автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.10, диссертация на тему:УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ ДРОЖЖЕЙ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ НА Н-ПАРАФИНАХ, ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА



. МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

Московский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт пищевой промышленности

Для служебного пользования Экз.¿6 1 0 00 У О

На правах рукописи

Вольфович Давид Исаакович

увеличение продуктивности

дрожжей, выращиваемых

на н-парафинах, путем повышения парциального давления кислорода

Специальность 05.18.10 — технология витаминных, ферментных и белковых препаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1981

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте биосинтеза белковых веществ и на опытной установке БВК Щекннс.кого ПО сАзот».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В. Л. Я ровен ко

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор И. Л. Работнова, ' кандидат технических наук

В, В. Бирюков

Ведущее предприятие: ГЛИИ «Южгипробиосинтез».

Защита диссертации состоится ¿S&SíW. .1981г.

8 - . часов на заседании специализированного Совета К0635104 при Московском технологическом институте пищевой промышленности. (125080, Москва А-80, Волоколамское шоссе, д. 11).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТИПП.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью просим направить по адресу: 125080, Москва А-80, Волоколамское шоссе, д. 11.

Автореферат разослан * . . 1981 года.

;1 'Л-'* г"'

Ученый секретарь специализированного

Совета, кандидат технических:науй'-, Е.В.Агапова

ОНПАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ flgfvajffiHocTb пооблемц. В иОсясвнах направлениях экономического и сощильного развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрен значительный рост производства кормового белка из непищевого сырья..В соответствии с задачами, доставленными партией и правительством, развитие микробиологической промышленности идет по пути увеличения мощности строшнхся предприятий по производству ЕВК, создания высокопроизводительных технологических линий, обеспечиващих высокую эффективность и рентабельность их эксплуа-■ ташш.

Саши ответственным и специфичным процесс оы в технологической линии промышленного производства ШС является стадия ферменташга. Летальное изучение процесса выращивания биомассы, выявление путей его интенсификации и обоснование его инженерно-технического оформления с учетом технико-экономических факторов является актуальным этапом при разработке новых видов ферментационного оборудования в аопаратурно-техналогических схем крупнотоннажного производства ШС.

Цель работу. Обоснование пути интенсификации непрерывного процесса выращивания биомассы дрсажей на н-пара$анах методом повышения парциального давленая кислорода в поступавдеы на аэрацию rase. Выявление индивидуального влияния концентраций углеводородов ирас-тЕорешшх газов (кислорода и углекислого газа) на скорость процесса биосинтеза. Разработка прогрессивной технологической схемы стадии феЕкентадаи производства кормового белка. ' ;* новизну. Исследован непрерывный прсцесс выращивания

дрожжей па очищенных хидких н-парефинах нефти в условиях применения к от/примированяого воздуха, технологического кислорода я их смеси. .' ' ;' '

Обоснован путь днунсжщудуррвдор^а вЩйагиважия биомассы

методом повышения najxi да в поступащеы

моек, свльскохоз. академии

им. К. Д. Тимирязэза

Ичв. Г-'«?/! С

яа аэрашго газе. ..:■■...

Экспе риментально выявлено иягибирущее влияние повышенной концентрации растворе иного-углекислого таза на прсцесо биосинтеза,определена ее пороговая концентрация С^ = 0,65-0,80 кг/мэ. ;

Разработана математическая модель непрерывного' процесса выращивания дрсижей на н-пз рафинах, учитываицая индивидуальное влияние на продуктивность ферлентера концентраций * углеводородов в культураль-ноа массе в растворенных газов (кислорода и углекислого га за) . в культуральной жидкости.' Определена границы лимитирования и ингибд-рования.

Предложены г подтверждены расчетные уравнения для:определения оптимальной начальной концентрации н-парафонов в поступащем потоке при условии лимитирования прсцесса биосинтеза транспортом кислорода и ингибирования его повышенной концентрацией растворенного углекислого газа. • ' ~ - -■ ■

Разработаны схема отделения ферментации технологической линии производства Оясмаассы изн-парафинов и-другого угле роде одержащего сырья с использованием компримированного воздуха, технологического кислорода и их скеси. ■

Практическая ценность. Результаты исследования послужили основой для разработки технико-экономического обоснования оштно-про-мшаленного производства ШС на я-па рафиках мощность ЗОООЮ тонн ШК в год с использованием технологического кислорода,, а также новых типов ферме нтацлонного оборудования для выращивания биомассы в асептических условиях.-Они использованы при разработке технологических схем отделения выращивания биомассы яа синтетических спиртах (этаноле й метаноле), а также при составлении.соответствующих разделов технологических регламентов на проектирование опытно-про-

мшплеяных производств мощность 10000 и 100000 тонн готовой продук-

....... ■ „ ,

ш в год. ■ ■ . • - .. '

Методика определения оптимальных параметров непрерывного про-, цеоса ферментации и разработанные пути его интенсификации применимы для широкого круга процессов микробиологического синтеза, где конечной целью является получение бисызссы.

. Дпту|Лпгп!г<1 работы. Основные результаты работы докладывались на 17 s У-ом съездах Всесоюзного микробиологического общества; 1-ой Всесоюзной конференции по биотехнике; Ш-ем Всесоюзном совещании по управляемому биосинтезу и биофизике популяций; Всесоюзной семинаре •Лимитирование и иягибированив процессов роста и микробиологического синтеза"; секции «Управление процессами микробиологической технологии" Всесоюзного микробиологического общества; П-оы Всесоюзном совещании »Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмсе". - ,

- Птбсшк^шти. До теме диссертационной работы опубликовано 5,ста-тей, 7 тезисов докладов, два авторских свидетельства СССР, окно ЧССР и патент ФРГ. Сделано 8 докладов на Всесоюзных конференциях и семинарах.

