CC BY
128
УДК 66.015.23
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС В ПЛЕНОЧНЫХ БИОРЕАКТОРАХ
© Н.А. Войнов1’2’4 , А.Н. Николаев3, О.Н. Войнова1
1 Институт биофизики СО РАН, Академгородок, 50, Красноярск,
660036(Россия)
2Институт фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041 (Россия)
3Казанский государственный технологический университет, ул. К. Маркса,
68, Казань, 420015 (Россия)
4Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: Voynov@Siberianet.ru
Определены режимы течения, величина газосодержания и толщина жидкостного слоя, установлены коэффициенты масоотдачи в аэрируемых зонах биореактора и теплоотдачи. Представлены зависимости для расчета концентрации газового субстрата в культуре, приведен сравнительный расчет технологических параметров пленочного биореактора и аппарата с турбинной мешалкой.
Ключевые слова: пленочный биореактор, межфазная поверхность, коэффициент расхода, газосодержание, толщина пленки, коэффициенты массоотдачи и теплоотдачи, газовый субстрат, винтовая шероховатость.
Работа выполнена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта №96 фундаментальных исследований СО РАН, Аналитической ведомственной целевой программы МО и науки РФ №2.1.1/4056.
Введение
Пленочные биореакторы [1-6] являются аппаратами нового поколения, внедрение которых в промышленность сдерживается слабой изученностью процессов, протекающих в них. Эти аппараты способны перерабатывать концентрированные среды при низких расходах газового субстрата, отработанной жидкости и высокой концентрации микроорганизмов, имеют сравнительно невысокие энергозатраты на проведение процесса. исключается проблема масштабного перехода при проектировании, а полученные в лабораторных условиях результаты могут быть без каких-либо поправочных коэффициентов перенесены на промышленный вариант. В пленочных биореакторах культуральная жидкость непрерывно подается на верхнюю горизонтальную перегородку аппарата, затем она стекает в виде газожидкостного слоя по внутренней поверхности труб. При этом происходят интенсивное насыщение жидкости газом, отвод продуктов метаболизма и тепла. Пленочные биореакторы по конструктивному оформлению можно разделить на одноступенчатые (рис. 1в) и многоступенчатые (рис. 1а) [2]. В многоступенчатом аппарате на каждой ступени осуществляются насыщение жидкости газовым субстратом и его исчерпывание микроорганизмами, что позволяет уменьшить расход перекачиваемой жидкости через аппарат, по сравнению с одноступенчатым. Наибольшие перспективы промышленного использования имеют биореакторы со стекающей пленкой жидкости по внутренней поверхности контактных труб с винтовой крупномасштабной шероховатостью (рис. 1б). Винтовая шероховатость обеспечивает вращательно-поступательное движение жидкости, ее интенсивное перемешивание и позволяет разместить большое количество жидкости на поверхности труб. Наличие центробежной силы, вызванной вращательным движением пленки жидкости, предотвращает ее срыв и обеспечивает равномерное распределение по периметру труб даже в случае отклонения аппарата от вертикального положения и наличия на поверхности отложений.
* Автор, с которым следует вести переписку.
