Ферментатор и установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий

(51) 12 1/04 (2006.01) 12 1/20 (2006.01) 12 1/01 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ башку. Емкость обеспечена теплоэлектронагревателем, вмонтированным в металлический кожух с двумя патрубками, один из которых погружен в теплообменную рубашку сферического дна, а второй соединен с теплообменной рубашкой цилиндрической части емкости. Емкость обеспечена в сферическом дне диспергирующим устройством в виде 6 лучевого коллектора, состоящего из полой цилиндрической емкости, в которую вмонтированы трубки в виде цилиндров с закрытыми торцами. При этом в верхней части трубок имеются щелевидные трапецеобразные вырезы с меньшим основанием к центру круга полой цилиндрической емкости и большим к периферии. Вырезы заварены листовыми пластинами из мелкопористой нержавеющей стали со средним диаметром пор 0,1 мм и средней пористостью 2500 отверстий на 1 см 2. Ферментатор обеспечен крышкой, патрубками для ввода и вывода аэрируемого воздуха и патрубком для вывода готовой биомассы. Установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий состоит из каскада последовательно соединенных ферментаторов с вышеуказанными конструкционными особенностями, обеспеченных баком с мешалкой, компрессором с ресивером и сборной емкостью биомассы. Новые виды технологического оборудования позволяют сократить процесс получения биомасс в 2-2,5 раза, снизить эксплуатационные затраты в 8-10 раз, энергозатраты в 1,7 раза и сократить удельные расходы воздуха в 14-42 раза. Наряду с этим себестоимость производимых биомасс бактерий снижается в 500-1000 раз.(72) Розвага Роман Иванович Клец Александр Николаевич Масалов Александр Михайлович Пак Валерий Николаевич Богомол Михаил Афанасьевич(73) Дочернее государственное предприятие Государственное Научно-производственное объединение промышленной экологии Казмеханобр Республиканского государственного предприятия (на праве хозяйственного ведения) Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан(54) ФЕРМЕНТАТОР И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ И ВОСПРОИЗВОДСТВА БИОМАСС БАКТЕРИЙ(57) Изобретение относится к биотехнологии и экологии и касается разработки новых видов оборудования для промышленного получения разнообразных биомасс бактерий, применяемых для очистки и рекультивации загрязненных объектов от техногенных веществ. Ферментатор состоит из емкости с теплообменной рубашкой цилиндрической формы со сферическим дном, расширительного бака, погруженным одним патрубком у нижнего торца в теплообменную ру 17886 Изобретение относится к области биотехнологии и касается разработки ферментатора как аппарата емкостного типа и установки для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс аэробных микроорганизмов. Оно может найти широкое применение для крупнотоннажного производства разнообразных биомасс бактерий, пригодных для биохимической очистки загрязненных объектов от ксенобиотиков и обезвреживания опасных промышленных отходов, для предприятий по переработке полиметаллических руд, нефти и другого природного сырья. Известны аналоги, касающиеся новых конструкций ферментаторов, предназначенных для выращивания биомасс микроорганизмов. Так, согласно одному из них (заявка на изобретение РФ 991007359/13, кл. С 12 М 1/04, 2001 // Аппарат для выращивания микроорганизмов) ферментатор состоит из корпуса со штуцерами, который разделен горизонтальными перегородками на секции и содержит камеру для культивирования, теплообменную и воздушные камеры, при этом последние две камеры снабжены переточными патрубками и цилиндрическими трубками с винтовой спиралью цилиндрические трубы под нижней горизонтальной перегородкой каждой секции выполнены из витков ленты с образованием сквозного зазора между поверхностью витков под воздушной камерой каждой секции установлена дополнительная камера для отвода продуктов метаболизма цилиндрические трубы изготовлены из пористого материала (керамика),а их наружная часть покрыта тефлоновыми пленками цилиндрические трубы каждой секции собраны в трубные пучки и вместе с горизонтальными перегородками размещены в отдельных кожухах, а камеры трубных пучков соединены между собой коллекторами через штуцера. Тем не менее, конструкция ферментатора является весьма усложненной, а наличие разнородных материалов (металл, керамика, тефлоновая пленка, ленты и пр.) вовсе неприемлемо для усиления прочности аппарата. Кроме того,аппарат, несмотря на наличие множества деталей,не позволяет создать кипящий слой диспергируемой культуральной жидкости за счет наличия циркуляционных стаканов и других механизмов, находящихся в корпусе. Согласно второго аналога(патент РФ 2182926, кл. С 12 М 1/06, 2002) ферментатор включает емкость с крышкой, снабженную расположенной в ней циркуляционной трубой с раструбом, насосом и патрубками для протока воздуха и рабочей жидкости. В раструбе