Объем работу. Диссертационная работа изложена на 193 с. машинописного текста, состоит из;введения, четырех глав, выводов и 8 ' приложений. ■ Работа содержит 34 рисунка и 3 таблицы. Список лиге-, ратуры включает 248 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов.', ',-■'.-

-ССДЕШШЕ ДИССЕРТАЦИИ ' .' ' , ,

I. Состояние вопроса ■..'•..

На основании литературные данных известно, что для переработки полностью восстановленного субстрата, каким являются н-алкавы, требуется повышенная концентрация углеводородов (Николаев П.И.) и растворенного кислорода (Лоэинов A.B., Матяшова Р.Н.) в кульгу-ральной жидкости, а также более высокий расход кислорода на получение биомассы но сравнению с процессом переработки углеводов и

спиртов. С увеличением продуктивности процесса ферментации возрастает соответственяоудельная скорость образования углекислого газа как, продукта метаболизма и его' концентрация в культуральной зшдкос-ю. Имеется публикации вав^о стимулирутем (Гслолобав А".Д., Веселое ИЛ.), так и ингибируппец воздействии. концентрация растворенного углекислого газа на процесс биосинтеза. -V '

• Однако большинство моделей, ошЕснвапишс кинетику предесса ферментации, учитнваат только влияние концентрации углеродеодеркстего субстрата (в частности углеводородов) ж не освещает закономерность влияния

концентраций растворенных газет (кислородаи: углекислого-газа) на скорость процесса биосинтеза. Втоже время модели,', опи-сывапаие взаимосвязь кинетики процесса ферментации, о вытеназваннн-ки параметрами без учета их. альтернативного воздействия,адекватны я ограниченной.области изменения значений этшгконцентраций, зависят ст коккретныг условий процесса выращивания в не подтверждаются экспериментальными данными других авторов*

В шетояоее время нетединого мнения об ос нов ном. лзмигирупцем факторе процесса выращивания биомасса на'н-парафинах в о путного . шгтеневфпкашпг. В зависимости от того, какой из'фаятореэ является, доминирующем при лимитировании (т^нспорт углеводородов или кислорода) и должна-вырабатываться стратегия ингеясификягши процесса -; . фе^шентащш. ■*.'.*'■-"'"'■'

Необходимо отметить,: что большинство экспериментальных и теоретических исследований непрерывного процесса выращивания биомассы на н-парафиназспроводилосьв 'условиях ферментационного оборудования, обеспечиващего продуктивность до 3,0-4,0 кг АСБ/мэ.ч. Эта удельная производительность (3,0-3,5 кг АСЕ/ы3*ч) достигнута на' деЗствупцих заводах БВХ." ' •

Одним из перспективных путей'увеличения продуктивности.ферментационного оборудования и его единичной; мощности является повше- -

яие дарвдадьяого давления кислорода в поступапцем на аэрацию газе за счет использования коыпримираванного воздуха, технологического кислорода иля их смеси. В данной работе исследован процесс выращивания бишассына н-парафинах в этих условиях.

Нихе суммированы основные положения и допущения, принятое при -исследовании:

- процесс выращивания биомассы непреривен, реши кваэистацио-нарея; '.-Л

- s качестве лимитирущих субстратов исследованы я-алканн и кислород, в качестве ингибирущего метаболита - углекислый газ;

- все переменные, не входящие в матеватическую модель, стабилизированы на определенном оптимальней! уровне;

- концентрация метаболитов (кроме углекислого газа) бала принята пропорциональной концентрации биомассы - X;

- расчет скорости непрерывного процесса биосинтеза производился в зависимости от концентрации растворенных газов ( кислорода и углекислого газа ) в ядре потока н концентрация углеводородов в куль-туральной массе;

- концентрация углеводородов в кудьтуральноЯ массе соответствовала средней по суммарному объему всех фаз, исключая газовую;

- н-дарафинн ряда Cj2 - рассматривались как индивидуальные алканн, имеющие весовое соотношение углерода и водорода - С : Н = » О,® : 0,15 (C%tn)j

- скорость образования конечного продукта (биомасса дрожжей) • ' определялась наиболее медленным по скорости образования промежуточных полупродуктов звеном цепи ферментативных реакций;

- в ферментере осуществлялся режим идеального перемешивания по жидкой.фазе;

- обмен веществ меяду микроорганизмами и средой обитания осуществлялся только в жидкой Фазе. ■

2. Основные теоретические предпосылки

Биологическое окисление н-алнановс образованием бнсыассы осуществляется в результате ряда последовательных метаболитическиг превращений: ■ '

5< + $г+£1*:С£гЗгЗг]=Р,+а1 '(а)

З^гн+у-н^о+е; (ау

(0(1)

. ^»Еп ^&нЯгч] ^ Р* -ьЕп+СОг (С)

~Рн Гф

где: Р1} Рп... - прсмеяуточные полупродукты биосинтеза

Ры . - конечный'продукт биосинтеза (биомасса) Бз •** Еп...Еы- концентрация ферлентов, ответственных за соответст-

вущую ферментативную реакцию.

Уже первая.стадия окисления углеродеодераадего субстрата" (н-алканав) требует участия кислорода, при этом необходимо сойл»- " дение определенного соотношения их концентраций ( 31 - углеводородов и ,5*2 "* кислорода) в культуральной жидкости.