а)
Рис. 1. Схемы пленочных биореакторов: а) и б) 1 - корпус; 2 - контактная труба; 3 - циркуляционная труба;
4 - осевые насосы; 5 - рубашка; 6, 7 - патрубки для ввода и вывода газа; 8, 9 - патрубки для теплоносителя;
10 - камера для циркуляции газового субстрата; 11 - распределитель газа и жидкости; 12 - каналы для входа газа; 13 - трубная решетка; в) 1 - корпус; 2 - контактная труба; 3 - газовый патрубок; 4 - камера для ввода газа;
5 - теплообменная секция; 6 - камера для культивирования; 7 - циркуляционная труба
Обсуждение результатов
Расход жидкости через контактную трубу. Наибольший интерес при конструировании пленочных биореакторов представляют щелевые распределительные устройства, в которых пленка формируется кольцевым зазором, образованным орошаемой поверхностью контактной трубы и коаксиальной вставкой. Такие устройства обладают высокой пропускной способностью по жидкости, позволяют обеспечить уровень жидкости на перегородке 0,1—1,5 м при ширине кольцевого зазора 5-30 мм, удобны при монтаже и чистке, просты в изготовлении. Обязательным условием [1, 2] компоновки щелевого оросителя является установка винтовой спирали непосредственно в кольцевом зазоре устройства, что способствует вращательнопоступательному движению жидкости, препятствует ее срыву при набегании на выступы шероховатости. При плотном размещении винтовой спирали в кольцевом зазоре, когда ширина зазора 50 равна высоте выступа И, обеспечивается наибольшая скорость вращательно-поступательного движения жидкости, однако при этом увеличивается ее уровень на горизонтальной перегородке. При установке винтовой спирали с зазором относительно поверхности патрубка достигается большая производительность при меньшей высоте слоя жидкости на горизонтальной перегородке. Зависимость между расходом жидкости через контактную трубу и ее уровнем на горизонтальной перегородке представлена в виде
Ож = ф0 Б(2 Е Н0 )0,5, (1)
где Б - площадь кольцевого зазора для прохода жидкости; Н0 - уровень жидкости на горизонтальной перегородке; ф0 - коэффициент расхода жидкости согласно [1-3].
Характерная зависимость коэффициента расхода жидкости от параметра 50/И показана на рисунке 2. Максимальный расход жидкости через контактную трубу при ее диаметре 50-100 мм и И = 3-4 мм можно оценить по формуле [3]
вж = 1,2 ехр(0,04-ф, (2)
где вж - максимальный расход жидкости, м3/ч; d - внутренний диаметр трубы, мм.
фо 0,6
0,4
0,2
Рис. 2. Зависимость коэффициента расхода от 50/И 0
при диаметре контактной трубы d = 85 мм и высоте выступа винтовой шероховатости И = 4 мм
Режимы течения пленки. Визуальное наблюдение за течением пленки по прозрачной стенке трубы с винтовой шероховатостью, а также фотографирование стекающей жидкости позволили выявить три характерных режима течения (рис. 3).
При малом расходе наблюдается струйный режим течения, жидкость на выходе из распределителя распадается на вращающиеся струи (рис. 3а).
При увеличении расхода возникает кольцевой режим течения, жидкость полностью заполняет пространство между витками шероховатости и совершает вращательно-поступательное движение. На поверхности жидкости появляются регулярные и крупные волны с вершиной, представляющей собой вращающийся жгут.
Между витками винтовой шероховатости по периметру трубы наблюдается скопление пузырьков газа. При умеренных расходах, когда основная масса жидкости перемещается между витками, пузырьки имеют форму эллипсоидов (рис. 3б), которые наклонены под углом 30-45° к оси трубы. Пузырьки неустойчивы, срываются в поток жидкости, а также перемещаются по периметру трубы вдоль витков спирали. При дальнейшем возрастании нагрузки из-за увеличения турбулентности потока и интенсивности вихреобразования происходит дробление пузырьков газа. А при достижении отношения толщины пленки во впадине шероховатости к ее выступу 5вп / И > 2 пузырьки газа приобретают форму, близкую к сферической (рис. 3в). При высоких расходах жидкости гребни регулярных волн смыкаются, жидкость заполняет все сечение контактной трубы, пузырьки газа выносятся потоком из впадин шероховатости, и образуется режим однофазного течения (рис. 3г).
Газосодержание в пленке. Механизм возникновения пузырьков газа в пленке обусловлен отрывом пограничного слоя [7] при сбегании жидкости с выступов шероховатости, ведущим к образованию циркуляционных вихрей во впадине и понижению статического давления на дне в сравнении с давлением на поверхности потока [8]. При определенной разности статического давления в вихре и над поверхностью пленки происходит проникновение (барботаж) газа в жидкость, что порождает появление пузырьков газа (газосодержание).
