CC BY
52
УДК 663.14; 636.6.087
ИНОКУЛЯТОР ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ НА ГИДРОЛИЗАТЕ ДРЕВЕСИНЫ
Е.В. Липовцев, Н.А. Войнов, О.П. Жукова, Ю.Д. Алашкевич
Сибирский государственный технологический университет ФГБОУ ВО РФ г. Красноярск, 660049, пр.Мира, 82, e-mail: voynov@siberianet.ru
Разработан инокулятор для выращивания дрожжей на гидролизате древесины. Исследован массообмен в биореакторе с дисковой мешалкой и трубчатой насадкой. Определен оптимальный режим его работы. Разработанная конструкция инокулятора позволяет достигать концентрации биомассы дрожжей до 30 кг/м3 и обеспечивает высокую стерильность процесса.
Ключевые слова: инокулятор, биореактор, газосодержание, коэффициент массоотдачи, дисковая мешалка, трубчатая насадка.
Inoculator was developed for growing yeast hydrolyzate wood. We investigated the mass transfer in the bioreactor with a disk stirrer and a tubular nozzle. The optimal mode of operation. Designed allows to achieve a biomass concentration of yeast to 30 kg/m3 and provides a high sterility of the process.
Keywords: inoculator, bioreactor, gas content, the coefficient of mass transfer, disk stirrer, a tubular nozzle
ВВЕДЕНИЕ
Инокуляторы предназначены для выращивания дрожжей на начальных стадиях культивирования микроорганизмов на гидролизатах древесины. Основным требованием при выращивании является получение стерильной биомасссы в активной фазе роста. В этой связи в качестве инокулятора целесообразнее использовать газожидкостные аппараты с образованием межфазной поверхности энергией, вводимой в реакционный объем жидкостью, что позволяет исключить подачу воздуха механическими устройствами и обеспечить стерильность процесса.
Й
А
Основные типы аппаратов с образованием межфазной поверхности путем воздействия на культу-ральную жидкость представлены на рисунке 1.
В струйных биореакторах, рисунок 1а, используется эффект инжекции газа струей жидкости, вытекающей из насадки. При внедрении струи в жидкость наблюдается увлечение газа в жидкость, образуется аэрируемая зона. Величина объемного коэффициента массоотдачи в биореакторе со струйной насадкой не превышает 210 ч-1 (Войнов, 2008), а наличие устройства, перекачивающего жидкость, снижает стерильность про-
rb_
VP
<3- п-чз ч>
- г
□ \ t > F
i А
а) б) в)
а- струйный; б- эжекторный; в- с самовсасывающей мешалкой; г- с дисковой мешалкой
Рисунок 1 - Схемы газожидкостных биореакторов
цесса. Попытка интенсифицировать процесс массо-обмена путем использования эжекторов (рисунок 1б) приводит к резкому увеличению энергозатрат из-за поддержания высокого давления в линии подачи жидкости.
В биореакторах с самовсасывающей мешалкой, рисунок 1в, подвод и циркуляция газа осуществля-
Г)
- вода; -О - газ.
ется механическими перемешивающими устройствами, что позволяет многократно использовать газовый субстрат в замкнутом контуре аппарата и интенсифицирует процесс абсорбции газовых субстратов. Удельная мощность такого аппарата достигает 15 кВт/м3. Самовсасывающие мешалки, как устройства для ввода газа в жидкость, сложны в из-
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015
готовлении, имеют невысокий энергетический коэффициент полезного действия и поэтому требуют совершенствования.
В этой связи, наиболее перспективны перемешивающие устройства, выполненные в виде диска с размещенными на нем ребрами, рисунок 1г. Для интенсификации процесса массообмена нами разработан и исследован биореактор с дисковым перемешивающим устройством и трубчатой пленочной
насадкой (рисунок 2а). За счет вращения дисковой мешалки происходит всасывание газового субстрата в рабочий объем аппарата, а наличие пленочной трубчатой насадки обеспечивает увеличение межфазной поверхности (Войнов, 2009; Voinov, 2013). Причем, отсутствие уплотнений в перекачивающем устройстве увеличивает стерильность культивирования в аппарате.