На основании принципов минимума Либиха- и Н.Д.Иерусалшсного можно записать:' ■ л ■ ■

ЫРы/сИ *т1а - ; (2)

где: интенсивность биологического процесса» - поток

С -того компонента в момент времени о(.1 - коэффициент.

На границе смени лимитируэдих факторов по транспорту углево- ; доредов и.кислорода соблюдалось равенство:.

тш ©=Т(|] с«

С увеличением скорости процесса биосинтеза происходило повышение концентрации растворенного углекислого газа в культуральной

~ жидкости. При этом она достигала величины пороговой концентрации, при которой наступало ингибироваяие процесса ферментации.

Для обеспечения определенных скоростей транспорта кислорода по пути'газ- культуральная жидкость - клетка и углекислого газа по пути клетка -культуральная жидкость - отработавкий газ была создана соответствущая гидродинамическая обстановка в ферментере, характеризующаяся коэффшщенташ массопередачи по абсорбции кислорода - и десорбции углекислого газа - К» а также градиентами концентраций этих процессов, соответственно - (С*^ - С^)

и (°ссй - <&в>.

'На основании анализа структур« взаимодействия основных технологических параметров процесса выралщвания драааей па н-пара$ияах нами была принята система уравнений, определятся зависимость удельной произв одательности ферментацаояного оборудования - О уд, от этих параметров:

Х.Со^'> Ссог', Ссог, кьК'. ^¿я V Т)) (4)

Влияние концентрации углеводородов в ктльттральной кассе на, кинетикт непрерывного процесса Отрицательное влшшие

образуются продуктов метаболизма (креме СО^) в пашей работе рассмотрено как конкурентное иягибирование.. Кинетическое уравнение* описываотее это явление, имеет вид:

М - Л/тал--^—:_ *

Подставляя в уравнение 5 концентрацию биомассы - X, приншае-муш пропорциональной концентрации ингибитора - при условии

Кн ^(КзхХ+В) им пришли к уравнении Контоис, которое для непрерывного процесса ферментации имеет вид:

^к 1/",ах ' (6)

Адекватность этого уравнения подтверждено эясперяленталыгкки-'

- - 8 - .. V; . V

данными рада дссдедоватедеа-<Л1члха Л^ £с/па

Из уравнения 6 получены функциональные зависимости удельной производительности ферментера от концентрации углеводородов . в куль-туральвой массе, концентрации биомассы и коэффициента разбавления:

: . ¿уд-Г/^-?. . ■ ; ; -V (8)"

при Ъ-согььг-ОуА^АзЯ .. где Дь ^ .(9)

* ' • .•■.-> . , - * »• • •

Экспериментальные данные, отражащие лимитирование процесса ,;". биосинтеза-Концентрацией углеводородов, бшш обработаны с' использованием уравнений. 7-9, " " ■ -

. Влияние концеятрэтгст растворенного кислотюда в кулътуральной жидкости на удельнто производительность" Фешентера. Система иас-сопередачи кислорода по путигаз - жидкость - клетка" рассматрява- -лась как двухэтапнан -'транспорт кислорода из газа-.в" культураль-ную жидкость и в кулътуральной гидкостн'к клетке. - Коэффициент шс-сопередачи кислорода от ядра , потока1 жидкости непосредственно к ■ клетке - Кь_к зависит от химического состава и физических свойств культуральной жидкости, наличия конгломератов, от концентрации пе-реыешиващего.и аэрируемого устройств, от интенсивности ввода-энер-.геи на перемешивание и т.д. Скорость \транспорта кислорода, на второй его-этапе до определенного значения концентрации растворенного кислорода ю кулътуральной жидкости С0^ < 'с^3* -являлась^ основным

лимитирупцим фактором. При достижении величины . С^ = С^^ происходило переключение Тузкого места"' в общей цепи массопередата кислорода на его первый этап. В этих условиях скорость процесса биосинтеза,, пропорциональная - скорости транспорта кислорода, дими- .

тировалась лишь массообменнши возможностями аппарата по абсорбции кислорода. Причем, величина максимально лимитирующей концентрация растворенного кислорода в культуральной жидкости - зависит от комплекса субстрат - культура микроорганизмов, а также от конструкции фераентера и-характеризует интенсивность массопередачк кислорода по пути культивирования, валкость - клетка.

Buta выбрана математическая форма функциональной зависимости G уд - Jo() » отвечащая физической сущности описываемого явления: '■. 1 а п

и>4. - t-Од, ^

■или* -, .■•"■ Gy*- " при Cgg < Cjjg " (IDa)

Gva(cf-cc)w- au

. Наосновании этих уравнений были обработаны экспериментальные данные* отрааащие условия : лимита, по трансаорту кислорода. . - Влияние рорр^ртрапии растроо?ннрго углершслогр газа ? культуральной k^oqtti ра np'opeçp биосинтеза. С увеличением интенсивности процесса биосинтеза, особенно в условиях переработки н-парафи-нов (поЕерхяостяо-акгиЕшд веществ), резко снилавдих;коэффициент массопередачи по десорбипи углекислого газа -■ диспропорция

меяду текущей и равновесной- концентрациями растворенного углекислого газа возрастала. Отмечалось иягибирОЕание продессз переработки углеводородов при достижении определенного значения Сс0£ *= С^^ к происходило переключение лимита по одному из субстратов на енг-.i-. бироваяие по концентрации растгоренкого СО^. В этих условиях скорость десорбции- углекислого газа из культуральной жидкости опреде-- лшга интенсивность биологического процесса - продуктивность ферментера:

V =Усо Мсо^~ К^а (Ссс^~ CcoJ (12)