закреплены отстойные пластины. Аппарат содержит байпасный контур для циркуляции рабочей жидкости, а на самом дне установки имеются направляющие пластины для создания целенаправленного потока рабочей жидкости. Аэратор размещен под крышкой емкости, имеется газожидкостный разделитель, связанный с трубопроводом, и мембранный дозатор. Аэратор выполнен в виде кольцевого коллектора с радиально расположенными отверстиями. Тем не менее, изобретение не позволяет достичь высокой дисперги 2 рующей степени рабочей жидкости (вовсе не указаны размеры отверстий коллектора), форма емкости аппарата (отсутствие сферической и цилиндрической частей) и не позволяет создать равномерное перемешивание воздуха и культуральной рабочей жидкости, несмотря на наличие байпасного контура и направляющих пластин. Наличие целенаправленного потока рабочей жидкости внутри аппарата значительно уменьшает поверхность ее контакта с воздухом, поскольку перемешивание жидкости - это еще не ее диспергация. По-нашему мнению, конструкция ферментатора создана на недостаточно современном технологическом уровне и вовсе не позволяет повышение производительности получаемых биомасс бактерий и снижения их себестоимости, для доказательства этого требуются соответствующие технико-экономические расчеты. Источники выше указанных аналогов не позволяют тиражировать конструкции ферментаторов в промышленное производство, поскольку выполненные работы носят чисто экспериментальный и поисковый уровень. В них отсутствуют сведения о техникоэкономических и технологических показателях. Наиболее близким к заявляемому объекту (ферментатору) является собственное изобретение в виде действующего патента Республики Казахстан(патент РК 7163, кл. С 12 М 1/02, 2001), используемое нами в качестве прототипа. Сущность изобретения состоит в том, что предложен аппарат емкостного типа в виде цилиндра с теплообменной рубашкой, который обеспечен системой вторичного равномерного подогрева культуральной жидкости,образованной соединением аэратора воздухопроводом с верхней частью теплообменной рубашки со стороны, диаметрально противоположной патрубку ввода подогретого сжатого воздуха. Несмотря на то,что ферментатор внедрен нами в промышленное производство на ОАО Усть-Каменогорский ТМК в 1997 году, он обладает рядом недостатков, которые существенно отражаются в случае крупнотоннажного производства биомассаэробных бактерий, а именно- наличие цилиндрической формы ферментатора не позволяет создать в нижней части аппарата, куда подается воздух, равномерную аэрацию культивируемой жидкости (минерализованной питательной среды МПС и инокулята штамма либо штаммов бактерий)- существующая система аэрации в аппарате не позволяет создать кипящий слой аэрируемой жидкости и для культивирования биомасс бактерий требуется относительно много времени (3-5 суток)- аппарат предусматривает предварительный подогрев сжатого воздуха, что влечет за собой значительные эксплуатационные затраты (на уровне 200 тыс.тенге/т либо 1,3 тыс.дол/т веса)- аппарат отличается большими удельными расходами воздуха, используемого для перемешивания культивируемой жидкости (на уровне 240-720 м 3/сутм 2 площади поперечного сечения емкости)- аппарат характеризуется значительными энергозатратами (на уровне 250 кВтсут на 1,0 м 3 полез 17886 ной емкости) из-за использования в качестве теплоносителя воздуха, обладающего относительно невысокой удельной теплоемкостью (она составляет при 30 С всего 0,2532 кал/гград, в отличие, например,от воды, которая равна 0,9995 кал/гград при 30 С)- аппарат не позволяет получать биомассы штаммов бактерий с низкой себестоимостью (она колеблется в пределах 150-200 тыс.тенге/т либо 0,99-1,3 тыс.дол/т)- вследствие значительных эксплуатационных затрат аппарат непригоден для его монтажа и эксплуатации в виде установки для промышленного культивирования биомасс бактерий, сочетающей каскад ферментаторов с общими технологическими коммуникациями (подвод воздуха, теплоносителя,электроэнергии и т. п.). Известны аналоги по созданию установок для культивирования биомасс бактерий при компоновке ферментаторов и вспомогательных средств (оборудования) в единую систему. Так, согласно источника (патент РК 914, кл. С 12 1/20, С 02 3/34,1995) осуществлена попытка монтажа ряда ферментаторов в единую установку с общим подводом коммуникаций (воздуха и теплоносителя) к каждому аппарату. Тем не менее, изобретение выполнено исключительно на лабораторном уровне, где вместо ферментаторов использовали емкости в виде колонок (стекляных бюреток с кранами). Не приведены сведения о технологических параметрах процесса культивирования биомассы с учетом конструкционных характеристик емкостей (аппаратов). Согласно второго источника (патент РФ 2046881, кл. Е 02 В 15/04, 1995) предлагается устройство для ликвидации экологических последствий от разлитой на водной поверхности нефти представляющее собой плавучее заграждение, состоящее из соединенных между собой емкостей из упруговязких материалов (например, из резины) и наполненных микроемкостями, содержащих микроорганизмы (например, штаммы нефтеокисляющих бактерий) с пузырьками воздуха, а также капсулы с питательными веществами(соли фосфора, азота и калия). Тем не менее, такая конструкция плавучих емкостей в виде ферментаторов отличается сложностью их эксплуатации и низким коэффициентом полезного действия (длительные сроки культивирования биомасс бактерий из-за неудачно продуманных технических решений). Наиболее близким к заявленному объекту (установка для промышленного культивирования биомасс бактерий) является источник ( ., - .,.