а) б) в) г)
Рис. 3. Фотографии пленкообразующей поверхности при разных расходах жидкости, d = 37 мм, И = 1,5 мм, б/И = 4-8 мм. Фотографии а-г: а - Яе = 4Г/у = 5000; б - 10000; в - 18000; г - 60000
При оптимальном размещении витков винтовой шероховатости б/И = 4-8, когда циркуляционные вихри занимают все расстояние между витками (рис. 2б), наблюдаются максимальное заполнение впадин шероховатости пузырьками газа и их наибольшее продвижение к стенке трубы.
При параметре шероховатости б/И < 4 циркуляционные вихри не доходят до дна впадины (рис. 4а), поэтому пузырьки газа формируются ближе к поверхностному слою, вымываются из жидкости, что приводит к снижению газосодержания. Вывод пузырьков газа из жидкости также обусловлен незначительной центробежной силой вследствие слабой крутки жидкости и вихреобразования в ней.
При б/И > 10 (рис. 4в) пузырьки образуются около основания уступов и по причине низкого центробежного воздействия, вызванного раскруткой потока, скапливаются ближе к поверхности пленки.
Как установлено, формирование газожидкостного слоя по длине контактной трубы при б/И = 6-8 происходит на сравнительно коротком начальном участке - 0,2-1,0 м.
Доля нерастворенного газа в пленке жидкости при стекании ее по гидравлически гладкой поверхности трубы незначительна и составляет менее 5%. Пузырьки газа, захваченные волнами, распределяются в верхних слоях пленки и слабо проникают в глубину потока. При стекании жидкости в трубах с винтовой крупномасштабной шероховатостью газосодержание достигает 0,5 (рис. 5). Согласно полученным данным с увеличением высоты выступа шероховатости газосодержание возрастает вплоть до И = 4 мм, а затем остается примерно постоянным (рис. 5б). Рост газосодержания при увеличении высоты выступа шероховатости обусловлен изменением масштаба циркуляционного вихря во впадине шероховатости. Газосодержание незначительно изменяется при увеличении вязкости жидкости и постоянно по толщине пленки, исключая пристенный ее слой. Создание на межфазной поверхности дополнительных касательных напряжений, например путем ввода в верхнюю часть трубы потока газа, приводит к уменьшению неаэрированного слоя жидкости на стенке.
Среднеповерхностный диаметр пузырьков газа пропорционален высоте выступа шероховатости (рис. 6а), а величина межфазной поверхности (рис. 6б) а = 6фМп = 700-1000 м2/м3. Тогда как в аппарате с турбинной мешалкой величина межфазной поверхности при удельной мощности 0,5-4 кВт/м3 равна 75-200 м2/м3 [3].
а) б) в)
Рис. 4. Фотографии пленки и схемы циркуляционных вихрей [9] при d = 37 мм, И = 2,5 мм, Яе = 17000. Фотографии (а-в): а - б/И = 2; б - б/И = 6-8; в - б/И = 14
а) б)
Рис. 5. Зависимость газосодержания ф от числа Рейнольдса Яе воды (а) и высоты выступа шероховатости И (б): d = 51 мм; б/И = 8-10; I = 1,9 м; экспериментальные точки: а) 1 - температура воды 15 °С; 2 - 38; 3 - 50; И = 3 мм; б) температура воды 20 °С; Яе = 30000
а) б) 2 3
dп, мм а, м /м
а)
б)
Рис. 6. Изменение диаметра пузырьков газа (а) и величины межфазной поверхности (б) в зависимости от параметров пленочного течения по поверхности с винтовой шероховатостью. Экспериментальные точки: а) при d = 85 мм, б/И = 4-8 мм, Яе = 17000; б) 1 - И = 1,5 мм; 2 - 2,5; 3 - 4. Линии (1-2): 1 - в пленке воды; 2 -аппарат с турбинной мешалкой
Толщина газожидкостного слоя. Величину газожидкостного слоя, стекающего по пленкообразующей поверхности во впадине винтовой шероховатости, можно оценить по зависимости [3]
( 5 ^
1 ±-В-2Я
= 1 1 ±-
2Я Д5 + е)
+ |г2 (1 ± к/Я)
Р2 Я
Хе
8( + е) 4л/лст1 ( + е)
1/3
(3)
где рсм - плотность газожидкостной смеси, кг/м3; е - ширина выступа элемента шероховатости, м; к - высота элемента шероховатости, м; Я - радиус трубчатой насадки, м; 5 - расстояние между элементами шероховатости, м; деп - толщина пленки газожидкостной смеси, м; X - коэффициент трения пленки жидкости на гладкой стенке трубы; Г = в/я^ - массовая плотность орошения, кг/(с-м); Ст1 = 8 - эмпирическая поправка; знак «+» соответствует течению пленки по наружной поверхности; «-» - по внутренней.