Изложенные выше теоретические предпосылки явились основой математической модели непрерывного стационарного процессе выращивания биомассы дрожжей на* н-парафинах: ' , л— условия стационарности:

dx/dt~0> dS/d-t-o', dCoJd-i-O, dCxJdi^O (13)

- функциональная связь ыенду продуктивность» ферментера и основными технояогичесниыи параметрами процесса выращивания биомассы:

/ SX . Сог

""'K^X^S .. _ г* ab<csr -

CosGT*

&УА= npuco^czr wc

YcoKLa (Ceo-, -CeoJ n^u СаьгОХ*

- стехисметрические зависимости:

- функциональная связь удельной производительности с нассооб-менными характеристиками ферментера:

G,* -CoJ . ■ ; СХ6>

О^УсоМсог *УсоК$(Ссъ-Се%) (17)

балансовое уравнением eY$ T>(S0~S) . • CIS)

Доя выявления адекватности вышеперечисленных зависимостей и определения числовых значений коэффициентов этих уравнений была проведена обработка экспериментальных данных непрерывного процесса выращивания дрожжей на я-парафинах а широк мл диапазоне изменения основных технологичеемп параметров.

3. Экспериментальное исследование непрерывного процесса .. выращивания дрожжей на очищенных жидких н-парафинах

Методика щн^дения эксперимента. Сырье - очищенные жидкие

н-парафинн ряда Cj2 "924* Куяиура микроорганизмов CancUdo. ^uxi&txnvmdij&txnss. питательных солей и микроэлементов, температура и pH культуральной жидкости - оптимальные для данного процесса.

Во время исследования непрерывного процесса выращивания биомас--сы варьировались следувдие параметры: концентрация н-парафинов в воступащем потоке - Д, = 9,0-47,5 кг/м3; коэффициент разбавления - Х>» 0,06-0,29 ч-1; количество подаваемого кислородеодертащего газа - __ ш 25-180 ныэ/м3«ч; концентрация кислорода при этом в noaW» га» - ^«ri« давлен в те pe - ís 0,10-0,40 Ша;' вводимая удельная мощность на перемешивание - Л/уд. « 2,0-12 йт/м3. .

"Проводились измерения основных технологических параметров: концентрация биомассы - X; концентрация углеводородов в культуральной жидкости и биомассе - S; концентрация растворенных газов ( Og и COg ) в культуральной жидкости - С^ к Ссо2; кокцентрашя кислорода и углекислого rasa в отработанном газе - и Расчет . экономических коэффициентов по н-пара$инам - по кислороду -и углекислому газу - Ъ«; вели на основе материального баланса по С, Og* Eg и Л/g. Коэффициенты массопередачи по абсорбции кислорода - К^В и десорбции углекислого газа - К^а2 рассчитывали на ос, нове материального баланса по и COg, при этом коэффициент Генри

был принят соответственно - ы^ = 3,5 Ша*м3/кг и м^2 - 0,1 Ша. м3/кг.

Лимит по концентрации углеводородов в культуральной жидкости, транспорту кислорода или ингибирешание повышенной концентрацией растворенного CQ¡> определяли но изменешт концентрации биомассу орт изменении подачи н-парафиновили парциального давления кислорода в поступащем на аэрацию газе.

Доя экспериментального исследования процесса ферментации были использованы - опытный ферментер о винтовым перемешиващим устрой-

ством объемом.1,2 м- конструкции, ЛенНИИхиммаш ФШ-1,0-0,6; автоыа-: тизирсшаяяая лабораторная установка с фериентерсы;РЕС-0,025 объемом 0,025 м3, а.также,ферментер РВЗ-1,4 объемом 1,4м3 конструкции фирмы РЕС (Швейцария). ,

Все вышеперечисленные ферментационные установки смонтированы: на ОУ ШК ¡Пекинского п.о,"Азот" и снабжены контрольно-измерительными, приборами, автоматикой и.дозирущими устройствами^ позволяющими вести непрерывный прщесо ферментации в хемостатнш режиме при стабилизации.основных технологических параметров. ;

Э^периг^та-ьнре подтвердите рематической модели непрестарого процесса вирашиваняя дрогогей на н-пэра^на^;. Лимит, ро.д^мент-

- рання-углеводрролов. и результате.анализа экспериментальных данных были ЕИбраш реяет.зд, в которых -лимитирущиы фактором являлся транспорт углеводородов. Технологические показатели были:обработаны на. Ж! "Кэари-З" с использованием функциональных зависимостей 7-9.

Выявлена числовые значения констант;этих уравнений: -.= ■

- 0,55 0,21;: 1,67 ч"1 при . Т> »0,18-0,22 ч"1. При атом-среднеквадратичная ошябка при расчете по уравнению 7'со-стаг'ила ' СГ^.к.^ 0,11 при максимальных отклонениях ± 2СС?.

На рис. I дана графическая интерпретация зависимостей 7 и 9.'

Необходимо отметить, что с изменением качества используемых- . * 'н-г.арадашОЕа также в зависимости от свойств итамма мтгаоорголнз-

мое числовые зяячения констант могут-измениться. ■ ......

' ' ■К.пг.^т по коннентрапх! растворе»дог^ кислород^.-Увеличение ско~-г;остп транспорта кислорсдз "достигали за счет увеличения количества подаваемого воздуха,'увеличения удельно! мощности на'перемеишза-поЕызенгл деления в ферг-еятере, а'также за счет обогаще(ггя гоздц^ха каслоролш вплоть до использования чистого-кислорода;- -: ' " Обработку экспериментальных данных проводили с использованием 'утщлояальных згвигг^остса Ю-И (рис.. 2). Определены значения

О ' 2,0 4,0 ¿о 1 О 2,0 4,0 6,0* ■■'"у.:-. " Со^кг/мЗ-ГО'*

Рпо.1. Зависимость продук- ' Рис.2. Зависимость пропук-■тивности ферментера, ■ г. тивноети ферлентера „ йуд; от ;от концентрации углевсяоро- ' концентрации растворенного • дов - з». Экспериментальные ;, кислорода -.С^. данные. Экспериментальные данные,

С - Х^Окг/м3; а- Х^Окг/м3; . ' .