// .., 1988, . 7,2, . 87-94). Суть предложенной биотехнологии состоит в том, что для культивирования биомассы штамма бактерийпредложена система биореакторов(ферментаторов), заполненных извнутри порошкообразным носителем (средством для иммобилизации бактерий) - поливинилхлоридом. В аппараты подают воздух от компрессорной станции, а нагрев культуральной жидкости осуществляют при погру жении теплоэлектронагревателей в каждый аппарат в отдельности, соединенных с электрическим пускателем. Тем не менее, устройство отличается следующими недостатками- отсутствует теплообменная рубашка в ферментаторах, что не позволяет стабилизировать тепловой режим для процесса культивирования биомасс- при прямом контакте теплоэлектронагревателей с производимой биомассой протекает гибель клеток бактерий в результате перегрева культивируемой жидкости- наличие гетерогенной среды (культуральной жидкости и порошкообразного носителя иммобилизации) приводит к длительным срокам культивирования биомассы (7-10 суток). Вовсе отсутствуют данные по системам очистки воздуха, подаваемого в систему аэрации, от пыли,по удельным расходам воздуха и теплоносителя, по энергозатратам, а также по другим техникоэкономическим показателям. Задача изобретения - устранение перечисленных выше недостатков прототипа, разработка высокотехнологичной и более экономичной конструкций ферментатора и установки для промышленного культивирования биомасс бактерий для практического применения. Это достигается тем, что в ферментаторе, включающем емкость с крышкой, теплообменную рубашку, патрубки для ввода и вывода аэрируемого воздуха и патрубок для вывода готовой биомассы,согласно изобретению, емкость выполнена цилиндрической формы со сферическим дном и обеспечена в верхней части расширительным баком, имеющим в нижнем торце патрубок, погруженный в теплообменную рубашку, емкость снабжена теплоэлектронагревателем, имеющим металлический кожух с двумя патрубками, один из которых погружен в теплообменную рубашку сферического дна, а второй соединен с теплообменной рубашкой цилиндрической части емкости, и обеспечена в сферическом дне диспергирующим устройством, выполненным в виде 6-лучевого коллектора, состоящего из полой цилиндрической емкости с внутренней резьбой на корпусе, навинченной на наружную резьбу патрубка ввода аэрируемого воздуха, в которую вмонтированы трубки, имеющие в продольном сечении вид цилиндров с двумя одинаковыми торцами, из которых наружные торцы закрыты, а внутренние соединены с полой цилиндрической емкостью, при этом в верхней части трубок выфрезированы щелевидные вырезы в виде трапеций с меньшим основанием к центру круга полой цилиндрической емкости коллектора и большим к периферии, при этом вырезы герметично заварены листовыми пластинами из мелкопористой нержавеющей стали со средним диаметром пор 0,1 мм и средней пористостью 2500 отверстий на 1 см 2. Установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий, состоящая из каскада последовательно соединенных биореакторов согласно изобретению содержит в качестве биореакторов ферментаторы,описанные выше, снаб 3 17886 женных баком с мешалкой, компрессором с ресивером и сборной емкостью биомассы. При этом получают следующий технический результат- достигается равномерная аэрация культивируемой жидкости воздухом вследствие сочетания цилиндрической формы со сферическим дном нового типа ферментатора- при культивировании МПС и инокулята штамма (штаммов) бактерий с использованием воздуха образуется кипящий слой и сокращается процесс получения биомасс в 2,0-2,5 раза (он составляет 1,02,0 суток)- вместо воздуха в качестве теплоносителя используют воду, которая по удельной теплоемкости в 4 раза выше, и эксплуатационные затраты снижаются в 8-10 раз (на уровне 20-25 тыс.тенге/т либо 0,130,16 тыс.