Что такое ферментер?

Ферментер – специальная емкость, предназначенная для обеспечения условий развития микроорганизмов.

Работа емкости предполагает соблюдение определенных требований, обеспечивающих необходимую скорость роста микроорганизмов:

• обеспечение необходимых климатических факторов;
• поддержание необходимого давления;
• обязательное регулярное перемешивание массы с необходимой скоростью;
• возможность отвода образующихся газов (сернистый/углекислый).

Ферментер (биореактор) предназначен для того, чтобы решать следующие задачи:

• выращивание микроорганизмов и различных клеток (культур, растений), фотосентизирующих бактерий, мха, микроводорослей;
• проведение исследований для нужд науки и промышленности;
• изучение и оптимизация процессов ферментации.

Ферментер — основная часть биогазовой установки, которая представляет из себя комплекс технических сооружений и аппаратов, объединенных в единый технологический цикл. Она вырабатывает биогаз, который является экологически чистым топливом.

Конструкция ферментера во многом зависит от того, какая технология сбраживания сырья предусмотрена в биогазовой станции (сухая или влажная):

• сбраживание с полным перемешиванием;
• сбраживание с продольным перемешиванием;
• периодический процесс сбраживания.

Существуют и установки, сочетающие в себе сразу несколько процессов.

Как показывают исследования, именно на такую технологию рассчитаны более 90% метатанков, использующихся сегодня в мире биогазовых установок. Такой ферментер имеет цилиндрическую форму, расположенную на бетонном фундаменте со стенками, выполненными из стали или железобетона. Крыша ферментера выполняется из герметичного материала. Такая конструкция предполагает изготовление емкости большого объема (более 6000 куб. м.), а также возможность использования любого вида исходного сырья. Биореактор с полным перемешиванием обычно используется для переработки влажных масс.

Использование продольного перемешивания сильно ограничивает габариты биореактора. Эффективность продольного смешивания достигается в случае, если ферментер имеет объем до 800 куб. м. (для горизонтального исполнения) и до 2500 кв. м. (для вертикального исполнения). Такие емкости обычно выполняются из стали. Кроме того, ферментер горизонтального типа может одновременно выступать в качестве модуля первичной ферментации крупных биогазовых установок. Метатанк с продольным перемешиванием может использоваться как для сухого сбраживания, так и для влажного.

Такая технология предусматривает наличие в биоустановке сразу нескольких герметичных метатанков, которые соединяются параллельно. Каждый блок заполняется биомассой в отдельном режиме. Подобное технологическое решение может быть реализовано как на базе мобильных систем контейнерного типа, так и на базе стационарного стального или железобетонного ферментера. Такая биоустановка отлично подходит для проведения сухой ферментации.

Протекающие внутри ферментера микробиологические процессы можно классифицировать следующим образом:

• анаэробный или аэробный;
• поверхностный или глубинный;
• периодический или непрерывный.

Наиболее распространенным в промышленной сфере является процесс глубинного развития микроорганизмов, происходящий в питательной среде жидкой консистенции. Отличительная особенность, позволяющая выделить этот процесс среди прочих – наличие нескольких этапов, итогом которых является преобразование следующего типа: «газ – жидкость – твердое тело». В качестве твердого тела (клеток) может выступать какое-либо нерастворимое в жидкости вещество (например, н-парафин или что-то подобное).

Обязательная составляющая процесса культивирования микроорганизмов – выделение тепла. Это происходит даже в тех случаях, когда процесс осуществляется в лабораторных условиях. Конечно в лабораторных условиях, где используются небольшие емкости, получить большое количество тепла невозможно. Однако при использовании ферментеров больших емкостей возможно получить достаточно большой объем выделяемого тепла.

Важная часть процесса культивации лабораторного или промышленного масштаба –поддержание постоянной температуры всей массы вещества на протяжении всего процесса реакции.

В зависимости от количества перерабатываемой исходной массы биореакторы делятся на два типа: лабораторные и промышленные.

Лабораторные ферментеры используются в различных лабораториях для культивирования микроорганизмов, разведения ферментов, грибов, культур в небольших масштабах. Как правило, в данном случае осуществляется воспроизведение образцов для целей их изучения.
Устройство ферментера лабораторного типа достаточно простое – блок обеспечения и непосредственно емкость биореактора (одна или несколько).