д - Х-ЗОкг/м3; 0- 2=40кг/ц3. Т"Г" °уд. =-тоАосо2 ;

: ; - - " "в'<г ^ = С А°С°г +

- - ■ Суд. ¿1#г0 с . •

. - = . . г: • - при сог = СЙ*"

. , ' • . . А. ферментерн РЕЯ;. ,■;

<г- Б. ферментер ФВМ,0-0,С .

кгастаят »тих уравнений: дня ФШ-1,0-0,6 - А0 = 1,7 Л (Я ч**^; BQ « 0,62; t^f ш 5,2.1er3 kt/M®¡ ДЛЯ JEC-0,025 И EBC-It4 - А0 » . 1,4*103 ч"1; В0 » 0,58; С^ » 3,0*10"3 кг/м3. Среднеквадратичная ошибка ара,расчете со уравнению 10 составила ш 0,12; а по

уравнению 10а - О'^.к. в 0,07-0,03 ори максимальных отклонениях соответственно (Эцах " ± 35-37$ и <¿VfíT " ± 12-IfiäS.

Приведенные экспериментальные данные еще раз подтвердили, что лнмитирупцвя концентрация растворенного кислорода - (Со2)лим^ есть величина переменная даже для одного и тогоже комплекса субстрат -культура микроорганизмов, причем числовое значение ее максимальной

мят

величина - С^ зависит от угле роде одершцего сырья, конструкции аеремепшващего в аэрирущего устройств ферментера н должна определяться в каждая конкретной случае экспериментально.'

Ингибирсваяие повышенной яошвнтгадией растворенного углекие-дфго газ д. Ведение непреравного процесса выращивания биомассы на в-парафинах в условиях повышенной скорости транспорта кислорода позволило увеличить продуктивность ферментера в 5 раз ( рис. 3 ). Однако при этой возник фактор, ограничивающий скорость биосинтеза. Этим факторен явилась ограниченная скорость десорбции COg» обусловившая повышение концентрации растворенного углекислого газа в

мах

культуральной жидкости до пороговой величины - Cc¿¡ = Сс02 ° 0,65-0*08 кг/м3* В этих условиях наступало дерекмяение лииитирущего фактора ( ¿ они С^ ) на икгибиравание до Ссо2.. (рис.3).

Явление ингибирования процесса выращивания биомассы на н-паратинах пороговой концентрацией растворенного CCOg наблюдалось при увеличении давления в ферментере по 0,25-0,40 Ша, а также при резкой уменьшении расхода воздуха. Ведение процесса ферментации ní® С приводило к полной интоксикации популяции микро-. организмов и сопровождалось заражением постороенней микрофлорой.

15

О

Перекдстервд ДД-

ШИЩ. На,основании экспериментальных • данных, полученных в условиях непрерывного процесса Ю

ферментации, было

* - . ■ ■ прослежено перекхв- ^

чение лимитирования по углероде оде ряа-щему субстрату на по транспор— " ту кислорода (рис.. 3, 4). В условиях лимита,по транспорту кислорода повышение начальной концентрации н—парафинов а, приводи- . ло лишь к увеличению остаточных углеводородов 5 <5ез роста продуктивности ферлентера. Только повышение

- -

кг/мН

Ссс^КГ/М* 1

Мсоъ

А А

"5 л а ПТЬ7Г

о,8 0>7 46 0,5 0,4 ОЛ

о,г 0,1 4.6

0,0 2 <104

аов Р^МПа

Экспериментальные данные, ферментер ФЕИМ,0-0,6, а- продуктивноеть ферментера, д- удельное кол-во дес оптированного СО.,, о- удельное кол-во абсорбированного О- концентрация растворенного СО^.

скорости транспорта кислорода (одни« из вышеописанных приемом) позволяло поднять продуктивность аппарата.

Продуктивность федоентера обуславливается его массообменяыыи возможностями по скорости сорбции кислорода и десорбции углекислого газа. На рис. 5 дана графическая интерпретация этих зависи-

10

Рис. 4. Переключение лимита с S на С0£. Экспериментальные данные, ферментер РЕС-0,025. I. (¿г=0,5гаЛч. Со2=1,бг/ы? <5г=0,9нм^/ч,

3. %г=1,7нм^/ч, С^^.Сг/ыР

4. Q,7нм /ч, О^^Ог/м3.

W Q20

Рис. S. Переключение с лимита по C^g на ингибирование по Ссо2. Экспериментальные данные, ферментер РЕС-1,4. .

I. G 2» G

7Д УД

W

'ог

дт.

)ии v

У. ОуД - результирующая.

мостей, получеякая на основе экспешкеитальнах данних. С увеличением давления в £ер:,:ектере соответственно угеличгтвалнсь его tac- . . сообкешзге характеристика на абсэрбшгл кислорода д понижалась по десорбции углекислого газа. Точка'пересечения этих крльых соответствует грзикце смени лимитирования процесса блосяягеза типкспзртом кислорода на пнгпбированпе по концентрация рассоренного СС^. Продуктивность п?к этк.: достигала своей каксзйзльяоЯ величины п дг-ль-неЛаая.трата энергии на погишекпе лзсленил биса нерентабельной.