дол/т веса)- новая конструкция ферментатора позволяет сократить удельные расходы воздуха, используемого для аэрации культивируемой среды, в 14,0-42,0 раза(на уровне 17,0 м 3/сутм 2 площади поперечного сечения аппарата)- новая конструкция ферментатора позволяет снизить энергозатраты в 1,7 раза (на уровне 144 кВт/сут на 1,0 м 3 полезной емкости аппарата)- новый аппарат позволяет получать биомассы штаммов бактерий, себестоимость которых в 5001000 раз ниже (она на уровне 150-400 тенге/т либо 1,15-3,1 дол/т)- создана и апробирована на промышленном уровне с положительным эффектом установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс любых бактерий в непрерывном и периодическом режимах при сочетании новой конструкции ферментатора и вспомогательного оборудования, что позволяет создать новые производства по крупнотоннажному получению биомасс бактерий,используемых для очистки и рекультивации объектов от ксенобиотиков. Сущность изобретения поясняется чертежами,где на фиг. 1 показан ферментатор, на фиг. 2 - установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий. Ферментатор (фиг.1 в разрезе) включает емкость с крышкой (6), имеющей патрубки для вывода аэрируемого воздуха (7), теплообменную рубашку за счет стенок внутренней и наружной емкостей (1 и 2), патрубки для ввода и вывода аэрируемого воздуха (10 и 7) и патрубок для вывода готовой биомассы(9), при этом емкость выполнена цилиндрической формы со сферическим дном и обеспечена в верхней части расширительным баком (5), имеющим в нижнем торце патрубок, погруженный в теплообменную рубашку. Емкость снабжена теплоэлектронагревателем, ТЭН (4), имеющим металлический кожух с двумя патрубками, один из которых погружен в теплообменную рубашку сферического дна, а второй соединен с теплообменной рубашкой цилиндрической части емкости. Емкость обеспечена в сферическом дне диспергирующим устройством (3),выполненным в виде 6-лучевого коллектора (вид по 4 А, поз. 3), состоящего из полой цилиндрической емкости с внутренней резьбой на корпусе, навинченной на наружную резьбу патрубка ввода аэрируемого воздуха (10), в полую цилиндрическую емкость вмонтированы трубки, имеющие в продольном сечении вид цилиндров с двумя одинаковыми торцами, из которых наружные торцы закрыты, а внутренние соединены с полой цилиндрической емкостью, при этом в верхней части трубок выфрезированы щелевидные вырезы в виде трапеций с меньшим основанием к центру круга полой цилиндрической емкости коллектора и большим к периферии, при этом вырезы герметично заварены листовыми пластинами из мелкопористой нержавеющей стали со средним диаметром пор 0,1 мм и средней пористостью 2500 отверстий на 1 см 2. Патрубок ввода аэрируемого воздуха (10) в диспергирующее устройство (3) обеспечен фильтром для очистки воздуха от пыли (11), дозатором воздуха (12). Во внутренней емкости ферментатора имеется термометр контактный пневматический (14), который вместе с теплоэлектронагревателем (4) подсоединен к электрическому пускателю (13). Принцип действия ферментатора При снятии съемной крышки (6) в ферментатор загружают инокулят заданного штамма (штаммов) бактерий и МПС необходимого состава в определенном объемном соотношении, установленным оптимальными режимами. Теплообменную рубашку заполняют обыкновенной водопроводной водой с таким расчетом, чтобы уровень воды в ней соответствовал уровню воды в расширительном баке (5). Затем посредством тумблера, установленного на шкале плавной регулировки температуры в теплоэлектронагревателе (4), устанавливают заданную температуру нагрева теплоносителя и через металлический патрубок (10) подают сжатый воздух от компрессора с ресивером либо от компрессорной станции с заданными удельными расходами, установленными оптимальными режимами. При прохождении мельчайших пузырьков воздуха через отверстия из микропористой нержавеющей стали(МПНС) а затем по всей толще культуральной жидкости имеет место ее интенсивное перемешивание и аэробное питание бактерий кислородом воздуха. При этом образуется кипящий слой аэрируемой жидкости. Процесс культивирования продолжают до тех пор, пока титр клеток получаемой биомассы не будет равен титру исходного инокулята штамма(штаммов) бактерий. После завершения процесса отключают подачу сжатого воздуха в систему и удаляют посредством патрубка с вентилем (9) часть готовой биомассы. Во втором цикле культивирования в ферментатор вводят часть МПС, равной по объему части удаленной биомассы, и процесс осуществляют по выше указанному принципу действия ферментатора. Особенно важным является вопрос по комплектованию ферментаторов в единую систему для увеличения производства биомасс бактерий. В процессе научного поиска, связанного с определением оптимальных режимов по культивированию биомасс бак 17886 терий и внедрением полученных результатов в производство, была разработана новая система по созданию установок для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс микроорганизмов. Установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий представлена в разрезе на чертеже (фиг. 2). Она включает бак с мешалкой (1) для приготовления МПС, ферментаторы(3-1,2,3), дозаторы (4-1,2,3), фильтры для очистки воздуха от пыли (5-1,2,3), вентили для выпуска готовой биомассы (6, 7, 8), пускатель электрический(9), ресивер (10) и сборную емкость биомассы (11). Установка включает газовоздушную линию