При расчете по уравнению (3) плотность газожидкостной смеси необходимо определять по формуле
Рсм = Рж(1 - ф) + Ргф,
(4)
где рсм, рж, рг - соответственно плотности газожидкостной смеси, жидкости и газа, кг/м ; ф - газосодержание. Экспериментальные данные толщины газожидкостного слоя представлены на рисунке 7а.
Теплоодача в газожидкостном слое. Для расчета величины коэффициента теплоотдачи в пленке, стекающей по поверхности труб биореактора с винтовой искусственной шероховатостью, рекомендуется зависимость [10]
Ш = а5вп/Хсм = 1,2-10-2 Кє0,8Рг0,6,
(5)
к
£
5
где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); Яе = 4Г/у - число Рейнольдса жидкости; Рг = у/а - число Прандтля при температуре жидкости; Хсм - коэффициент теплопроводности газожидкостной смеси, Вт/(м-К)
Xсм Хж(1 ф ) + Хгф,
(6)
где Хж , Хг - соответственно коэффициенты теплопроводности жидкости и газа, Вт/(м-К).
Зависимость критерия Нуссельта от числа Рейнольдса в газожидкостном слое представлена на рисунке 7б.
а)
б)
Рис. 7. Зависимость: (а) толщины пленки воды 5вп от высоты выступа шероховатости И при d = 51 мм; б/И = 810; 1 = 1,9 м, 1 = 36 °С; И = 3 мм; линии - расчет по уравнению (3) при 1 - Яе = 40000; 2 - 20000; 3 - 10000; б) числа Нуссельта от числа Рейнольдса жидкости. Экспериментальные точки: 1 - И = 0,13 мм; 2 - 0,7; 3 - 1; 4 -2; 5 - 3; линия 1 - экспериментальные данные при стекании воды по гладкой поверхности трубы
Массообмен в газожидкостном слое. В связи с высоким газосодержанием пленки массоперенос в ней необходимо рассматривать как две зоны аэрации: взаимодействие газа с жидкостью через поверхность пленки и контакт жидкости с пузырьками газа.
Значения коэффициента массоотдачи в жидкости, рассчитанные по общеизвестной зависимости
1п(ДСи / Дск )
(7)
или конкретно для пленочного течения
Г 1п-
Р=-
(8)
представлены на рисунке 8а. Здесь ск и сн - конечная и начальная концентрации кислорода в жидкости, кг/м3; Б - поверхность жидкостной пленки, м2; Г - плотность орошения, м3/(с-м); 5 - средняя толщина пленки, м; сг - равновесная концентрация растворенного кислорода в жидкости на поверхности пленки, кг/м3.
При обработке экспериментальных данных по уравнению (8) не учитывается поверхность пузырьков газа, в связи с этим при И > 2 мм и ф > 0,2 с увеличением расхода жидкости наблюдается (рис. 8, линии 4 и 5) резкое возрастание коэффициента массоотдачи.
обработка экспериментальных данных согласно (9) позволила выявить значения коэффициентов массо-отдачи, обусловленные поверхностью пленки рпл и поверхностью пузырьков газа в жидкости рб
М = Мпл+ Мб,
(9)
Ск - Сн
где М - общее количество растворенного кислорода в жидкости.
