CC BY
15
Хвойные бореальной зоны, XXXVII, № 5 - 6, 2016
УДК 663.14.033
к вопросу производства продуктов защитного характера для древесных насаждений скверов и парков современных городов
А.П. Руденко, И.И. Букельманов, Д.В. Краснояров
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет», 660049 Красноярск, пр. Мира,82.
В работе представлены результаты исследований, выполненных в процессе поиска получения продуктов микробиологического производства, востребованных для эффективной защиты древесных насаждений различного функционального использования. В крупных городах с достаточно развитой сетью промышленных предприятий и развитой транспортной системой всегда имеет место неблагоприятная среда, оказывающая отрицательное влияние на здоровье горожан. В этом случае трудно переоценить благотворную роль зеленых насаждений в парках, скверах и внутриквартальных территориях. Для производства продуктов защитного характера для древесных насаждений необходимо современное высокопроизводительное технологическое оборудование, позволяющее получать продукцию требуемого качества при минимальных материальных и энергетических затратах. Разработке теоретических положений и рекомендаций практического характера в рамках разрешения указанной проблемы и посвящена данная работа.
Ключевые слова: биопрепарат, биореактор, культивирование, гидродинамика, перемешивание, ротор
In this article there are represented the results of the research, made during the search process of getting of the microbiological production products, requested for the effective protection of tree plantations of different functional using. There is always adverse environment, exerting a detrimental effect on health of citizens in large cities with the well-developed chain of the manufacturing plants and developed transport system. In this case it is difficult to over-estimate a wholesome role of green plantings in parks, public gardens and intradistrict areas. The modern high efficiency processing equipment, which allows to get output of the required quality at minimum material and energy expenses is necessary for the production of protective sort products for the tree plantations. This article is devoted to the working-out of abstract theorems and recommended practices in terms of the solution for this problem.
Keywords: biological, bioreactor, cultivation, hydrodynamics, mixing, rotor
Важной задачей современной биотехнологии является разработка эффективных экологически безопасных методов защиты растений от распространения различных заболеваний (микозов, бактериозов). Практическое применение методов биологической защиты леса, в особенности ценных хвойных пород, позволяет успешнее проводить работу по искусственному лесовосстановлению и ограничению массового распространения заболеваний в лесных питомниках.
Кроме этого, особо важным в этом случае, как нам представляется, является практическое использование методов биологической защиты в условиях урбанизации, бурного роста населения городов в нашей стране при их озеленении, создании «легких» для городов - гигантов.
Внимание ряда ученых привлечено к использованию живых культур актиномицетов в качестве средства борьбы с болезнями растений, в том числе для защиты сеянцев древесных пород от возбудителей сосудистых микозов (Аскарова, 1970; Тулемисова и др.,1983; Dumroese R.K. et. al., 1998; Егорова, 2003). Использование биопрепаратов, созданных на основе актиномицетов, также чрезвычайно эффективно для стимулирования роста растений, повышения выживаемости и патогеноустойчивости сеянцев.
Однако промышленное культивирование акти-номицетов связано с определенными трудностями.
На данный момент не существует промышленного варианта технологии глубинного культивирования мицелиальных форм прокариот. Сложность создания промышленного характера технологии глубинного культивирования заключается в неспособности акти-номицетов формировать жизнеспособность мицелий в условиях постоянных механических повреждений, получаемых гифами при интенсивном перемешивании. В то же время, использование метода поверхностного культивирования не позволяет в необходимом объеме осуществить получение достаточного для создания биопрепаратов количества биомассы и метаболитов актиномицета. В промышленности, как известно, в условиях преимущественного применения процесса вынужденного перемешивания, для его интенсификации используют механическую энергию вращающегося органа в аппаратах данного функционального назначения.
Траектории потоков суспензии или линии тока в проточной полости корпуса аппаратов для перемешивания в процессе эксплуатации мешалки могут иметь определенную конфигурацию: а) радиальные линии тока - в проточной полости аппаратов с турбинными мешалками с прямыми лопатками и с вертикальными отражательными перегородками на боковой внутренней поверхности корпуса; б) осевые линии тока - в проточной полости аппаратов с пропеллерными или
А.П.Руденко, И.И. Букельманов и др. К вопросу производства продуктов защитного характера для древесных насаждений.
турбинными мешалками с наклонными лопатками.
