Казанский Государственный Технологический Университет

Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра химической кибернетики
УСТАНОВКА ВЫРАЩИВАНИЯ ЧИСТОЙ
КУЛЬТУРЫ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ
ПО АЭРОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Емельянов В.М., Мухачев С.Г.,
Шавалиев М.Ф., Якушев И.А.
БИОЭТАНОЛ
Основой развития материальной базы
современной земной цивилизации является
спектр используемых энергоносителей, их
доступность и обеспеченность запасами
сырья для производства.
Биоэтанол является апробированным
энергоносителем, производимым из
возобновимого сырья и используемым
с начала XX века.
Актуальность разработки
Действующие технологические схемы имеют ряд
недостатков, снижающих эффективность спиртового
производства:
• низкая засевная плотность дрожжевой культуры;
• высокая вероятность инфицирования инокулята и
посевного материала;
• «старение» дрожжевой культуры и т.д.
В результате – снижение качества и выхода
этилового спирта.
В связи с этим модернизация узла
дрожжегенерации - участка чистой культуры
спиртовых дрожжей - является крайне актуальной.
Существующая технология получения
чистой культуры
В соответствии с технологическим регламентом
по производству спирта разведение чистой культуры
спиртовых дрожжей проводят в анаэробных условиях,
на пастеризованном сусле путем последовательного
пересева с колб в бутыли, из бутылей в маточник,
получая на выходе концентрацию дрожжевых клеток
100-120 млн/мл.
Время подготовки культуры - 72 часа
Анаэробная дрожжегенерация
Процесс роста и размножения дрожжей требует
больших затрат энергии. Эта энергия получается в
результате их дыхания и брожения.
В условиях анаэробиоза дрожжевая клетка
получает очень небольшое количество энергии,
которая выделяется в результате брожения сахара и
используется для поддержания ее жизнедеятельности.
С6Н12О6  2С2H5ОН + 2СО2 + 56ккал
Аэробная дрожжегенерация
С6Н12О6  6СО2 + 6Н2О + 686ккал
В присутствии кислорода спиртовое брожение
прекращается, и дрожжи получают энергию для
размножения и роста за счет дыхания.
Преимущества аэробной дрожжегенерации
В условиях свободного доступа кислорода
процесс спиртового брожения ингибируется и
активизируется дыхание («эффект Пастера»).
При этом клетки более экономно расходуют
питательный материал.
Затраты сахара на синтез 100 млрд. клеток
дрожжевой массы, выращенной анаэробно,
составляют 8 грамм, при слабой аэрации – 3 грамма,
т.е. примерно в 2,5 раза меньше.
концентрация
клеток, млн/мл
Рост спиртовых дрожжей в аэробных (с подпиткой
субстратом) и анаэробных условиях
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
время роста, час
аэробный процесс
анаэробный процесс
15
Даже простейшая схема комплексной переработки
органического сырья с получением биоэтанола
требует использования нескольких установок
генерации дрожжевых культур:
• на стадии выращивания спиртовых
дрожжей;
• на стадии выращивания кормовых
дрожжей с целью переработки спиртовой
барды.
Основные требования к аппаратурному оснащению
стадий выращивания производственных культур
микроорганизмов:
1. Гарантированное обеспечение асептических
условий;
2. Минимальное число единиц технологического
оборудования;
3. Предельно возможное исключение человеческого
фактора;
4. Низкие эксплуатационные затраты.
Биореакторное оборудование
участка чистой культуры:
1. Инокулятор (стадия наращивания биомассы до 40
кг АСБ/м3);
2. Секционированный аппарат чистой культуры
(две стадии наращивания биомассы до 60 – 100
кг АСБ/м3).
ИНОКУЛЯТОР
В силу малого объема аппарат не должен иметь
сложных систем перемешивания и массообмена,
оснащенных механическими приводами.
Решаемые проблемы:
- обеспечение равномерного движения жидкости
и распределения компонентов, локальные
концентрации которых могут оказать
ингибирующее действие,
- корректный отбор газовой и жидкой фаз.
Схема потоков в инокуляторе
Отработанный
газ
Мембраны
О2 техн.
Инокулят
Рецикл
Мембраны
Схема потоков
газа и КЖ
СХЕМА ОБВЯЗКИ ИНОКУЛЯТОРА
СO2
Продувка
ГСБ
Хладоагент Т1
nn
n
Газо-жидкостный
поток в циклон
ω
ω
ω
F1
Воздух
Термостат
Сб1
pH
Fi
pO2
Н1
Hi
P
R1
O2
Сбi
Ресивер
Интенсивная аэробная технология культивирования
микроорганизмов с применением мембранных способов
подачи кислорода
Предлагается
эффективный способ
интенсификации
аэробных
биотехнологических
процессов с высокими
требованиями к
асептике и с
повышенным
пенообразованием.