Согласно полученным данным, при И = 3 мм и Яе = (20-80)-103 величина рб = (0,8-2)-10-3 м/с; Рп = (2-8)-10-3 м/с.
10'4
5 10 20 Яе-Ш-3
А)
20
50
100
Яе-10-3
Б)
Рис. 8. Зависимость а) коэффициента массоотдачи и б) количества массы кислорода, переданной в пленку воды, от числа Рейнольдса. А) при стекании пленки воды по гладкой (линии 1 и 2) и шероховатой (линии 3-5) вертикальной поверхности трубы: 1=20 °С, точки: а - внутренняя поверхность, d = 27мм, I = 2 м; б -линии расчет при d = 30 мм, I =2 м; в, г, д - внутренняя поверхность, d = 51 мм, I = 1,6 м, б/И = 10, в - И = 1,85 мм, г - 3,0, д - 5,0. Б) V = 10-6 м2/с, И = 4 мм, б/И = 8, I = 1 м; 1- d = 40 мм, 2 - 51, 3 - 60, 4 - 80, 5 - 100
Характерные зависимости между количеством переданной массы кислорода в пленку жидкости, диаметром трубы и расходом жидкости показаны на рисунке 8б.
Масообмен, осложненный биохимической реакцией. В пленочном биореакторе можно выделить четыре зоны аэрации: в газожидкостном слое на поверхности контактных труб; в рабочем объеме аппарата; циркуляционной трубе; в жидкости на горизонтальных перегородках. Снижение концентрации растворенного газа ниже критической хотя бы в одной из рассматриваемых зон ведет к уменьшению продуктивности процесса, что требует их дополнительного исследования.
Массообмен в газожидкостном слое на поверхности контактных труб является основным источником подвода газового субстрата в жидкость. Расчет концентрации растворенного газа в пленке культуральной жидкости по длине контактной трубы можно проводить по зависимости [3, 4]
где и - средняя скорость пленки жидкости, м/с; I - длина трубы, м; х - концентрация дрожжей в жидкости,
ность подвода кислорода в жидкость наблюдается на длине трубы 2-2,5 м. С увеличением коэффициента массоотдачи длина пленкообразующей поверхности, на которой происходит насыщение газа до равновесного состояния, уменьшается (рис. 9а).
Увеличение концентрации газа в газожидкостном слое возможно путем повышения давления в зоне насыщения (рис. 9б), изменения физических свойств ферментативной среды, создания локальных объемов в пленке или в рабочем объеме биореактора с повышенной концентрацией микроорганизмов, а также дополнительной аэрации жидкости [11-19].
Массообмен в рабочем объеме биореактора. Массообмен в указанной зоне аппарата обеспечивается струйной аэрацией [1] при вводе газожидкостного слоя в рабочий объем культуры (РУ = 40-80 ч-1) либо за счет поддержания определенной скорости движения жидкости в рабочем объеме. При среднерасходной скорости культуры 0,4-0,6 м/с коэффициент массоотдачи между пузырьками газа и жидкостью составил
(10)
кг/м3; q - удельная скорость потребления газа, кг/(кг-с); с* - равновесная концентрация газа в жидкости, кг/м3, с1 - концентрация газа в жидкости на входе в контактную трубу, с1= 0,77 мг/л.
Согласно данным, представленным на рисунке 9б, при И = 3-4 мм, рп = 8-10-3 м/с наибольшая интенсив-
ру = (150-250) ч-1.
С, мг/л
С, мг/л
а)
б)
Рис. 9. Изменение концентрации кислорода по длине пленки контактной трубы: а) х = 39 кг/м3; с* = 7,710 3 мг/л; 5 = 8 мм; q = 0,16 кг/кг-ч; и = 2 м/с; б) х = 50 кг/м3; рпл = 8 х10-3 м/с, 5 = 8 мм; q = 0,16 кг/кг-ч
Зависимость для расчета концентрации газа в аэрируемом объеме жидкости биореактора получена [1] из уравнения материального баланса по поглощенному газу исходя из схемы идеального перемешивания
пЕе— ы¥(е + йе) = qxFdh - Р„[с* - c(h)]Fdh
в виде
с(/г) =
е * +
qx
р7
+ с - с *
ехр
|-цх_ и ) Ру ’
(11)
где с - концентрация газа, кг/м3; с - концентрация газа в верхнем слое жидкости в объеме биореактора; с* - равновесная концентрация газа; и - средняя скорость движения культуральной жидкости в рабочем объеме; ру -объемный коэффициент массоотдачи с-1; И - высота слоя жидкости, м; х - концентрация микроорганизмов, кг/м3.