В обоих случаях в процессе эксплуатации аппаратов для перемешивания имеют место существенные недостатки, сохраняющиеся в неизменном виде достаточно долго по причине отсутствия исследований, направленных на их устранение. Положение коренным образом начало изменяться в положительном направлении в конце прошлого века.
В результате скрупулезно выполненного авторами анализа эксплуатации биореакторов с типовыми механическими мешалками, а также данными других исследователей (Егорова и др.,2003; Винаров и др., 2004) была выявлена следующая группа существенных недостатков:
1. По причине хаотичного, неорганизованного перемешивания в проточной полости аппарата возникает довольно мало эффективный массообмен, в большинстве случаев недостаточный для жизнеобеспечения многих культур клеток и микроорганизмов.
2. В процессе перемешивания образуются высоко турбулентные или застойные зоны, снижающие интенсивное и равномерное перемешивание продукта во всем объеме аппарата, вследствие чего подвод питания к клеткам и отвод метаболитов снижается, а себестоимость готового продукта повышается.
3. При попытках интенсифицировать массообмен путем увеличения частоты вращения мешалки имеет место рост энергопотребления и в процессе культивирования - гибель микроорганизмов из-за физико-механического воздействия на них лопастей мешалки посредством возникающих возле них срезывающего характера напряжений.
4. Наличие обильного пенообразования не позволяет использовать весь рабочий объем аппарата, а применение химического пеногасителя снижает качество конечного продукта и удорожает процесс.
5. Вариант установки дополнительного комплекта перемешивающего оборудования предполагает наряду с первоначальными капитальными затратами повышение текущих эксплуатационных расходов.
Перечисленные недостатки перемешивающих устройств указывают на то, что в настоящее время в биотехнологической отрасли промышленности актуальна разработка технологий и оборудования в большей степени отвечающих условиям производства конкурентоспособной продукции.
При создавшейся ситуации особую актуальность приобретают результаты системного изучения гидродинамических процессов в проточных полостях аппаратов перемешивающего назначения.
К сожалению, до настоящего момента сохранялся определенный разрыв между теорией и практикой в отношении одного из основных перемешивающих аппаратов - биореакторов, заключающийся в отсутствии аналитических зависимостей, позволяющих достаточно достоверно производить расчеты полей скоростей и давлений в проточной полости перемешивающих аппаратов. Это, в свою очередь, исключало в определенной степени наличие необходимых представлений о реальном режиме движения
суспензии, что тем самым, не позволяло выполнить оптимизацию процесса перемешивания в отношении производимых на его осуществление энергетических затрат.
В данной ситуации, продуктивно используя полученные результаты, предварительно выполненных теоретических и экспериментальных исследований, учеными СибГТУ была разработана конструкция нового многофункционального емкостного аппарата (Руденко и др, 2003, 2006, 2011) для выполнения основных технологических операций:
а) равномерного распределение питательной среды по всему объему аппарата;
б) исключению пенообразования в жидкой рабочей среде;
в) увеличению качественных показателей готового продукта.
В конструкции данного многофункционального емкостного аппарата в качестве перемешивающего органа был использован разработанный авторами ротор шнекового типа. Пространственная конструкция корпуса ротора шнекового типа представляла собой геометрическое построение косого геликоида.
Конструктивное исполнение ротора геликоидального типа трехканальным было произведено, исходя из принятой в качестве одной из основополагающих концепций, заключающейся в том, что достижение безотрывного движения потока суспензии в канале ротора возможно тогда и только тогда, когда угол между образующей тела ротора геликоидального типа и вектором абсолютной скорости потока суспензии в канале ротора не превышает 12-14о (Терентьев, 1980), что, тем самым, обеспечивает наличие оптимальных кинематических параметров движения суспензии.
В процессе использования в проточной полости перемешивающих аппаратов роторов геликоидального типа, в отличие от всех существующих до настоящего времени конструкций перемешивающих органов, позволяет прогнозировать гидродинамическую картину движения потоков суспензии в проточной полости емкостного аппарата, исключая при этом «жесткое» механическое воздействие на твердую фазу рабочей суспензии. Наряду с прогнозированием, что не менее важно, реально появляется инструмент управления потоком суспензии в проточной полости емкостного аппарата. Характер движения потока суспензии в проточной полости емкостного аппарата способствует исключению вероятности появления застойных зон как стационарного, так и динамического характера.