• • ■ - 17 - ■.-"". /у. ■ ^

- ' Обоснование направления мгенсийикатт1 проаессабешентапш. На.основе экспериментальных данных было выявленочто энергия, не. обходимая для обеспечения транспорта кислорода. по пути газ - куль- ' туральная жидкость - клетка в услсеиях фераентера интенсивного мас-сообмева, вше "зергш, требуемой для эмульгированная транспорта-решки н-аяканав* я клетке* Тая в условиях федоентера ФШ-1,0-0,6 удалось повысить его удельную производительность с 2,0-2,5' до 10 кг АСБ/м3. ч (рис .3) только за счет увеличения движущей силы про; цесса абсорбция кислорода - - С^) вря постоянной удельной модности,' затрачиваемой на перемешивание. Увеличение давления в .-.- ферментере РЕС-0,025 до 0,4 Ша позволило поднять производительность с 2,0-2,5 до 0,0-9,0 кг АСЕ/мэ«ч. у " ' ■'

Таким образен; штенсификацпя'процесса ферментации методом по: вышёния парциального давления кислорода в поступающем на аэрации *- газе является действенным путем увеличения' продуктивности фермен- . . тацаонного оборудования. Это положение справедливо для большинства -: процессов.биосинтеза, конечной целью которых является получение ' биомассы. :. ' "- ■.' ' ; ' "_ • ■ ■ ■ ■'■'•■■

1 Технико-экономическая шенка интенсификации процесса '■ Еыращивания дрсажей'на н-оарафинах нефти ' ■ .

Опттдзапия основных параметров непрернврогу,,пропела.рцрэзд-рэния биомассы дрожж^. На основании проведенной работы был сделан вывод, что энергетически оптимальным решшом непрерывного процесса ферментации является режим максимального использования кассообмен-- ных характеристик ферлентера'по^абсорйиши кислорода.с учетом -его возможностей по десорбции углекислого газа.- ■ Г. >■■ '. .../ . " ^ - • . - На,основании.совместного -решения балансового и;массообменных ' -уравнений 16-18 и функциональной зависимости 6 была рассчитана оптимальная начальная концентрация н-па рафия ов в поступащем потоке - 5.:- • • •• — : ■ . ■

- при лимитировании процесса биосинтеза транспортом кислорода -

Л, -У. <ЬССЦ -СГ'Н-ёъ - Tfes) ™

; - при ингибхгравании процесса биосинтеза пороговой1 конце ятраотей расяэореиного'углекнслого газа -

цят "

оса згоы С/л' зависит от комплекса субстрат - культура мякроорга-

мах * Ч '

низмов я о* конструкция фервеятера; Сс02 * 0,65-0»80 кг/м3 для

дрожжевых куль тур, пе ре pa da гкаа щах н-парафвян. Максимально достигаемая при этом продуктивность ферментера расчитывается согласно ураввешй II и 12.

Пранципиальяые схемы процесса ферментации. Разработаны tí® варианта технологический схем процесса выращивания биомассы:

- использование компримироваяного воздуха без выделения и использования углекислого газа;

- использование технологического кислорода с рециркуляцией отработанного газа и выделение углекислого газа;

- использование смеси технологического кислорода и компрширо-вакяого воздуха при условии потребления не менее 80% от поданного отсдо£юка. Предусиатрагается выделение углекислого газа.

üce три разработанные схемы процесса ферментации включены в регламенты на проектирование нового сштно-дромышле иного производства по получения биомассы на синтетических спиртах (этаноле и метаноле) модностью 10000 в 100000 тона готовой продукции в год.

Сравнительная технико-экономическая опенка производства юзожжей на н-парайинах с использованием технологического кислорода и возят-¡а. Доя сравнения принята две схемы технологического процесса получения ШК на н-паратинах мацяостьо 300 тыс. тоня готовой продукции в год:

- о использованием технологического кислорода и <т*»рментсрол го-

. ризонтальногоиспольэования конструкции ЛенНИИхиыаат - ФШ-250;

- с использованием эксплуатируемых в настоящее время ферыен-теров АДР-76. . ■ ■..*■'..■

-В основу технологических показателей процесса выращивания биомассы на я-парафинах в ферментерах ФВЗ-250 заложены показатели ферментера ФШ-1,0-0,6, достигнутые в условиях' ОУ ШС ШО "Азот"..

Предлагаемая схема узла ферментации с применением технологического кислорода состоит из трех основных стадий:

- стадии получения технологического кислорода;

- выращивания биомассы и г "дображивания*; ■

- очистки отработанного газа от углекислого газа и его рециркуляции.

Рекомендуемое по данной схеме основное оборудование обеспечит ■ устойчивую работу отделения ферментации; в асептических условиях « исключит заражение окружающей среды.

В,таблице I даны сравнительные.технкко-экономаческае показатели. а также расчет общих и удельных затрат капиталовложений рассматриваемых схем процесса.ферментации. На основе анализа приведенных данных видно, что на заводе мощность» 300 тыс.тонн ШС в год может быть достигнута экономия в 13,27 млн.' руб. на обтих капиталовложениях отделения ферментации. При эксплуатации ферментеров ФН1-250 уменьшение удельных энергозатрат с 2,5 до ■ 2,0 кВт-ч/кг ШК даст дополнительную экономию; увеличение концентрации биомассы с 22 до 40 кг АСБ/мэ позволит понизить затраты на стадии сепарации.

- "" ' Таблица I. •'

Сравнительные технико-экономические показатели

процесса.ферментации ■■■ 1 - ".