Значения концентрации кислорода по высоте столба жидкости в рабочем объеме аппарата, рассчитанные по уравнению (11), представлены на рисунках 10 и 11.
Массообмен в циркуляционной трубе. Изменение концентрации кислорода по длине циркуляционной трубы показано на рисунке 10б. Поддержание в этой зоне объемного коэффициента массоотдачи Ру = 200 ч-1, например за счет контакта газовых пузырьков с жидкостью, принесенных в эту область из пленки, позволяет обеспечить достаточно высокую концентрацию газового субстрата в культуре. Для расчета концентрации растворенного газа в рассматриваемой зоне массообмена использована зависимость (11).
С, мг/л С, мг/л
10
8
6
4
2
0
■С *=21 мг/л
15,4 мг/л
7,7 мг/л
0
4
6
Ь, м
а)
б)
Рис. 10. Изменение концентрации кислорода по высоте рабочего объема жидкости Н и длине циркуляционной трубы Ь при х = 40 кг/м3; ру = 200 ч-1; q = 0,16 кг/кг-ч. а) при и = 0,5 м/с; б) и = 2,5 м/с
С, мг/л
С, мг/л
12 -1
20
40
60
х, кг/м
а) б)
Рис. 11. Зависимость концентрации кислорода в культуре а) от скорости жидкости в рабочем объеме при с* = 21,3 мг/л; ру = 200 ч-1, q = 0,16 кг/кг-ч, с! =13 мг/л; Н = 0,5 м. Линия 1 при х = 39 кг/м3; 2 - 50;
б) концентрации микроорганизмов 1 - с* = 21,3 мг/л; 2 - 15,2; 3 - 7,7; ру = 200 ч-1; q = 0,16 кг/кг-ч;
Н = 0,5 м; и = 0,5 м/с
Изменение концентрации газового субстрата на горизонтальной перегородке аппарата. В случае отсутствия массообмена в жидкости на перегородке изменение концентрации растворенного газа в ней можно рассчитать исходя из материального баланса
uFc - uF(c + йе) = dhFqx,
где с - концентрация газа, кг/м3; и - средняя скорость движения жидкости на перегородке, м/с; А - высота слоя жидкости, м; х - концентрация микроорганизмов, кг/м3; F - площадь сечения, м2.
После преобразований
с(и)_ сг -дХИ . и
(12)
где сг - начальная концентрация газа.
Результаты расчета по уравнению (12) представлены на рисунке 12.
При наличии на горизонтальной перегородке аэрируемой и неаэрируемой жидкости концентрация кислорода на границе их раздела определяется исходя из граничных условий [1]
с _ с Р^Н1 (с * -с) _РУИ , * -с)
Сг _ сИ_0 _ “ _ \с СЬ
ги и
где величина И\ выводится из формулы
с(н)_^И (с * -с)-^ И
дх
С. мг/л
2
8
3
4
0
0
Рис. 12. Изменение концентрации кислорода в жидкости, размещенной на верхней горизонтальной перегородке биореактора, от высоты столба при варьировании начальной концентрации кислорода х = 40 кг/м3; q = 0,16 кг/кг-ч; и = 0,5 м/с; с* = 21,3*10-3мг/л
Расчетные параметры. Проведено сравнение показателей биореакторов с турбинной мешалкой и пленочного типа исходя из данных: q = 0,16 кг/кг-ч; с* = 15,2 мг/л, р = 1010 кг/м3, избыточное давление 0,1 МПа.