Этому обстоятельству в значительной степени способствует максимальное увеличение степени циркуляции суспензии в проточной полости емкостного аппарата. Выполнение этого условия при одновременном требовании минимальных энергозатрат было реализовано конструктивно, как отмечалось выше, путем совместного профилирования корпуса аппарата и пространственной геометрии ротора (Иванов Д. и др.,2012).
Проведенные экспериментальные исследования (Иванов К.и др.,2013) газодинамики, массообменных процессов и гидродинамики движения культуральной
Хвойные бореальной зоны, XXXVII, № 5 - 6, 2016
жидкости в проточной полости биореактора показали существенные преимущества аппаратов с профилированными корпусными элементами и с ротором геликоидального типа, обеспечивающих интенсивную абсорбцию газа в жидкой среде при оптимальных затратах электроэнергии.
Благодаря механической и гидродинамической дисперсии пузырьков газа и высокой степени циркуляции культуральной жидкости в меридиональной плоскости в проточной полости аппарата по всему его объему имеют место условия, обеспечивающие равномерное распределение концентрации газа и повышение межфазной поверхности в среде аэробных культур, что существенным образом оказывает положительное влияние на качество получаемой продукции.
Анализ экспериментальных исследований показал (Иванов К.и др.,2013), что рост актиномицетов увеличился почти в три раза по сравнению с результатами, которые были получены при использовании серийного ферментера.
Практическое использование, точнее приоритетность областей применения разработанных прогрессивных конструкций биореакторов, на наш взгляд, должна быть реализована, в первую очередь, в обеспечении комфортных условий существования зеленых насаждений парков и скверов больших и малых городов и населенных пунктов нашей страны.
Обеспечение в необходимом количестве биопрепаратами, а именно актиномицетами, подразделений городских организаций зеленого хозяйства, создает реальные условия своевременной и высокоэффективной организации материального снабжения древесных насаждений с целью их достаточно долговременного использования в парках и скверах, создавая тем самым комфортные условия проживания горожан, особенно младшего и пожилого возраста.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙТ СПИСОК
Аскарова С. А. Актиномицеты-антагонисты фитопатоген-ных микроорганизмов и их роль в устойчивости хлоп-
чатника к вертициллезному вилту. Автореф.дисс. докт. биол.нук, Ташкент, 1970.- 45с.;
Тулемисова К.А. Игина Е.Ф., Никитина Е.Т. Штамм Streptomyces griseoruber 3-79 №314 продуцент антибиотика для борьбы со слизистым бактериозом капусты / Авт. свид. СССР № 1042.349.- Ин-т микробиологии и вирус. АН Каз.ССР. 16.05.1983.- 8с
Dumroese R.K., James R.L., Wenny D.L. Interaction among Streptomyces griseoviridis, Fusarium root disease, and Douglas-fir seedlings // New Forest, 1998.-15 -P.181-191.
Егорова, Т. А. Основы биотехнологии [Текст] : учеб. пособие для высш. пед. учеб.заведений / Т.А.Егорова, С.М.Клунова, Е.А. Живухина. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 208с.
Винаров, А.Ю. Лабораторные и промышленные ферментеры: учебн. пособ. [Текст] / А.Ю. Винаров, А.А. Ку-харенко, В.И. Панфилов. - РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2004. - 97 с.
Руденко А.П., Еременко В.В. Емкостной аппарат непрерывного действия // Патент РФ 2235584, 2003.
Руденко А.П., Еременко В.В. Емкостной аппарат непрерывного действия // Патент РФ 2349375, 2006.
Руденко А.П., Иванов Д.А., Иванов К.А.. Аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов // Патент РФ 2453589, 2011.
Иванов Д.А., Иванов К.А., Руденко А.П., Аппарат для перемешивания // Патент РФ 2508936, 2011.
Иванов К.А. Создание аппаратов для выращивания мице-лиальных форм микроорганизмов с использованием имитационного моделирования [Текст] / К.А. Иванов, Д.А. Иванов, А.П.Руденко // Биотехнология. - 2012. -№2. - С. 80-86.
Терентьев О.А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве, Москва, Лесная промышленность, 1980.
Иванов, К.А. Совершенствование газожидкостных биореакторов на основе роторов геликоидального типа [Текст] : дис. ... канд. тех. наук : 03.01.06 : защищена 29.112013 / К.А.Иванов. - Красноярск, 2013. - 153 с.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.
Поступила в редакцию 21.07.16 Принята к печати 29.12.16