• Мембранный способ
обеспечивает
асептические условия
подвода кислорода;
• существенное
сокращение
пенообразования при
беспузырьковом
введении кислорода в
культуральную
жидкость через
мембрану
Характеристики нокулятора повышенной
асептики с мембранным устройством
газового питания
Рабочий объем от 5 до 200 л.
Концентрация инокулята до 40 гАСБ/л.
Возможные направления применения:
• в качестве биореактора для лабораторных установок
исследовательского и учебного направления;
• в качестве ячейки для контроля бродильной активности,
тестирования штаммов, оценки биологической
доброкачественности питательных сред и их компонентов;
• в качестве инокулятора первой ступени для отделений чистой
культуры биотехнологических производств, в частности для
производства биоэтанола.
СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ АППАРАТ
ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ
1. Обеспечивает наращивание биомассы в
идентичном гидродинамическом и
массообменном режимах при
последовательном доливе среды.
2. Обеспечивает (при необходимости) получение
сверхплотной культуры за счет рециклирования
биомассы и высокой интенсивности
массообмена кислорода.
Результаты выращивания посевного материала в
производственном биореакторе интенсивного действия
объемом 10 м3
№
п/п
Показатель
1. Длительность выращивания, ч
2. Прирост концентрации биомассы продуцента, кг АСБ/м3
3. Съем биомассы, кг АСБ
4. Величина конечного объема
культуральной жидкости, м3
5 Продуктивность,
кг АСБ/м3*час
6. Средний удельный расход
энергии, квт·ч/кг АСБ
Регламентный
процесс
18,0
Экспериментальные
процессы
№1
№2
№3
22,5
23,0
22,5
11,55
45,50
57,75
181,09 169,40 154,35
38,50
36,75
5,00
3,98
4,40
4,20
3,21
8,05
7,37
6,86
4,83
2,10
2,04
2,39
Устройство и
внешний вид
секционированного
биореактора
интенсивного
действия
Схема обвязки секционированного аппарата
чистой культуры
Ф2
R1
Блок емкостей для С1 – С5
питательных сред и
титрующих агентов
Воздух отраб.
Отраб.
вода
Н1 – Н5
Блок дозаторов
R2
Ф3
Сброс
конденсата
Охл.
вода
Ф1
Газоаналитическая
станция,
О2, СО2
Посевной материал
Возврат потока
Отбор
биомассы
Рециркуляционный
контур
Биореактор
В атмосферу
Забор воздуха
Газ. сч.
Охл. вода, пар
Отраб. вода,
конденсат
Ф4
Отбор
фильтрата
Н6
Очищенный
воздух
Стерильный воздух
Пар
Отбор
КЖ (проб)
Обозначения:
К – компрессор; Н – насос, дозатор; Ф – фильтр; С – сборник, R – редуктор
К1
Конструктивные особенности секционированного
аппарата установки чистой культуры
1. Сокращение числа переливов и иных
технологических операций – достигается
двустадийностью процесса, обусловленной
секционированностью аппарата (выбирается
соотношение объемов секций).
2. Обеспечение равномерного ввода энергии достигается
многоярусными дисковыми мешалками и
отражательными перфорированными перегородками
управляемой геометрии.
Секционированный аппарат с управляемой
геометрией перемешивающего устройства
интенсивного массообмена
Рабочий объем от 10 до 40 000 л.
Концентрация биомассы до 100 гАСБ/л.
Возможные направления применения:
• в качестве биореактора для лабораторных установок исследовательского
и учебного направления;
• в качестве биореактора второй ступени для отделений чистой культуры
биотехнологических производств, в частности для производства
биоэтанола;
• в качестве биореактора для микробиологических производств
биологически активных веществ (антибиотики, витамины, закваски,
аминокислоты и др.);
• в качестве генератора биомассы для крупнотоннажных
микробиологических производств (получение кормового белка,
переработка спиртовой барды и других отходов, производство
аминокислот и др.).
Разработанная аппаратура и компановка участка
чистой культуры позволяют вести периодические и
отъемно-доливные процессы. Опыт реализации
отъемно-доливных
операций
в
условиях
Шумбутского спиртзавода показал, что число
стадий отъема-долива ограничено 5-6 операциями в
полу-асептических
условиях.
Применение
предлагаемой установки может увеличить число
возможных операций отъема-долива в 5-10 раз, т.е.
фактически
перейти
к
непрерывному
асептическому производству посевных культур.
Технологические результаты
· вдвое сокращено время подготовки чистой
культуры;
· в 10 раз увеличена концентрация чистой культуры
спиртовых дрожжей;
· повышена физиологическая активность дрожжевой
массы;
· на 20% снижена продолжительность процессов
брожения;
· на 34% снижено содержание несброженных
углеводов в бражке;
· на 1/3 снижен расход сырья на подготовку засевных
дрожжей при сохранении уровня производства
БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!