Аэролифтные ферментеры для ферментации жидкого мицелия грибов

Аэролифтные ферментеры для ферментации жидкого мицелия грибов

Аэрифтовые ферментеры (также известные как аэрифтовые реакторы) широко используются и хорошо зарекомендовали себя в производстве жидкого мицелия для съедобных грибов. Они особенно подходят для штаммов с хрупким мицелием, чувствительным к сдвиговым нагрузкам, и в настоящее время представляют собой основной тип ферментационных емкостей в отрасли.

В основе массопереноса газ-жидкость в этих ферментерах лежит использование кинетической энергии газа для обеспечения циркуляции жидкости, что позволяет эффективно переносить газовую фазу (например, кислород) в жидкую фазу (например, ферментационную среду). В аэрационных ферментерах отсутствуют механические мешалки; вместо этого массоперенос и перемешивание полностью обеспечиваются аэрацией. В отличие от механически перемешиваемых резервуаров, они не имеют движущихся частей, что обеспечивает значительные преимущества, такие как простая конструкция, низкое энергопотребление и минимальное повреждение биологических клеток в результате сдвиговых воздействий.

Процесс массопереноса основан на механизме «газоподъем – циркуляционное перемешивание – межфазный массоперенос».

I. Принцип работы: Циркуляция "воздушным потоком", обусловленная разницей плотностей.
Проще говоря, циркуляция жидкости, осуществляемая за счет разницы плотностей и создающая эффект «воздушного подъема», является источником ее перемешивания и обновления:

1. Впрыск газа и его разрушение:
Сжатый воздух подается в жидкость с высокой скоростью через форсунки или газораспределители, расположенные в нижней части резервуара (обычно в стояковой секции). Высокоскоростной поток воздуха разбивает газ на множество мельчайших пузырьков, значительно увеличивая площадь контакта газа и жидкости.

2. Циркуляция, осуществляемая с помощью "воздушного транспорта":
Наличие большого количества пузырьков приводит к тому, что средняя плотность жидкости в восходящей секции значительно ниже, чем в нисходящей секции (в некоторых ферментерах для этого используется вытяжная трубка). Градиент давления, возникающий из-за этой разницы в плотности, в сочетании с восходящей кинетической энергией газа, приводит жидкость в движение, образуя направленный циркуляционный поток внутри реактора.

3. Контакт и реакция:
По мере подъема пузырьков и циркуляции жидкости кислород из газовой фазы непрерывно пересекает границу раздела газ-жидкость и растворяется в жидкой фазе, обеспечивая микроорганизмы для роста или способствуя химическим реакциям.

4. Выброс газа и возврат жидкости:
Достигнув верхней части резервуара, газожидкостная смесь разделяется; газ (например, CO₂, образующийся в результате микробного дыхания) выходит с поверхности жидкости. По мере увеличения плотности дегазированной жидкости она стекает вниз, за ​​пределы вытяжной трубы, и возвращается на дно резервуара, чтобы снова попасть в циркуляционный контур.

II. Основная структура (тип внутренней циркуляции – стандарт для грибов)

1. Корпус танка
Материал: нержавеющая сталь 316 или 304; Тип: резервуар с рубашкой охлаждения или резервуар с змеевидным теплообменником.
Коэффициент рабочего объема: 80–90%; если отношение высоты к диаметру слишком низкое, циркуляция слабая; если слишком высокое, сопротивление циркуляции возрастает.

2. Вытяжная труба
(Трубка восходящего потока) В настоящее время используется в небольших лабораторных резервуарах; редко встречается в резервуарах большого масштаба. Это соосный цилиндр внутри резервуара; диаметр отводящей трубки / диаметр резервуара = 0,6–0,8. Внутренняя часть трубки служит зоной восходящего потока, а кольцевое пространство между трубкой и стенкой резервуара — зоной нисходящего потока.

3. Газораспределитель / Насадка
Расположен в нижней части вытяжной трубы; разбивает воздух на микропузырьки, определяя размер пузырьков и коэффициент массопереноса ($k_L a$). Формы распределителей включают диски, крестообразные и т. д.