для подачи сжатого воздуха в каждый ферментатор и электрическую линию, соединяющую электрический пускатель от сети 220 в с ТЭНами ферментаторов и с термометрами контактными пневматическими. Принцип действия установки В бак для приготовления минерализованной питательной среды (1) загружают соответствующие минеральные соли и водопроводную воду в заданных количествах и после тщательного перемешивания электромешалкой получают МПС в виде однородного водного раствора. Путем последовательного открывания вентилей, установленных на трубопроводах, в каждый ферментатор (3-1, 3-2 и 3-3) через горловину вводят из бака (1) МПС с объемом,равным 50 от рабочего объема аппарата. Затем снова в каждый ферментатор вводят предварительно наработанный инокулят штамма (либо штаммов) бактерий в объеме, равным 50 от рабочего объема аппарата. Путем регулирования тумблера на ТЭНах каждого ферментатора устанавливают заданную температуру, необходимую для культивирования биомассы во внутренней емкости всех аппаратов. От компрессора либо компрессорной станции подают сжатый воздух в ресивер (10), в котором имеет место выравнивание давления, и через открытый вентиль воздух поступает по газо-воздушной линии в каждый аппарат в отдельности. При этом посредством фильтров (5-1, 5-2 и 5-3) он очищается от пылевого загрязнения, а посредством дозаторов (4-1, 42 и 4-3) регулируют заданное количество подаваемого воздуха в каждый аппарат в отдельности. Система подогрева культуральной жидкости в каждом ферментаторе основана на нагреве воды в теплообменных рубашках и выравнивания ее температуры при смешивании с водой из расширительных баков. Термометры контактные пневматические фиксируют необходимую рабочую температуру культивируемой жидкости в каждом аппарате автоматически. Процесс аэрации воздухом содержимого всех ферментаторов продолжают до тех пор, пока титр клеток получаемой биомассы не будет равным титру клеток исходного инокулята штамма (штаммов) бактерий. После получения биомассы бактерий с надлежащим качеством осуществляют процесс ее воспроизводства. С этой целью путем открытия вентилей (6, 7 и 8) из каждого ферментатора выгружают по 50 готовой биомассы от общего объема, которая поступает в сборную емкость (11). Ее используют для очистки загрязненных объектов от ксенобиотиков (сточные воды, почва и т.п.). Затем из бака с мешалкой (1) подают в каждый ферментатор свежеприготовленную МПС в количестве, равным по объему оставшейся биомассы. И процесс культивирования осуществляют по принципу, описанному выше. В примере (1) представлены данные по конструированию и изготовлению нового типа ферментатора и о его технических характеристиках, а в примере (2) изложены сведения по конструированию,изготовлению и монтажу установки для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий. В примере (3) изложены опыты по отработке оптимальных режимов установки для производства биомасс бактерий и данные о получении некоторых биомасс промышленными способами, а в примере (4) представлена информация о технико-экономических и экологических аспектах устройств. Новый ферментатор и промышленная установка на основе ферментаторов были внедрены на промышленном уровне в 2002 году в условиях завода на СКБ и ОП опытного производства ДГП ГНПО ПЭ Казмеханобр. Пример 1, относящийся к конструированию и изготовлению ферментатора по заявленному техническому решению. При использовании аргоновой сварки была изготовлена из антикоррозионных сплавов емкость с объемом 0,36 м 3 цилиндрической формы со сферическим дном. Затем был изготовлен 6-лучевой коллектор из нержавеющей стали, состоящий из полой цилиндрической емкости (диаметр - 0,1 м), в которую вмонтировали 6 цилиндрических трубок (длина - по 0,325 м),закрытые по торцам. Затем в верхней части каждой трубки выфрезировали щелевидные вырезы (площадь каждого - 2000 мм) в виде трапеций с меньшим основанием к центру коллектора и большим к периферии. В указанные вырезы были заварены пластины из мелкопористой нержавеющей стали со средним диаметром отверстий 100 мкм (0,1 мм) и со средней удельной пористостью 2500 отв/см 2. В центре круга полой цилиндрической емкости была высверлена внутренняя резьба, которую навинчивали на наружную резьбу патрубка ввода аэрируемого воздуха, который вмонтировали через отверстие в нижнюю сферическую часть емкости. На указанном патрубке установили дозатор и фильтр для пылеулавливания. Аналогичным образом была изготовлена наружная емкость ферментатора и съемная крышка с четырьмя отверстиями для выхода отработанного воздуха и одним отверстием для погружения термометра контактного пневматического типа ТКП-160 СПМ 1-УХЛ 2. В сферическом дне емкости было высверлено отверстие и установлен патрубок с вентилем для выгрузки наработанной биомассы. Затем в нижней части аппарата просверлили отверстие, в которое вмонтировали непосредственно в теплообменную рубашку открытый торец металлического