а) б)
Рисунок 2 - Схемы биореактора (а) и трубчатой пленочной насадки (б) и (в)
в)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Массообменные параметры инокулятора изучались на примере абсорбции водой кислорода воздуха. Начальная концентрация кислорода в воде поддерживалась равной 0,15*10-3 кг/м3. Рабочий объем аппарата составил 0,05 м3.
Использовалась дисковая мешалка диаметром 160 мм с частотой вращения 1500 об/мин.
Концентрация кислорода в воде определялась датчиком полярографического типа. Коэффициент массотдачи определялся на основе модели идеального перемешивания
(1)
При расходе жидкости L = 0, для расчета коэффициента массоотдачи из (1) после интегрирования получают зависимость в виде
в = 1п [(1 - с/с*)/А]/т, (2)
где с - концентрация растворенного кислорода в жидкости, кг/м3;
с* - равновесная концентрация кислорода в жидкости, кг/м3;
А - коэффициент, определяемый из начальных условий;
t - время насыщения, с;
Ь - объемный коэффициент массоотдачи, с-1.
Величина коэффициента А определяется согласно (2) при с = с и т = 0.
Газосодержание в емкости аппарата и в пленке жидкости, стекающей в трубчатой пленочной насадке, определялось объемным методом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Так как эффективная работа инокулятора зависит от величины межфазной поверхности, исследовалось газосодержание в рабочем объеме аппарата, рисунок 3, и в пленочной трубчатой насадке, рисунок 4.
Наибольшая величина газосодержания составила ф = 0,25 при диаметре воронки, образованной у вала мешалки, равном йот = 50 - 60 мм. В этом случае происходит всасывание газа в полость вращающегося газо-жидкостного слоя и внедрение его в жидкость.
0,15 0,1
Г>- 1;
О-З.
0 0,05 0,10 (^.м
Рисунок 3 - Зависимость газосодержания от диаметра всасывающей полости вала мешалки аппарата. Экспериментальные точки (1-3): 1- турбинная мешалка dм=100 мм; 2- дисковая мешалка; 3- дисковая мешалка с трубчатой насадкой
Величина газосодержания в пленке стекающей по поверхности трубчатой насадки составила ф = 0,1 -0,45. Наличие газа в пленке жидкости обусловлено циркуляционными вихрями во впадинах винтовой шероховатости (Войнов; 2009).
Ф 0,4
0,3
0,2 0,1
Г"
Г '' *
у'
*
/ /'
0-1 ;
□ - 2. * *
ß, ч-1
600 500 400 300 200 100 0
n- 1-
О- 2;
□- 3.
0
ОрО
0
0,05
0,10
dот, м
Рисунок 5 - Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от диаметра полости у вала. Экспериментальные точки (1-3): 1- турбинная мешалка dм = 100мм; 2- дисковая мешалка; 3- дисковая мешалка с трубчатой насадкой
ß, ч-1
600 500 400 300 200 100 0
□
О
О- 1;
□ - 2.
0
100
150
H, м
0 2 4 6 8 5, мм
Рисунок 4 - Изменение газосодержания по толщине слоя жидкости во впадине шероховатости при d = 45 мм; h = 4 мм; s/h = 4-4,5; L= 1,4 м. Пунктирная линия - при длине трубы L = 0,6 м. Экспериментальные точки (1-2): 1- число Рейнольдса пленки 10000: 2- число Рейнольдса пленки 16000.
Результаты исследования массообмена в аппарате представлены на рисунке 5. Как установлено, наибольшие значения объемного коэффициента массоот-дачи достигаются при d = 40 - 60 мм, так как в этом случае достигается максимальная величина межфазной поверхности 450 - 600 м-1. В этом случае обеспечивается всасывание газа в полость и внедрение его в жидкость поверхностью диска.