4. Верхняя зона разделения газа и жидкости
Пузырьки лопаются, выпуская отработанные газы, а жидкость меняет направление и течет вниз через кольцевое пространство.

5. Вспомогательное оборудование (для контроля качества, регулирования температуры, технологических трубопроводов и т. д.)
Теплообмен через змеевики с рубашкой или змеевидные трубки; датчики pH/растворенного кислорода/температуры; порты для мойки на месте (CIP); порты для отбора проб, слива и подачи.

III. Преимущества аэрационных ферментеров

1. Простая конструкция и низкая стоимость:
В ферментерах с пневматической подачей сусла отсутствуют сложные механизмы механического перемешивания, что приводит к снижению производственных затрат, а также упрощению эксплуатации и технического обслуживания.

2. Эффективный массоперенос и снижение энергопотребления:
Уникальная циркуляция с использованием «аэролифтного» механизма обеспечивает эффективную передачу кислорода. При этом энергопотребление примерно на 75% ниже, чем у традиционных ферментеров с механическим перемешиванием, что обеспечивает значительное преимущество в стоимости при крупномасштабном производстве.

3. Низкое усилие сдвига; защищает мицелий:
Это ключевое преимущество аэрационных ферментеров в индустрии съедобных грибов. Используя поток воздуха для перемешивания, они наносят мицелию минимальный механический ущерб, что делает их идеальными для выращивания сортов съедобных грибов с хрупким мицелием, чувствительным к механическим воздействиям.

4. Высокий коэффициент нагрузки:
В ферментерах с пневматической подачей сусла коэффициент загрузки может превышать 80%, что обеспечивает высокую эффективность использования оборудования.

5. Низкий риск загрязнения:
Упрощение систем воздушного охлаждения и фильтрации эффективно снижает риск заражения нежелательными микроорганизмами, тем самым обеспечивая качество культуры.

IV. Коэффициенты газосодержания и массопереноса в барботажных ферментерах

1. Газосодержание (ε):
Это относится к отношению объема газовой фазы к общему объему реактора. Более высокое газосодержание подразумевает большее количество пузырьков на единицу объема и большую площадь контакта газа и жидкости, что является основой для эффективного массопереноса.

2. Объемный коэффициент массопереноса (кЛа):
Это наиболее прямой и важный параметр для измерения скорости массопереноса. Он учитывает влияние движущей силы массопереноса и площади контакта; более высокое значение kLa указывает на большее количество газа, переносимого на единицу объема в единицу времени.

Анализ путей массопереноса:
Воздух → распределение газа с образованием пузырьков → движение пузырьков вверх; кислород растворяется на границе раздела газ-жидкость в жидкой фазе; циркуляция распределяет растворенный кислород по всему резервуару; CO₂ выходит в обратном направлении из жидкой фазы в пузырьки для сброса.

Объемный коэффициент переноса кислорода (kLa) является наиболее важным показателем для аэрационных ферментеров и зависит от четырех переменных: скорости аэрации, диаметра пузырьков, газосодержания и скорости циркуляции жидкости.

V. Практическая схема технологического процесса

Первый этап культивирования: инокулируйте культуру из колбы для встряхивания в реактор первого этапа культивирования. Этот этап подходит для медленно растущих штаммов или в качестве предварительного этапа культивирования для очень больших производственных резервуаров.

Культивирование на втором этапе масштабирования: в реактор второго этапа вносят определенное количество культуры первого этапа; дальнейшее культивирование позволяет получить большое количество инокулята для производства.

В процессе фактического производства для большинства сортов культура, выращенная в колбе с перемешиванием, инокулируется непосредственно в производственный резервуар.

В заключение, благодаря своим значительным преимуществам — высокой эффективности, низкому энергопотреблению и малой силе сдвига — аэрационные ферментеры стали крайне ценной ключевой технологией для производства жидкого мицелия съедобных грибов. Они не только решают проблему низкой эффективности, связанную с традиционными процессами производства твердого мицелия, но и предоставляют надежное техническое решение для достижения крупномасштабного и недорогого производства съедобных грибов.