Скорость переноса кислорода в жидкость для аппаратов с турбинной мешалкой равна [20] 4-7 кг/м3-ч. Тогда при рабочем объеме V = 1 м3 количество переданного кислорода в среднем составит М02 = 5,5 кг/ ч. Это позволит при заданной q поддерживать в культуре биомассы в количестве в = М02^ = 34,3 кг при концентрации х = 34,3 кг/м3. Параметры стандартного аппарата с мешалкой: Б = 1,2 м, dм = 0,4 м, п = 5 с-1. Затраты мощности на перемешивание N = Кп р п3 d5м = 4х1010х53х0,45 = 5171 Вт. Мощность компрессора при среднерасходной скорости газа [21] 0,02 м/с равна N = р х Р = 0,02 х 0,785х1,22 х2,1*105 = 4747 Вт.
В пленочном трубчатом аппарате концентрация биомассы принята равной х = 80 кг/м3 , длина контактных труб I = 2,5 м, диаметр d = 85 мм. При в = 34,3 кг (как и в аппарате с мешалкой) рабочий объем культуры составит 0,43 м3. Исходя из материального баланса М02 = вж (ск - сн ) расход жидкости на рециркуляцию в пленочном аппарате равен вж = 5,5/ 15,2х10-3= 362 м3/ч. С учетом массообмена, протекающего в зонах аэрации (ру = 200 ч-1 ), имеем М02 = (с* - с) = 200х0,43х15,2х10-3 = 1,3 кг/ ч. В связи с этим расход жидкости на рецир-
куляцию снизится до 276 м3/ч. Мощность осевого насоса N = вж р£Н = 276х1010х9,8х3/(3600х0,85) = 2678 Вт. В пленочном биореакторе нет необходимости турбулизировать жидкость газом, поэтому его расход принимаем равным 10 м3/ч. Тогда мощность компрессора составит N = р х р = 10 х2х105/3600 = 556 Вт. Количество контактных труб в пленочном аппарате при расходе жидкости через распределитель 10 м3/ч - 28 шт., диаметр аппарата Б = 0,6 м, высота столба жидкости в рабочем объеме 1,2 м, толщина газожидкостного слоя 8 мм, уровень жидкости на верхней трубной решетке аппарата, согласно (1), при ширине кольцевого зазора 50 = 10 мм и ф0 = 0,45 равен Н = 0,3 м. Концентрация кислорода в культуре на выходе из контактных труб при рп = 8 х10-3 м/с, в соответствии с (10), равна с1= 10,2х10-3мг/л (из условий физической абсорбции). Величина рб = 2х10-3 м/с в газожидкостном слое, согласно известной зависимости Vpa(c* - с) = qxV [20], обеспечивает поддержание в пленке принятой выше концентрации микроорганизмов.
Концентрация кислорода в культуре на выходе из рабочего объема биореактора, согласно (11), при с! = 10,2х10-3мг/л, х = 80 кг/м3 , ру = 200 ч-1 и среднерасходной скорости и = 1,2 м/с составит 7,1х10-3 мг/л.
Концентрация кислорода на выходе из циркуляционной трубы, согласно (11), при и = 2,5 м/с и общей высоте Ь = 4 м равна 2,73 х 10-3 мг/л.
Согласно зависимости (12), при высоте столба жидкости на верхней горизонтальной перегородке 0,3 м концентрация растворенного кислорода в жидкости на входе в контактные трубы равна 0,87 х10-3 мг/л. Таким образом, во всем объеме жидкости пленочного биореактора концентрация кислорода обеспечивается выше критической величины 0,75 мг/л.
Характерные параметры сравниваемых аппаратов, представленные в таблице, указывают на перспективность использования пленочных биореакторов, что особенно становится очевидным при расчете биореакторов большой производительности.
