в стерильных условиях.
Стерильность процесса обеспечивается:
- стерилизацией ферментера, трубопроводов, датчиков приборов КИПиА;
- подачей в ферментер стерильной питательной среды и чистой посевной культуры;
- подачей стерильного воздуха для аэрирования растущей культуры;
- использование стерильного химического пеногасителя;
- установкой в ферментере стерилизуемых датчиков для контроля и регулирования параметров процесса;
- поддержание стерильной воздушной или паровой защиты уплотнения вала перемешивающего устройства, технологических трубопроводов и арматуры в течение всего процесса выращивания.
Конструкция любого ферментера должна обеспечить нормальный процесс культивирования клеток. Для этого необходимо предусмотреть:
- подвод к каждой клетке в достаточном количестве всех питательных веществ;
- отвод от каждой клетки продуктов метаболизма;
- термостатирование микробной суспензии в каждой точке;
- поддержание оптимальных рабочих параметров в каждой точке;
- требуемый уровень аэрирования, перемешивания;
- высокий уровень автоматизации процесса культивирования, техники безопасности и условий труда операторов.
Достигается это за счет подсоединения к ферментеру следующих систем:
- подачи жидкостных (или сыпучих) потоков в аппарат;
- ввода и вывода газовых потоков;
- аэрирования ферментационной среды;
- перемешивания ферментационной среды;
- пеногашения ферментационной среды;
- термостатирования ферментационного объема;
- стерилизации ферментера и ферментационной среды;
- вывода жидкостных (или сыпучих) потоков из аппарата;
- контроля и регулирования заданных параметров процесса.
Схема технологической обвязки ферментера показана на рис. 4.6.
Ферментер с механическим перемешиванием барботажного типа представляет вертикальныйаппарат цилиндрической формы. Крышка и днище аппарата – эллиптические. Отношение высоты к диаметру – 2,6:1.
Общий вид ферментера показан на рис.4.7.
На крышке аппарата расположены:
- привод перемешивающего устройства;
- привод механического пеногасителя;
- штуцера для загрузки питательной среды, посевного материала, пеногасителя, подачи и вывода воздуха;
- смотровые окна;
- люки для погружения моющей механической головки;
- предохранительный клапан;
- штуцера для приборов визуального контроля.
В днище аппарата предусмотрен спускной штуцер 16. Снаружи ферментер имеет рубашку.Она состоит из 6-8 секций. Каждая секция состоит из 8 навитых опоясывающих каналов, выполненных из уголкового профиля размером 100 X 60 мм. Площадь поверхности охлаждения рубашки 60 м2.
Внутри аппарата проходит вал. На валу закреплены перемешивающие устройства: две закрытые турбины, одна открытая и винтовая мешалка. Диаметр турбин 600-1000 мм, ширина лопастей 150-200 мм,
Ввод воздуха осуществляется через барботер. Барботер выполнен в виде разборного ромба из перфорированных труб. В верхней части труб в шахматном порядке располагаются 2000-3000 отверстий.
Для охлаждения среды и отвода выделяемого тепла имеется змеевиковый теплообменник с поверхностью охлаждения 45 м2. Змеевик состоит из 23 витковдиаметром 600 мм., высота змеевика 2,4 м.
Общая высота аппарата более 8 м.
Для обеспечения стерильности процесса предусмотрены торцовые уплотнения вала перемешивающего устройства с паровой защитой.
Ферментер рассчитан для работы под избыточным давлением 0,25 МПа; стерилизации паром при температуре 130-140 0С, а также для работы под разрежением. При выращивании микроорганизмов давление внутри ферментера находится в пределах 50 кПа. Расход стерильного воздуха составляет до 1,0 м3/(м3мин). Высота столба жидкости в аппарате около 5-6 м.
Для эффективной работы ферментера очень важным условием является соблюдение предусмотренных режимов. Для их поддержания важную роль играет обвязка ферментера. Принципы такой обвязки показаны на рис. 4.8.
Ферментеры с пневматическим перемешиванием и аэрированием среды по конструкции незначительно отличаются от ферментеров с механическим перемешиванием среды. Вместо перемешивающих механических устройств внутри смонтированы форсунки, диффузоры, барботеры для подачи воздуха. Воздух и используется для перемешивания растущей культуры. Кроме этого он поставляет кислород для растущей культуры, участвует в отводе образующихся метаболитов.
Общий вид ферментера показан на рис. 4.9.
Воздух под давлением с помощью направляющих лопаток аэратора вводится по касательной к окружной розетке. Это придает вихревое движение воздушно-жидкостной эмульсии. Эмульсия непрерывно циркулирует по внутреннему замкнутому контуру через верхние кромки цилиндра, кольцевое пространство между внутренней стенкой аппарата и внешней стенкой аэрирующего устройства и через раструб поднимается вверх. За счет создания циркуляционного контура происходят интенсивное перемешивание и аэрирование растущей культуры.
Для более эффективного отвода физиологического тепла предусмотрена дополнительная поверхность охлаждения диффузора. Аппарат работает под избыточным давлением.
Недостатком таких ферментеров является:
- более низкая величина рабочего объема по сравнению в сравнении с ферментером с механическим перемешиванием;
- затруднено использование при работе с сильно пенящимися средами.
Используют ферментеры при работе с питательными средами небольшой вязкости, и когда культура микроорганизмов не нуждается в интенсивном перемешивании.
Контрольные вопросы
1. Виды и характеристика оборудования для культивирования микроорганизмов на твердых питательных средах.
2. Камерные растильные установки.
3. Механизированные линии для выращивания культур грибов.
4. Конвейерные растильные установки.
5. Ферментеры для глубинного выращивания культур грибов.
6. Ферментер с механическим перемешиванием барботажного типа.
7. Ферментер с пневматическим перемешиванием и аэрированием среды.