цилиндрического кожуха, в который поместили 5 17886 товлен из листового железа сталь-5) для приготовления МПС. От него были выведены трубопроводы с вентилями к каждому ферментатору в отдельности. На полу под эстакадой была установлена емкость для выгрузки в нее готовой биомассы через гофрированные шланги, подсоединенные к открытым горловинам аппаратов для выпуска биомасс. К патрубкам, подсоединенным к диспергирующим устройствам ферментаторов, было подключено по одному ротаметру типа РМ 4 ГУЗ (производительность по воздуху - 4,0 м 3/ч) для точного определения расходов воздуха, используемого для аэрации культивируемых сред. Пример 3, относящийся к отработке оптимальных режимов установки для производства и воспроизводства биомасс бактерий и получению некоторых видов целевых продуктов. Опыт 1. После заполнения водопроводной водой теплообменных рубашек ферментаторов (Ф-1 и Ф-2) до уровня воды в расширительных баках и установления постоянной температуры во внутренних емкостях аппаратов (29) необходимо было установить оптимальные расходы воздуха, используемого для аэрации жидкости. При этом для Ф-1 было установлено диспергирующее устройство, предварительно изготовленное из винипласта (ВНП) с отверстиями в 6-лучевом коллекторе, равными 1,5 мм в диаметре, а в Ф-2 устройство из мелкопористой нержавеющей стали (МПНС) с отверстиями в 6- лучевом коллекторе, равными 0,1 мм в диаметре. Предварительно в каждый ферментатор ввели водопроводную воду до уровня 0,288 м 3 (288,0 дм 3), что соответствует рабочему объему аппаратов (80 от общего объема). Воздух в аппараты подавали от компрессора через ресиверы, а его расходы фиксировали посредством ротаметров. Результаты полученных данных представлены в табл. 1. Таблица 1 Результаты по отработке оптимальных режимов аэрации воды в ферментаторах воздухом при использовании различных диспергирующих устройств при постоянной температуре ТЭН с тумблером для плавного регулирования температуры (0-, 10-, 20-,80 С). Выход ТЭНа (его мощность 3 кВт) подсоединили к пускателю электрическому сети (220 в). В верхней части ферментатора (наружная емкость) было высверлено отверстие, в которое был вмонтирован металлический бак(изготовлен из листового железа сталь-5) с открытым торцом патрубка, непосредственно погруженного в теплообменную рубашку. Затем посредством резинового шланга соединили второй открытый торец металлического кожуха ТЭНа с внешним торцом теплообменной рубашки. Полностью изготовленный ферментатор был установлен непосредственно на специальной эстакаде СКБ и ОП. Пример 2, относящийся к конструированию, изготовлению и монтажу установки для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий. Аналогичным способом (пример 1) был сконструирован и изготовлен второй ферментатор емкостью на 0,36 м 3 с теми же размерами всех составных частей. Оба аппарата были установлены на специальной эстакаде в цехе СКБ и ОП на высоте 2,0 м от уровня бетонного пола. Необходимо отметить, что посредством электропроводов ТЭНы и термометры контактные пневматические были выведены на пульт управления. Патрубки, подведенные к диспергирующим устройствам ферментаторов, были соединены в единую газовоздушную линию, которую через разъемный кран подсоединили к компрессору с ресивером (мощность - 3 кВт, производительность 4,0 м 3/ч по воздуху). Это позволяло осуществлять эксплуатацию одного из ферментаторов либо двух ферментаторов установки одновременно. На эстакаде высотой 3 м от уровня пола был установлен бак с мешалкой объемом на 0,5 м 3 (изго ферментатор / материал диспергирующего устройства Ф-1/ВНП Условия опытов температура показания воды,С ротаметра среднее показание ротаметра 16 20 33 40 10 24 30 33 Удельные расходы воздуха м 3/м 2 сут дм 3/дм 2 ч Примечание Ф-1, Ф-2 - номер ферментатора ВНП - диспергатор из винипласта МПНС - диспергатор из микропористой нержавеющей стали площадь водной поверхности в аппаратах 56,71 дм 2 , - оптимальные расходы воздуха. Из табл. (1) видно, что оптимальными расходами воздуха являются расходы 11,3 дм 3/дм 2 ч (либо 27,1 м 3/м 2 сут) при использовании диспергирующего 6 устройства из ВНП, а также 7,1 дм 3/дм 2 ч (либо 17,0 м 3/м 2 сут) при использовании диспергирующего устройства из МПНС. Фактически предпочтенье 17886 следует отдать диспергаторам из МПНС, обладающих более меньшими порами и вызывающих образование кипящего слоя диспергирующей жидкости (воды). Все опыты проведены при постоянной температуре воды (29 С). Опыт 2. В эксплуатацию были введены оба ферментатора установки. При этом их предварительно заполняли водопроводной водой до уровня рабочего объема 0,288 м 3 (288,0 дм 3). В качестве дисперги рующих устройств использовали 6-лучевые коллекторы из ВНП. Установили в обеих аппаратах один и тот же удельный расход воздуха, равный 11,3 дм 3/дм 2 ч (или 27,1 м 3/м 2 сут). Наблюдения проводили в течение 4 суток до получения стабильных показателей температуры