Tải bản đầy đủ

quá trình và thiết bị công nghệ sinh học - Chương 10


Chương 10
CÁC THIẾT BỊ LÊN MEN NUÔI CẤY CHÌM VI SINH VẬT
TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG DINH DƯỠNG LỎNG

Nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất các sản phẩm của các chất hoạt hoá sinh học là
quá trình tinh vi và phức tạp nhất để thu nhận các sản phẩm tổng hợp vi sinh. Tổng hợp
sinh học các chất hoạt hoá sinh học do vi sinh vật tạo ra phụ thuộc vào một số yếu tố
như nhiệt độ, pH của môi trường và canh trường phát triển, nồng độ hoà tan, thời gian
nuôi cấy, kết cấu và vật liệu thiết bị... Trong chương này chúng tôi sẽ giới thiệu một số
thiết bị lên men công nghiệp được ứng dụng để cấy chìm vi sinh vật.
Phụ thuộc vào các phương pháp ứng dụng để đánh giá hoạt động thiết bị lên men
dùng để cấy chìm vi sinh vật và được chia ra một số nhóm theo các dấu hiệu sau:
Theo phương pháp nuôi cấy - các thiết bị hoạt động liên tục và gián đoạn.
Theo độ tiệt trùng - các thiết bị kín và các thiết bị không đòi hỏi độ kín nghiêm
ngặt.
Theo kết cấu - các thiết bị lên men có bộ khuếch tán và tuabin, có máy thông gió
dạng quay, có bộ đảo trộn cơ học, có vòng tuần hoàn bên ngoài; các thiết bị lên men
dạng tháp, có hệ thông gió kiểu phun.
Theo phương pháp cung cấp năng lượng và tổ chức khuấy trộn, thông gió - các
thiết bị cung cấp năng lượng cho pha khí, pha lỏng và pha tổng hợp.

Trong công nghiệp vi sinh thực tế hầu như tất cả các quá trình nuôi cấy sản xuất ra
các chất hoạt hoá sinh học được tiến hành bằng phương pháp gián đoạn trong các điều
kiện tiệt trùng.
10.1. CÁC THIẾT BỊ LÊN MEN NUÔI CẤY VI SINH VẬT TRONG
ĐIỀU KIỆN TIỆT TRÙNG
Nuôi cấy các vi sinh vật phần lớn được tiến hành trong các điều kiện tiệt trùng.
Độ tiệt trùng của quá trình được đảm bảo bằng phương pháp tiệt trùng thiết bị lên men,
các đường ống dẫn, cảm biến dụng cụ; nạp môi trường dinh dưỡng tiệt trùng và giống
cấy thuần chuẩn vào thiết bị lên men đã được tiệt trùng; không khí tiệt trùng để thông
gió canh trường và chất khử bọt tiệt trùng; các dụng cụ cảm biến tiệt trùng trong thiết bị
lên men để kiểm tra và điều chỉnh các thông số của quá trình; bảo vệ vật đệm kín trục
của bộ chuyển đảo, các đường ống công nghệ và phụ tùng trong quá trình nuôi cấy.

196

10.1.1. Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt
Dạng thiết bị lên men này được sử dụng rộng rãi cho các quá trình tiệt trùng để
nuôi cấy vi sinh vật - sản sinh ra các chất hoạt hoá sinh học.
Thiết bị lên men có thể tích 63 m
3
. Dạng thiết bị lên men này là một xilanh đứng
được chế tạo bằng thép X18H10T hay kim loại kép có nắp và đáy hình nón (hình 10.1).
Tỷ lệ chiều cao và đường kính bằng 2,6:1. Trên nắp có bộ dẫn động cho cơ cấu chuyển
đảo và cho khử bọt bằng cơ học; ống nối để nạp môi trường dinh dưỡng, vật liệu cấy,
chất khử bọt, nạp và thải không khí; các cửa quan sát; cửa để đưa vòi rửa; van bảo hiểm
và các khớp nối để cắm các dụng cụ kiểm tra.
Khớp xả 16 ở đáy của thiết bị dùng để tháo canh trường. Bên trong có trục 6
xuyên suốt. Các cơ cấu chuyển đảo được gắn chặt trên trục. Cơ cấu chuyển đảo gồm có
các tuabin 8 có đường kính 600 ÷1000
mm với các cánh rộng 150 ÷ 200 mm
được định vị ở 2 tầng, còn tuabin hở thứ
ba được gắn chặt trên bộ sủi bọt 13 để
phân tán các bọt không khí. Bộ sủi bọt có
dạng hình thoi được làm bằng những ống
đột lỗ. Ở phần trên của bộ sủi bọt có
khoảng 2000 ÷ 3000 lỗ theo kiểu bàn cờ.