■ • . ФШ-250 - АДР-76

I» Обшдй объем ферментера» ы3 * 250 800

2.\Рабочий объем ферментера; м3 160 " 400

3. Удельная производительность» . ' -кг АСЕ/н3*ч \ . - 1 10 - 3,75

4. Удельная производительность с учетом

процесса "дозревания", кгАСБ/м^»ч 7,5 ... 3,75

5* Начальная концентрации парафинов, , ...... .

кг/м3 г 44,0 21,8

■ —т

6. Коэффициент разбавления, ч 0,25 0Д9

7. Коэффициент разбавления с учетом

процесса ."дозревания", :ч 0,19 ■ 0,19

8. Концентрация биомассы, кг АСВ^м3 ' 40,0 . 19,8

9. Количество ферментеров, шт. - . 30 . "- 27 в тем числе дозревателей, шт. 7

10. Тделыше затраты электроэнергии,

иВт-ч/кг 1,97 2,5 , в том числе: на перемешивание. 0,83 . 2,5 на рециркуляцию кисло. •род-содеряапего газа' 0,12

на получение кислорода 1,02

11. Удельные кап.вложения, руб./т. ШК 134 178 '

■'"-, Выводы и основные результаты ...

X. Проанализирован непрерывный процесс выращивания дроияеО Сопг^Ша. д'<<$?*>1т(т<1< '' 6:3 очищенных жидких н-парафинзх, в ферментерах интенсивного перемешивания в широкой диапазоне изменения технологических параметров в условиях примеяеши кшпрпмированкого воздуха» воздуха,, обогащенного кислородом, и технологического кислорода. . . . : _ '■" .. г" .л ■ . .

2. Разработана математическая модель непрерывного стационарного працесса-выращиваная дрожжей на н-парафияах, учипшавдая,индивидуальное влияние на удельную производительаость ферментера

концентраций углеводороде» в культуралъное массе - 3 -И рас-твереяных газов (кислорода - и углекислого газа) в культуральной жидкости - С^ 0 ^сей* Определены границы лимитирования вштгибирова-,ния.,В маделе,учтена связь между скоростью биохимического процесса получения биомассы,.его стехиометрией и массообмевяшш характеристиками ферментера. ■' \ . .

3*. Экспериментально выявлено ингвбируицее влияние повышенной конц(гнтрации растворенного углекислого газа', определена ее пороговая концентрация*-' = 0,65-0,60 кг/м3. ' „ -. -4. Экспериментально"показано, что.определяпщш лшитирущим факгороы'в условиях, процесса ферментации в аппаратах интенсивного пер'еыешвания является скорость транспорта кислорода по сравнению со скоростью транспорта н-<адканов. '

5. Предлоясены и подтверждены расчетные уравнений определения оптимальной начальной концентрации н-парафшюв в поступащем потоке и максимальной удельной вроизводательности ферментера 'в условиях, лимитирования процесса биосинтеза концентрацией квелоред-рэствореяного кислорода - С^ п ггагибирования пороговой концентра- ■ щей растворенного углекислого гаэа - Ссо2..

6. Предложен п'обоснован путь интенсификация процесса вырапи-

ваши биомаоск методам повышения парциального давленая кислорода в поступащем на аэрацию газе. ■'.''..,'

' 7. Разработана технологические схемы отделения ферментации процесса получения ШС с использованием компримированного воздуха,технологического кислорода и их смеси.

8. Показано технико-эконосшческое преимущество схемы отделения ферментации процесса получения £ВК на н-парзфинах с использованием технологического кислорода по сравнению с эксплуатируемым в настоящее время ферментационным оборудованием на примере завода ШС мощностью 300 тыс.тонн готовой продукции в год.

9. Технологические схемы отделения ферментации с использованием технологического кислорода, компримированного воздуха и их смеси заложены в технологические регламенты на проектирование опытно-промышленных предприятий по производству микробной биомассы'на синтетических спиртах (метаноле и этаноле) мощностью 10 тыс. и 100 тыс.тонн готовой продукция в год.

Условные обозначения а, А0, Ад , В0, Вц, И&4 , ^иах* 60* бсо^^3®^611" ты; Со^, ^ог^лм.' - соответственно текущая, равновесная, лимитируадая и максимально лимитирупцая концентрации растворенного кислорода в культуральяой жидкости; кг О^м3; Ссо2, С^, С^ - соответственно текущая, равновесная и пороговая концентрации растворенного углекислого газа в культуральяой жидкости, кг СО^/м3; 72) - коэффициент разбавления непрерывного процесса ферментации, ч-^; ~ удельная производительность (продуктивность) ферментационного оборудования, кг/м3*ч; ', К^си - соответст- ч веяно коэффициент маосопередачи по абсорбции кислорода и десорбции углекислого газа в системе культуральная жидкость - газ, ;

- коэффициент массшередачи кислорода в системе культуральная жидкость - клетка, ч; Ц^, МС(£ - соответственно количество а б-

-23 - "

сорбированного кислорода и десорбироваяного углекислого газа единицей объема культуральнай жидкости в час, кг/м3.ч; ы^- , ы^ -константа - Генри при растворении соответственно кислорода и углекислого газа в культуральной жидкости при 34^3, Ша*м3/кг; А/уд. -удельная мощность, затрачиваемая на перемешивание, кВт/м3; F - давление в.ферментере, Ша; - удельный расход кислородсодержащего газа, нм3/м3*ч;: $0 - начальная концентрация углеводородов,пос-тупащнх в ферментер с питательном раствором, кг/и3; 5- концентрация-углеводородов в культуральной массе (культураяъная жидкость + биомасса), кг/м3; 2 - концентрация биомассы, кг/мэ; У^, У^-начальная и конечная концентрации кислорода и конечная концентрация углекислого.газа в поступащем и.отработанном газе, объемн.^; Yo» Veo' Vs * ~ экономические коэффициенты соответственно по затрате, кислорода, выделению углекислого газа и потреблению угле роде еде рзса-щего субстрата, %; Yo31» Yco*» Ys*31' ~ максимальный экономический коэффициент по кислороду, углекислому газу и углеводородам при

.2D— оо ; %} М - коэффициент скорости роста периодического про-■ ■ • т

цесса ферментации, ч~А; АСБ_- абсолютно сухая биомасса; ШС - бел-

ково-витаминный концентрат..