в водяной рубашке (ВР) и во внутренней емкостиаппаратов. Результаты полученных данных представлены в табл. 2. Таблица 2 Результаты по отработке оптимальных температурных режимов воды в водяной рубашке и во внутренней емкости ферментаторов при постоянных удельных расходах воздуха Условия опытов опы- уд. расход ты, воздуха,п/п дм 3/дм 2 ч 1 11,3 2 11,3 3 11,3 4 11,3 Температура по истечению времени,С 12 ч 1 сут 2 сут 3 сут Примечания- внутренняя емкость ферментатора ВР - водяная рубашка , - оптимальные температуры. Из табл. 2 видно, что оптимальной следует считать температуру, равную в водяной рубашке ферментаторов 40 С и во внутренней емкости 29 С(,), то есть разница между ними составляет 11 С. Обычно для роста и развития бактерий в условиях процессов ферментации, связанных с наработкой биомасс, считают температуру в пределах 2830 С, что свойственно для подавляющего большинства бактерий. Поскольку найдены оптимальные режимы для получения биомасс бактерий промышленным способом при использовании воды в качестве имитатора биомасс, необходимо было проверить техническую надежность и достоверность эксплуатации как ферментатора так и промышленной установки при получении некоторых биомасс бактерий и их воспроизводству. Опыт 3. В ферментатор (Ф-1) установки ввели 144,0 дм 3 инокулята чистой культуры ацидофильного штамма бактерийГНПО ПЭ-В-1 с содержанием 30 г/дм 3, с рабочим титром 107 кл/см 3 и рН, равным 1,85. Затем из бака по приготовлению МПС ввели 144,0 дм 3 водного раствора, содержащего 0,0288 кг О 47 Н 2 О 0,0018 кг 2 О 4 0,0108 кг (4)2 О 4 0,0293 кг Н 23 и 148,9 кг О 472. Аэрацию культуральной жидкости осуществляли при использовании диспергирующего устройства на основе МПНС при уд. расходах воздуха 11,3 дм 3/дм 2 ч и температуре 29 С. Установлено, что во время культивирования была достигнута полная стабилизация режимов аэрации и температуры. В течение одних суток получена биомасса штамма бактерийГНПО ПЭ-В-1 в количестве 288,0 дм 3 Из ферментатора (Ф-1) отбирали половину полученной биомассы (144,0 дм 3) и вводили ее в ферментатор (Ф-2), а затем в каждый аппарат вводили из бака по приготовлению МПС по 144,0 дм 3 среды того же состава, приведенного выше. Процесс культивирования осуществляли в тех же оптимальных условиях. В течение 1,5 суток получено в расчете на каждый аппарат по 288,0 дм 3 (360 кг) биомассы штамма бактерийГНПО ПЭ-В-1 с рабочим титром 107 кл/см 3 и содержанием 30,0 г/дм 3. Выход биомассы - 100 . Следовательно, в процессе опытов была проверена на новой установке биомасса коагулянта на основе, защищенная действующим собственным патентом РК (патент РК 8264 // Средство для очистки сточных вод и способ его получения,2002). Опыт 4. Для проверки эффективности новой установки была испытана биомасса штамма бактерийИМиВ-В-10, защищенная действующим патентом РК (патент РК 8290 // Способ ферментационного культивирования биомассы штамма бактерий 2002). В ферментатор (Ф-1) установки было введено 0,144 м 3 реальной осветленной пульпы Карамкенского горно-металлургического комбината состава,г/м 3 - - 150,0 Н 2 РО 4 - 2,54 - 0,35 2 0,2 К - 0,55 твердые взвеси - 10,0 вода - остальное. Затем прибавили 0,144 м 3 инокулята чистого штамма бактерийИМиВ-В-10 с рабочим титром 107 кл/см 3. Культивирование биомассы осуществляли при оптимальных условиях (уд. расходы воздуха - 27,1 м 3/м 2 сут температура 29 С). В течение одних суток было получено 0,288 м 3 биомассы с рабочим титром 107 кл/ см 3. 17886 Для воспроизводства полученной биомассы из ферментатора (Ф-1) было перенесено в ферментатор(Ф-2) 0,144 м 3 биомассы, а затем в каждый аппарат вводили по 0,144 м 3 реальной пульпы вышеуказанного состава и процесс культивирования осуществляли при тех же оптимальных условиях. В течение 32 часов было получено 0,576 м 3 биомассы штамма бактерийИМиВ-В-10 с титром 107 кл/см 3. Выход продукта 100 . Показано, что как при культивировании, так и при воспроизводстве биомассы промышленным способом нарушение оптимальных технологических режимов не установлено. Опыт 5. Для проверки эффективности новой установки была испытана биомасса консорциума штаммов нефтеокисляющих бактерийГНПО ПЭ-Р-5,ГНПО ПЭ-Р-6 иГНПО ПЭ-В-7, защищенная действующим собственным патентом РК(патент РК 8263 // Консорциум штаммов бактерийГНПО ПЭ-Р-5,ГНПО ПЭ-Р-6 иГНПО ПЭ-В-7, используемый для очистки сточных вод и почв от нефти и нефтепродуктов, 2002). В ферментатор (Ф-1) установки загружали 0,144 м 3 инокулята чистых культур штаммов бактерийГНПО ПЭ-Р-5,ГНПО ПЭ-Р-6 иГНПО ПЭ-В-7 с рабочим титром 1012 кл/см 3. Затем в баке с мешалкой была приготовлена МПС путем растворения в 0,144 м 3 водопроводной воды 0,3 кг минудобрения - аммофоса (содержание фосфора и азота соответственно 52,0 вес. и 12,9 вес.) и 0,144 кг КС. Приготовленный раствор самотеком при открытом вентиле перевели в аппарат, прибавили 0,288 дм 3 (288,0 см 3) сырой нефти и полученную смесь