Установка в аппарате трубчатой насадки при расходе перекачиваемой через нее жидкости 1,8 м3/ч позволила увеличить объемный коэффициент массоот-дачи, рисунок 5, в два раза за счет дополнительного ввода пузырьков газа стекающей пленкой.
Согласно данным, представленным на рисунке 6, изменение высоты слоя жидкости в аппарате, при заданных одинаковых конструктивных и технологических параметрах аппарата, несущественно влияет на величину объемного коэффициента массоотдачи.
Рисунок 6 - Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от высоты слоя жидкости аппарата. Экспериментальные точки (1-2):
1- инокулятор с дисковой мешалкой; 2- инокулятор с дисковой мешалкой и трубчатой насадкой
Для расчета величины коэффициента массоотдачи можно воспользоваться зависимостью (Войнов, 2014)
ß = 30 [(eG06+ е.06+ е 06) а08]0
(3)
где в - объемный коэффициент массоотдачи, ч-1; е0 еь £ш - диссипация энергии соответственно струй газа, жидкости и мешалки, Вт/кг: а - межфазная поверхность, м-1.
Изменение концентрации растворенного газового субстрата по длине стекающей пленки жидкости толщиной 5 рассчитывается согласно (Войнов, 2015):
Р [р ' ) из) (4)
где С0 - концентрация растворенного газа в жидкости на входе в контактное устройство, кг/м3; и- скорость течения пленки жидкости, м/с; I- длина контактного устройства, м; х- концентрация микроорганизмов в жидкости, кг/м3;
q- дыхательная активность микроорганизмов, кг/ (кг*с);
0
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015
С*- равновесная концентрация газа в жидкости, кг/м3; в - коэффициент массоотдачи, м/с. Концентрации растворенного газа по высоте рабочего объема биореактора рассчитывается согласно
c=QC0+ßVC*-gxV Q + ßV
(5)
где C0 - концентрация растворенного газа на выходе из контактной трубы, кг/с;
ß- объемный коэффициент массоотдачи, с-1;
V - рабочий объем, м3;
Q - расход жидкости, м3/с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, разработанная конструкция инокулятора с дисковой мешалкой и трубчатой насадкой позволяет увеличить объемный коэффициент массот-дачи в два раза и, соответственно, достичь повышения концентрации биомассы дрожжей до 30 кг/м3, обеспечивая при этом высокую стерильность процесса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Войнов Н.А. Николаев Н.А. Пленочные трубчатые газожидкостные реакторы/ Казань: Издательство «Отечество», 2008.- 272 с.
Войнов Н.А., Гидродинамика, тепло- и массоперенос в пленочных биореакторах / Н. А. Войнов, А. Н. Николаев, О. Н. Войнова // Химия растительного сырья. -2009. - № 4. - С. 183-193.
Voinov N.A., Intensification of yeast biomass culturingin a film bioreactor/ N.A. Voinov, O.P. Zhukova, A.N. Nikolaev // Foods and Raw Materials, 2013, Vol.1, № 2, S. 56-65.
Войнов, Н.А. Массообмен в проточном биореакторе с рециркуляцией жидкости/ Н.А. Войнов, О.П. Жукова, О.В. Курганский, Е.Е. Вырина // Химия растительного сырья.- 2014.- №3. - С. 241-246.
Войнов Н.А., Пленочный газожидкостный биореактор/ Н.А. Войнов, О.П. Жукова, Ф.В. Темеров, Ю.Д. Алашкевич// Химическая промышленность.-2015.- №3.- С. 156-160.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках государственного задания по теме «Закономерности процессов и совершенствование оборудования при заготовке древесины, глубокой химической переработке биомассы дерева и восстановлении лесов Сибири». Государственная регистрация НИР: 114042140006.
Поступила в редакцию 15.05.15 Принята к печати 21.09.15