Hình 10.1. Thiết bị lên men với bộ
đảo trộn cơ học dạng sủi bọt có
sức chứa 63 m
3
:
1- Động cơ; 2- Hộp giảm tốc; 3- Khớp
nối; 4- Ổ bi; 5- Vòng bít kín; 6- Trục; 7-
Thành thiết bị ; 8- Máy khuấy trộn tuabin;
9- Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn; 10-
Khớp nối; 11- Ống nạp không khí; 12-
Máy trộn kiểu cánh quạt; 13- Bộ sủi bọt;
14- Máy khuấy dạng vít; 15- Ổ đỡ; 16-
Khớp để tháo; 17- Ao; 18- Khớp nạp liệu;
19- Khớp nạp không khí
Động cơ - bộ truyền động làm quay
trục 6 và các cơ cấu đảo trộn 8, 12, 14. Sử
dụng bộ giảm tốc và bộ dẫn động có dòng
điện không đổi để điều chỉnh vô cấp số
vòng quay trong giới hạn 110 ÷ 200 vòng/
phút.
Thiết bị lên men được trang bị áo 17, gồm từ 6 ÷ 8 ô. Mỗi ô có 8 rãnh được chế
tạo bằng thép góc có kích thước 120×60 mm. Diện tích làm việc của áo 60 m
2
. Bề

mặt

197

làm việc bên trong 45 m
2
gồm ống xoắn 9 có đường kính 600 mm với số vít 23 khi tổng
chiều cao của ruột xoắn 2,4 m.
Thiết bị lên men được tính toán để hoạt động dưới áp suất dư 0,25 MPa và để tiệt
trùng ở nhiệt độ 130 ÷ 140
0
C, cũng như để hoạt động dưới chân không. Trong quá trình
nuôi cấy vi sinh vật, áp suất bên trong thiết bị 50 kPa; tiêu hao không khí tiệt trùng đến
1 m
3
/ (m
3
/phút). Chiều cao cột chất lỏng trong thiết bị 5 ÷ 6 m khi chiều cao của thiết bị
hơn 8 m.
Để tiện lợi cho việc thao tác và tránh những sai lầm cần dán vào thiết bị sơ đồ chỉ
dẫn thao tác (hình 10.2).
Để đảm bảo tiệt trùng trong suốt quá trình (giữ được hơi), các trục của cơ cấu
chuyển đảo phải có vòng bít kín. Các vòng bít kín được tính toán để hoạt động ở áp suất
0,28 MPa và áp suất dư không nhỏ hơn 2,7 kPa, nhiệt độ 30 ÷ 250
0
C và số vòng quay
của trục đến 500 vòng/ phút. Nhờ các vòng đệm này mà ngăn ngừa được sự rò rỉ môi
trường hay sự xâm nhập không khí vào khoang thiết bị ở vị trí nhô ra của trục.
Vòng bít kín khi tiếp xúc với môi trường làm việc được chế tạo bằng thép
X18H10T và X17H13M2T, cũng như bằng titan BT-10. Thời gian hoạt động ổn định
của các vòng này không nhỏ hơn 2000 h khi tuổi thọ 8000 h. Độ đảo hướng kính cho
phép của trục trong vùng đệm kín không lớn hơn 0,25 mm, độ đảo chiều trục của trục
không lớn hơn 0,25
0
.
Để sản xuất lớn các chất hoạt hoá sinh học bằng tổng hợp vi sinh, việc ứng dụng
các thiết bị lên men có thể tích 63 m
3
là không kinh tế.
Thiết bị lên men có thể tích 100 m
3
được sản xuất ở Đức. Loại này thuộc thiết bị
xilanh có bộ dẫn động ở dưới cho cơ cấu đảo trộn. Cơ cấu đảo trộn với hai số vòng quay
của trục - 120 và 180 vòng/ phút. Theo dấu hiệu về kết cấu nó gần giống với thiết bị lên
men có thể tích 63 m
3
. Bảo vệ vòng bít kín của trục bằng cửa van dầu, được tiệt trùng ở
nhiệt độ đến 140
0
C. Ngoài ra còn có bít kín dự phòng để mở một cách tự động khi trục
ngừng hoạt động, nhằm bảo vệ vòng bít kín chính của trục và cho phép thay đổi vòng
bít kín chính trong quá trình nuôi cấy để không phá huỷ độ tiệt trùng của canh trường.
Trên trục lắp ba máy khuấy đảo kiểu tuabin dạng mở với đường kính từ 820 đến
1100 mm. Thiết bị lên men có bề mặt trao đổi nhiệt ở bên trong và bên ngoài để thải nhiệt.