подвергали аэрации воздухом с уд. расходами 27,1 м 3/м 2 сут при температуре 29 С. В течение двух суток было получено 0,288 м 3 биомассы с титром 1012 кл/см 3. Для воспроизводства биомассы консорциума штаммов бактерий были выполнены следующие операции половину полученной биомассы из ферментаторов (Ф-1 и Ф-2) удаляли в сборную емкость(фиг. 2), а затем в баке с мешалкой была приготовлена МПС путем растворения в 0,288 м 3 водопроводной воды 0,6 кг аммофоса и 0,288 кг КС. В каждый аппарат вводили по 0,144 м 3 указанной МПС,прибавляли по 288,0 см 3 сырой нефти и смеси подвергали культивированию в оптимальных условиях,описанных выше. Установлено, что в течение двух суток процесс культивирования и воспроизводства биомассы завершился полностью. Получено 0,576 м 3 продукта с титром 1012 кл/см 3. Пример 4, относящийся к некоторым данным по технико-экономическим и экологическим показателям заявленного технического решения. Ферментаторы новой конструкции и комбинированная установка для промышленного культивирования биомасс являются экологически пригодными устройствами для широкого внедрения, поскольку при получении целевых продуктов (биомасс) не об 8 разуются токсичные промотходы и газообразные опасные вещества. Устройства не требуют больших затрат электроэнергии и воздуха для культивирования и пригодны для воспроизводства огромного арсенала биомасс бактерий, что позволяет нарабатывать промышленным способом биомассы с низкой себестоимостью. Расчетами установлено, что при использовании разработанных устройств при крупнотоннажном производстве биомассы природной ассоциации микроорганизмов (на основе штаммов бактерийГНПО ПЭ-9,ГНПО ПЭ 12,ГНПО ПЭ 10,ГНПО ПЭ 13,ГНПО ПЭ-Р-11 иГНПО ПЭ-Р-14) на уровне 772,5 тыс.т/год ее средняя себестоимость равна 400 тенге/т (либо 3,07 дол/т), а при крупнотоннажном производстве биомассы консорциума штаммов бактерий (опыт 5 примера 3) на уровне 787,5 тыс.т/год ее средняя себестоимость равна 150 тенге/т (либо 1,15 дол/т). Кроме того, для указанных производств биомасс удельные капвложения, в которые входят стоимость ферментаторов и другого вспомогательного оборудования, соответственно составляют 589 тенге/т (или 4,5 дол/т) и 56,0 тенге/т (или 0,43 дол/т) и фактически окупаемы. Установлено,что при использовании в ферментаторах (прототип по патенту РК 7163) в качестве теплоносителя воздуха их удельная себестоимость составляет в среднем 200-250 тыс.тенге/т веса (либо 1,5-,9 тыс. дол/т), в то время как при использовании в ферментаторах в качестве теплоносителя воды удельная себестоимость составляет 20-25 тыс.тенге/т веса(либо 0,15-0,19 тыс.дол/т). Фактически при использовании новой конструкции ферментатора и промышленной установки для производства биомасс бактерий коэффициент полезного действия равен 80-85 в связи с полным отсутствием перерасхода теплоэнергоресурсов (воды, воздуха и т.д.). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ферментатор, включающий емкость с крышкой, теплообменную рубашку, патрубки для ввода и вывода аэрируемого воздуха и патрубок для вывода готовой биомассы, отличающийся тем, что емкость выполнена цилиндрической формы со сферическим дном и снабжена в верхней части расширительным баком, имеющим в нижнем торце патрубок, погруженный в теплообменную рубашку, емкость снабжена теплоэлектронагревателем, имеющим металлический кожух с двумя патрубками,один из которых погружен в теплообменную рубашку сферического дна, а второй соединен с теплообменной рубашкой цилиндрической части емкости и имеет в сферическом дне диспергирующее устройство, выполненное в виде 6-лучевого коллектора, состоящего из полой цилиндрической емкости с внутренней резьбой на корпусе, навинченной на наружную резьбу патрубка ввода аэрируемого воздуха, в которую вмонтированы трубки, имеющие в продольном сечении вид цилиндров с двумя одина 17886 ковыми торцами, из которых наружные торцы закрыты, а внутренние соединены с полой цилиндрической емкостью, при этом в верхней части трубок выфрезированы щелевидные вырезы в виде трапеций с меньшим основанием к центру круга полой цилиндрической емкости коллектора и большим к периферии, при этом вырезы герметично заварены листовыми пластинами из мелкопористой нержа веющей стали со средним диаметром пор 0,1 мм и средней пористостью 2500 отверстий на 1 см 2. 2. Установка для промышленного культивирования и воспроизводства биомасс бактерий, состоящая из каскада последовательно соединенных биореакторов, отличающаяся тем, что она содержит в качестве биореакторов ферментаторы по п. 1, снабженных баком с мешалкой, компрессором с ресивером и сборной емкостью биомассы. Фиг. 2 1 - бак для приготовления минерализованной питательной среды 2-1,2,3 - ферментаторы 3-1,2,3 - термометры контактные пневматические 4-1,2,3 - дозаторы 5-1,2,3 - фильтры для очистки воздуха от пыли 6, 7, 8 - вентили 9 - пускатель электрический 10 - ресивер 11 - сборная емкость биомассы