Обоснование значений газосодержания в оборудовании микробного синтеза
Кокиева Г.Е., Протодьяконова Г.П., Нифонтов К.Р.
Якутская государственная сельскохозяйственная академия
Аннотация
В статье рассматривается конструктивная особенность аппарата для культивирования микроорганизмов, которая напрямую влияет на расчёт скоростей жидкой фазы в газожидкостном потоке. Скорость газожидкостного потока зависит от скорости газа, физических и химических свойств среды, вязкости среды, газосодержания в барботажной и циркуляционной зонах и других параметров гидравлики и гидродинамики
Ключевые слова: массообмен, аппарат, биореактор, массопередача, газосодержание, производительность, циркуляция, зона
Массообмен, газосодержание в аппарате для культивирования микроорганизмов, выбор штамма микроорганизма играют большую роль в процессе микробного синтеза. Массообмен играет решающую роль в достижении заданной производительности аппарата, если соблюдаются технологические и микробиологические условия.
На рис. 1 приведена структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов, состоящая из трёх зон:
- зона 1 - зона интенсивной массопередачи;
- зона 2 - зона охлаждения, включающая объём биореактора, в корпусе которого находится теплообменник; в этой зоне наряду с массопередачей и биосинтезом происходит охлаждение среды;
- зона 3 - циркуляционная зона; в этой зоне уменьшается газосодержание среды и интенсивность массопередачи.
Рис.1. Структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов:
1 -зона интенсивной массопередачи; 2 - зона охлаждения; 3 -зона циркуляции
На поверхности культуральной среды в процессе культивирования микроорганизмов образуется пена. Диаметр пенного пузырька определяется размером отверстий в барботере и физико-химическими свойствами культуральной жидкости:
, (1)
где: d-диаметр отверстия;
?-поверхностное натяжение;
q - ускорение свободного падения;
рж -плотность жидкости;
рr- плотность газа.
Тогда количество пузырьков:
, (2)
где Vr -общий объемный расход воздуха при нормальных условиях.
Содержание кислорода в оборудовании при научном обосновании значений газосодержания в аппаратах микробного синтеза, осуществляющих подвод кислорода [1-4], рассчитывается по формуле:
(3)
Для колонны с подводом кислорода:
(4)
Для газлифтной колонны:
(5)
При исследовании процесса абсорбции кислорода в питательной среде различной вязкости для расчета газосодержания принято уравнение:
(6)
где D - диаметр аппарата.
На данный период времени рядом ученых проведены систематические исследования [5-8] и даны рекомендации для определения ц следующей зависимостью:
(7)
При исследовании газосодержания в рециркуляционной колонне диаметром ? 0.15 м и высотой Н =10.5 м авторами [4, 7] было получено следующее уравнение:
(8)
По данным [9, 10], при исследованиях на модели аппарата, изготовленной из стеклянных труб высотой 3 метра и диаметрами 0,055; 0,08 и 0,11 м, получена зависимость, которая позволяет определять скорость жидкости в транспортных Эрлифтах (газлифтах):
2 (9)
Здесь о - суммарное гидравлическое сопротивление эрлифта, равное:
о = 0,5+л 0,5 +0,2, (10)
где: л - коэффициент гидравлического трения при движении в трубе жидкости с той же приведенной скоростью;
0 - газосодержание в месте выхода потока из эрлифта.
Для расчета , по данным [3, 11-14], рекомендуется использовать уравнение Бернулли, преобразованное для циркуляционного контура, следующего вида:
H() *g = б+?Pц (11)
На данный момент в процессе производства кормового белка при культивировании микроорганизмов в культуральной жидкости происходит ряд реакций в ферментационной жидкости с кислородом. Рядом авторов [7, 11] для реакций с кислородом жидкостей, получивших широкое распространение в промышленности, для расчета Wж рекомендуется зависимость:
H()*g = .
(12)
Данный расчет выполняется методом приближений по одному из выбранных уравнений, которые подходят для определений газосодержания в культуральной среде. При давлении до 4 мпа на среде со свойствами, близкими к свойствам системы «вода-воздух», и соотношении барботажных и циркуляционных зон ѓб*ѓц-1=1, приближенном к значение приведенной скорости жидкости, этими же авторами предлагается рассчитать Wж по упрощенному уравнению:
Wж = 3,5 (13)
где оk = 5,1+0,03( )- коэффициент сопротивления циркуляционного контура.
На поверхности раздела газ-жидкость воздушного пузырька образуются воздушные пленки. Они проходят через культуру, затрудняют диффузию кислорода по объему ферментатора и снижают образовавшееся сопротивление.
Исследованию процессов абсорбции кислорода в ферментаторах посвящен ряд работ [1, 7, 11].
Если рассматривать данный случай при плохо растворимом газе (кислород), значения mpc и Kr велики, и диффузионным сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь, и соблюдается неравенство:
, (14)
Откуда следует:
(15)
На основании равенства уравнение массопередачи:
=*х,
Левый член уравнения: , называющегося скоростью объемного массопереноса кислорода, или скоростью растворения кислорода, для абсорбции кислорода воздуха культуральной жидкостью запишется в следующем виде:
. (16)
культивирование микроорганизм газожидкостный поток ферментаторы
Список использованных источников
1. Кокиева Г.Е. Анализ особенностей эксплуатации аппаратов для культивирования. Сб. Потенциал развития отрасли связи Байкальского региона. - Новосибирск. - 2013.
2. Кокиева Г.Е. Анализ технологии измерения рабочих поверхностей при дефектации аппаратов для культивирования микроорганизмов. Научно-технический Вестник Поволжья. Сб. №3, 2014. - Казань.
3. Юдин Э.Г. Системный подход и принципы деятельности. - М.: Наука. - 1978. - 392 с.
4. Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин. - М.: Мир. - 1977. 522 с.
5. Шарифуллин В.Н., Бояринов А.И., Гумеров А.М. Связь перемешивания и массопередачи на примере барботажно-эрлифтного аппарата. В кн.: Массообменные процессы и аппараты химической технологии. - Казань. - 1980. - С. 17-18.
6. Шебатин В.Г., Доманский И.В. и др. Эрлифтное транспортирование жидкостей и суспензий // ЖРХ. - 1977, №4. - С. 86-87.
7. Черноиванов В.И. Совершенствование техники: автореф. дис…д-ра техн. наук. - Л. - 1984. - 54 с.
8. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления: Учебное пособие. - Спб.: Питер. - 2004. - 256 с.
9. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента // Пер. с англ. Е.К. Коваленко. - М.: Мир. - 1972. - 384 с.
10. Юдинг В.М. Ресурсосберегающие технологии при ремонте машин: автореф. дис… д-ра техн. наук. - М. - 2001. - 35 с.
11. Яковлев Н.А., Соломаха Г.П. Об учете энергии газового потока при изучении массопереноса в аппаратах с мешалками. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах. - М.: НИИТЭхим. - 1976. С. 123-126.
12. Якушкин В.А. Исследование и разработка методики расчета трубчатых газлифтных аппаратов для выращивания кормовых дрожжей: автореферат канд. дисс. ЛТИ им. Ленсовета. - Л. - 1974. - 23 с.
13. Янчевский В.К., Коваленко В.И., Шевченко В.И. Интенсификация биосинтеза дрожжевой биомассы в бродильных производствах / Обз. инф. АгроНИИТЭИПП. Спиртовая и ликероводочная промышленность. - 1984, № 4. - 20 с.
14. Черноиванов В.И. Организация и технология восстановления деталей машин. - М.: Агропромиздат. - 1989. - 336 с.