198


Hơi
Không khí
tiệt trùng
Rót nước
ngưng
Lấy mẫu
Nướ
33
36
Nướ
Thá
Nướ
Không khí
Dung dịch
chuẩn độ
Cấy
Tháo
Nạp liệu
40
36
3334

Hình 10.2. Sơ đồ chỉ dẫn thao tác của thiết bị lên men:
1- Hơi vào; 2- Không khí tiệt trùng vào; 3- Không khí tiệt trùng hay hơi vào vùng bít
kín; 4- Thoát hơi hay không khí tiệt trùng tới bộ sủi bọt; 5- Hơi hay không khí tiệt trùng
vào thiết bị ở phần trên; 6- Thải hơi hay không khí tiệt trùng tới bộ lấy mẫu thử nghiệm;
7- Thải hơi hay không khí tiệt trùng; 8- Cơ cấu ống nhánh có van điều chỉnh bằng khí
động học; 9- Nạp hơi hay không khí tiệt trùng vào thiết bị ở phần dưới; 10- Tháo nước
ngưng; 11- Ap kế; 12- Van; 13- Ống tháo; 14- Van khoá; 15- Van lấy mẫu; 16- Nạp hơi
hay không khí tiệt trùng khi lấy mẫu; 17- Đoạn ống để nối áp kế kiểm tra; 18, 25- Các
áp kế; 19- Van để nạp vật liệu cấy; 20- Nạp canh trường; 21, 23- Nạp dung dịch chuẩn;
22- Thải hơi hay không khí từ vùng bít kín; 24- Ống nhánh để nạp dung dịch chuẩn; 26-
Cung cấp khí thải từ thiết bị; 27- Cung cấp nước; 28- Van rót; 29- Van để rót nước từ
áo; 30- Van để nạp nước lạnh; 31- Ống nhánh để nạp nước lạnh; 32- Lược; 33- Ap kế;
34- Van an toàn; 35- Cảm biến nhiệt độ; 36, 37- Các dụng cụ thứ cấp để đo nhiệt độ và
độ pH; 38- Cảm biến pH met; 39- Thiết bị lên men; 40- Cơ cấu để làm sạch không khí
Đặc tính kỹ thuật của thiết bị lên men được sản xuất ở Đức:
Thể tích, m
3
:
hình học: 100
làm việc: 70
Diện tích bề mặt, m
2
:
bên ngoài: 89

199

bên trong: 77
Ap suất làm việc, MPa:
trong thiết bị: 0,29
trong ống xoắn: 0,4
Công suất của bộ dẫn động, kW: 120/180
Đường kính, mm: 3600
Chiều cao thiết bị và bộ dẫn động, mm: 14270
Thiết bị lên men của Hãng Nordon (Pháp). Kết cấu của loại thiết bị lên men này
khác với các loại đã nêu ở chổ cơ cấu phần đảo nằm ở dưới trục gồm 6 cánh điều chỉnh
có tiết diện hình chữ nhật, còn cơ cấu cơ học để khử bọt nằm ở phía trên gồm hai cánh
(tiết diện hình chữ nhật) có các gờ cứng. Khi nuôi cấy nấm mốc, các cánh của cơ cấu
chuyển đảo được nghiêng dưới một góc 33 ÷ 34
0
. Hình 10.3 mô tả sơ đồ bít kín trục nhờ
6 lớp đệm vòng khít được gia công sơ bộ dung dịch 0,5 % phenol tinh thể. Các lớp ép
chặt lại trong ống bọc nhờ các gugiông (vít cấy). Đệm vòng khít 2 chèn lắp giữa trục 1
và cốc đột lỗ 3. Hai khớp nối 8 được dẫn tới các lỗ cốc. Hơi nạp theo các khớp nối này
để tiệt trùng các vòng bít. Tiệt trùng ở nhiệt độ 135
0
C trong 1 h. Nước ngưng chảy vào
phần dưới và được thải ra qua khớp nối 9. Khi kết thúc quá trình tiệt trùng khớp tháo
nước ngưng được đóng lại và không khí tiệt trùng qua khớp 5 vào cơ cấu bít kín. Trong
thời gian của quá trình nuôi cấy, áp suất không khí được giữ ở mức 0,2 ÷ 0,4 MPa.
Sau khi tiệt trùng thiết bị và hạ áp suất đến áp suất khí quyển thì nạp tự động
không khí tiệt trùng để tạo áp suất 0,2 MPa, và chỉ có sau đó mới nạp nước làm lạnh vào
thiết bị. Tháo chất lỏng canh trường ra khỏi thiết bị nhờ không khí nén được tiệt trùng.




Hình 10.3. Bít kín trục của
thiết bị lên men:
1- Trục; 2- Đệm vòng kín; 3- Cốc đột lỗ;
4- Vỏ của bộ nút kín; 5- Khớp nối để dẫn
không khí tiệt trùng; 6- Ống lót ép;
7- Gugiông; 8- Khớp nối để nạp khí;
9- Khớp nối để thải nước ngưng


200

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×