Задача блока обеспечения – поддержание параметров, необходимых для развития микроорганизмов. В его состав входят:

• насосное оборудование (для отвода углекислого газа, перекачки воздуха);
• оборудование для поддержания параметров процесса (датчики температуры, давления и т.п.).

Ферментеры промышленные. Основная сфера применения – фармацевтическая и микробиологическая промышленность. Как правило, используются для выращивания дрожжей, грибов и бактерий, синтезирования антибиотиков, белков, биоактивных веществ и иных веществ.
В таких устройствах блоки контроля представлены в виде сложных системных модулей, как правило, интегрированных в биореакторы. Они регулируются в автоматическом режиме посредством использования специального программного обеспечения.

Ферментеры промышленного типа могут иметь емкость до 20 000 литров и использоваться для производства товаров в больших масштабах. Работа с таким объемом веществ требует полного контроля происходящих процессов на каждом этапе. Поэтому работа промышленного биореактора предполагает выполнение всех операций полностью в автоматическом режиме. Благодаря работе автоматики, оптимизируются эксплуатационные затраты и повышается качество и количество синтезируемого продукта.

Важным условиям для нормального прохождения сбраживания сырья является его перемешивание. Это позволяет повысить однородность биомассы и исключить образование корки, а также обеспечить одинаковое развитие в ней микроорганизмов, способствующих разложению и выделению биогаза. Помимо этого, перемешивание позволяет распределить тепло по всей биомассе, обеспечивая ее равномерный прогрев.

Существуют следующие способы перемешивания биомассы:

• механическое;
• гидравлическое;
• пневматическое.

Механическое предполагает использование осевой мешалки, мешалки с наклонной осью или погружной мешалки.

Гидравлическое перемешивание осуществляются путем подачи биомассы через насосы и форсунки, в результате чего сами потоки сырья обеспечивают перемешивание. Недостатком такого типа перемешивания является то, что он может использоваться исключительно в установках, рассчитанных на жидкое ферментирование, поскольку не позволяет исключить образования тонких плавающих слоев сырья.

Пневматическое перемешивание осуществляется путем добавления пузырьков биогаза непосредственно в емкость с биомассой. Однако такой вариант также не обеспечивает полной однородности массы и, кроме того, на поверхности нередко образуются застывшие корки и плавающие слои.

Поддержание необходимой для протекания процессов разложения температуры возможно только при условии постоянного подогрева биомассы и наличия надежного контура теплоизоляции ферментатора. Процесс разложения может протекать и без внешнего подогрева, однако в этом случае он займет несколько месяцев, а выход конечного продукта будет не таким эффективным. Поэтому обогрев биомассы со стороны – важная часть эффективного течения процессов как при сухой, так и при влажной ферментации.

Теплоизоляция обеспечивает постоянное сохранение тепла внутри биореактора на уровне, необходимом для жизнедеятельности микроорганизмов и оптимального течения процессов брожения. Теплоизоляционный слой обычно выполняется из пеностекла или утеплителей на основе минеральных волокон.

Стоимость оборудования достаточно высока и зависит в первую очередь от функциональности системного блока и объемов емкости.

Стоит обратить внимание на ферментеры производства компании BioRus. Их основные преимущества:

• компактные размеры;
• эргономичность;
• возможность подключения сразу нескольких емкостей, которые будут функционировать под общим управлением;
• понятная система настройки;
• возможность использования нескольких съемных емкостей;
• возможность подключения дополнительного оборудования (например, специализированного ротор-фильтра, который позволяет осуществлять выращивание клеток с использованием режима перфузии);
• возможность объединения в единую систему до четырех ферментаторов различных объемов, которая будет управляться с одного компьютера, иметь один источник питания (газ, вода, электроэнергия), но при этом сохранять возможность индивидуальной настройки каждого из подключенных биореакторов.

В комплекте с биореактором поставляются специализированные программные продукты на основе SCADA, что позволяет визуализировать получаемые данные, настраивать сигнальные точки, экспортировать полученные результаты.