Сравнительные характеристики биореакторов при в = 34,3 кг. с* = 15,2 мг/л, q = 0.16 кг 02 /кг • ч
Параметры Аппарат с мешалкой Аппарат пленочный
Мощность на перемешивание культуры, кВт 10 3.6
Концентрация биомассы, кг/м3 34,3 80
Объем жидкости в аппарате, м3 1.0 0,43
Диаметр аппарата, м 1.2 0.6
Представленные результаты исследования позволяют проводить конструирование и расчет пленочных газожидкостных биореакторов, в том числе и при выращивании микроорганизмов на гидролизатах растительного сырья.
Список литературы
1. Войнов Н.А. Процесс ферментации кормового белка на гидролизате в пленочных аппаратах; способы интенсификации и методы расчета: Дис. ... д-ра. техн. наук. Красноярск, 1995.
2. Войнов Н.А., Сугак Е.В., Николаев Н.А., Воронин С.М. Пленочные биореакторы. Красноярск, 2001. 252 с.
3. Войнов Н.А. Николаев Н.А. Пленочные трубчатые газожидкостные реакторы. Казань, 2008. 272 с.
4. Николаев А.Н. Гидродинамика и тепломассоперенос в пленочных реакторах микробиологического синтеза: Дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2007.
5. Патент №22211038 (РФ). Аппарат для выращивания микроорганизмов / Н.А. Войнов, О.Н. Войнова, П.Б. Козленко / БИ. 2004. №1.
6. А.с. №2012593 (СССР). Аппарат для выращивания микроорганизмов / Н.А. Войнов, Н.А. Николаев, Н.М. Коновалов / БИ. 1994. №9.
7. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., 1974. 714 с.
8. Чжен П. Отрывные течения: Пер. с англ. / Под ред. Г.И. Майкапара. М., 1973. 280 с.
9. Николаев Н.А., Харин В.Ф. Гидродинамические закономерности пленочного течения жидкости по шероховатой поверхности // Теоретические основы химической технологии. 1974. Т. 8. №5. С. 712-719.
10. Войнов Н.А., Сугак Е.В., Войнова О.Н. Гидродинамика и теплообмен в пленке, стекающей по винтовой шероховатости // Теплоэнергетика. 2004. №3. С. 39-43.
11. А.с. №1801540 (СССР). Пленочный аппарат / Н.А. Войнов, Н.А. Николаев, Н.М. Коновалов / БИ. 1993, №10.
12. Патент №2023462 (РФ). Способ абсорбции / Н.А. Войнов, Н.А. Николаев, Н.М. Коновалов / БИ. 1994, №22.
13. А.с. №1717627 (СССР). Способ получения биомассы дрожжей / Н.А. Войнов, В.А. Марков, Н.А. Николаев / БИ. 1992. №9.
14. А.с. №1446919 (СССР). Способ получения биомассы дрожжей / Н.А. Войнов, В.А. Марков, С.М. Воронин, Н.А. Николаев, Н.В. Лаишевкин, Н.М. Коновалов.
15. А.с. №1669473 (СССР). Трубчатая насадка пленочного аппарата / Н.А. Войнов, А.А. Юдаков, Н.М. Коновалов, Н.А. Николаев / БИ. 1991. №30.
16. А.с. №1761174 (СССР). Насадка пленочного аппарата / Н.А. Войнов, Н.А. Николаев / БИ. 1990. №34.
17. Патент №2021834 (Россия). Трубчатая насадка пленочного аппарата / Н.А. Войнов, Н.М. Коновалов, Н.А. Николаев, А.В. Гаврилов / БИ. 1994. №20.
18. А.с. №1572672 (СССР). Тепломассообменный аппарат / Н.А. Войнов, А.А. Юдаков, В.А. Марков, Н.А. Николаев / БИ. 1990. №23.
19. А.с. №1719009 (СССР). Пленочный аппарат / Н.А. Войнов, А.А. Юдаков, Н.А. Николаев / БИ. 1992. №10.
20. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов. М., 1979. 344 с.
21. Войнов Н.А., Волова Т.Г. Гидродинамика и массообмен в биореакторе с мешалкой // Химическая промышленность. 2007. Т. 84. №3. С. 145-150.
Поступило в редакцию 28 января 2009 г.