Основное содержание диссертации изложено в следупдих публикациях.

I. Вольфович Д.И., Дронов A.C., Бинаров A.D. Выращивание дрожжей на н-нарафинах в ферментерах с интенсивным перемешиванием. -Мшробиологическая промышленность, 197£/ К 5, о. 6-9.

' 2. Фишер П.Н., Вольфович Д.И., Еалунянц H.H., Шварцкройн Б.Ц. Выращивание дрояжей GmcLlda, уш££илтстс1и. на н-парафинах нефти в'аппаратах интенсивного массообмена с применением кислорода, - В кн.: Микробиология и научно-технический прогресс. Тезисы докладов 1У съезда Всесоюзного микробиологического общества. Минск, 1971, с. 146-147. '*.

- 243. Вольфович Д.И* « Фишер H.H., Яровенко ВЛ. а др."Эксперимен-тальное выявление оптимальных параметров процесса вырзадавания" дротаеО в ферментере с интенсивным перемешиванием. - В кн.: Управление биосинтезом микроорганизмов. Тезисы Dt-ero Всесоюзного совещания по управляемому биосинтезу и биофизике популяций. - Красноярск, 1973, с. 12-14.

"■■ 4. Вольфович Д.И., Фишер П.Н., Уманский M .П., Венерсш К.В. Оптимизари непрерывного процесса ферментации н-парзфснов .дражга-ш в ферментере ОШ-1,0-0,6. - В кн.: Аппараты для микробиологического синтеза. Труды ЛенНШхиыыаш £ 9. - Ж., 1973, с. 3-14. ,

5. Вольфович д.И., Фишер П.Н., Яровекко ВЛ. и др. Испытание ФерментераФШ-1,0-0,6 при непрерывном процессе выращивания кормовых дрож&ей пз н-парафивах с применением технологического кислорода. - 'Микробиологическая промышленность, 1974, ü IA (30),

с. I-I8. "" -г

6. Барановский В.М., Богатых С.А., Венерав К.В., Вольфович Д.И. Горизонтальный ферментер для непрерывного культивирования микроорганизмов. - Микробиологическая промышленность, 1974, JJ IA (30)

с. 9-14. ' ' ■

7* Фишер II.ii., Вольфович Д.И., ШварцкройнБ.Н. и др. Оптимизация процесса ферментации н-парафшов' в условиях ферментера конст- -рукцип ЛенНИИхиммаи. - В кн.: Разработка аппаратуры'для "биосинтеза белка на углеводородах. Тезисы докладов. - Пущино, 1975, с. 3-4*

8. Вольфович Д.И., Киселев C.B., Олейник З.Н. и др. Исследование процесса ферментации н-парафинов в ферментере трубчатого типа. - В кн.: PaapajSoïKa аппаратуры для биосинтеза белка на углеводородах.. Тезисы докладов. Пущино, 1975, с. 4.

9. Вольфович Д.И., «шпер П.Н., Яровенко В.Л. и др. Значение жщтируицих факторов процесса ферментации н-парэдпнов дрояяаш.-

II кн.; Разработка аппаратуры для биосинтеза белка на углеводородах.

Тезисы докладов.— Пущиио, 1975, с. 12—14,

10. Фишер Л. Н„ Вольфович Д. И., Яровенко В, Л. Лимитирующие факторы т^роцессе ферментации ««парафинов .дрожав».— В кн.: Всесоюзного микробиологического общЯтва. Секция: »рнзио л огня микробов и техническая микробиология.— Ереван, 1975, с. 206—207.

11. Вольфович Д. И., Фишер П. Н„ Яровенко В. Л. Значение факторов, лимитирующих процесс ферментации н-пара-финов дрожжами.— Микробиологическая промышленность, 1977, № 1, с. 4—6.

12. Вольфович Д. И. Исследование кинетики непрерывного процесса выращивания дрожжей.— В ки.: Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов. Тезисы докладов II Всесоюзного совещания,— М... 1978, с. 117—118.

13. А, С. 269888 (СССР). Аппарат для выращивания дрож-.жей. (Богатых С. А., Вишневский Н. Е., Венеров К. В., Вольфович Д. И. и др.— 1968.

14. А, С. 352563 (СССР). Аппарат для выращивания дрожжей. (Богатых С. А., Вишневский Н. Е., Венеров К. В., Воль, -фович Д. И. и др.— 1970.

15. А. С. 161631 (ЧССР). Uzavrene trubkove zorizeni рю pestoväni mikroorganismü. (Богатых С. А., Венеров К. В., Вишневский Н. Е„ Вольфович Д. И. и др.— 1974.

16. Патент 2253422 (ФРГ). Geschlossener Rohrenapparat zur Züci^tng von MitÄfc-ganismen. (Богатых С. А., Вишневое кий Н.Чц Венеров К.Ч^ Вольфович и др.— 1979;

Объем 13 п. л.

Поля ис а но к печати 22ÄiÄUr. Т»раж J00 экз.

Типография ШIИ ИТЭ И пищепрома

Зак. 1901