CC BY
19УДК 532.574.87: 663.283:663.14.033.89 DOI 10.29141/2500-1922-2021-6-4-1
Исследование гидродинамики стабилизированного потока в биореакторе непрерывного действия
Г.Б. Пищиков1,2*, А.В. Маньков2
1Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация, *e-mail: gbp@k66.ru 2Уральский государственный аграрный университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Реферат
Целью исследования является изучение гидродинамики потока жидких технологических субстратов, в том числе суспензий, в биореакторах непрерывного действия на примере аппарата для шампанизации вина в непрерывном потоке. Проведение данного исследования необходимо для выявления возможности оптимизации структуры потоков в реакторах со свободными объемами в цилиндрической их части. Оптимизация структуры потоков направлена на повышение эффективности оборудования за счет интенсификации биохимических процессов, основанных на взаимодействии жидкого субстрата с микроорганизмами. Поскольку невозможно напрямую измерить скорость перемещения фрагментов потока технологической жидкости в разных точках реактора, исследования проводились на физической модели по общепринятой методике масштабного гидродинамического подобия. Характер и структуру потока модельной жидкости оценивали по изменению концентрации индикатора, вводимого во входную секцию модели аппарата, в заданных точках отбора проб. В качестве численного оценочного критерия, отражающего характер гидродинамической структуры потока, использовали коэффициент дисперсии значений концентрации индикатора, который вычисляется на основе полученных экспериментальных данных. Изучение гидродинамики потока проводили на модели аппарата, эксплуатируемого в промышленном производстве и модернизированного на основании результатов первых экспериментов. В результате исследований сделан вывод о значительной неравномерности скоростей макрообъемов технологической жидкости в продольном направлении потока в эксплуатируемых аппаратах. Такая структура потока не удовлетворяет требованиям оптимального проведения биотехнологических процессов. Для повышения эффективности оборудования предложена конструкция, выравнивающая скорости составляющих потока. Исследование гидродинамики после установки в модель стабилизирующего устройства показало изменение структуры потока в сторону его оптимизации, характер течения стремился к идеальному в приближенно поршневом режиме. Внедрение устройств - стабилизаторов потока в цилиндрической части аппаратов позволит существенно повысить эффективность оборудования за счет улучшения гидродинамики потока и, как следствие, активизации биохимического взаимодействия производственных субстратов с микроорганизмами.
Для цитирования: Пищиков Г.Б., Маньков А.В. Исследование гидродинамики стабилизированного потока в биореакторе непрерывного действия //Индустрия питания|Food Industry. 2021. Т. 6, № 4. С. 5-15. DOI: 10.29141/2500-1922-2021-6-4-1
Дата поступления статьи: 13 октября 2021 г.
Ключевые слова:
биореактор; поток;
гидродинамика; оптимизация; индикатор; модель
Hydrodynamics Research
of a Stabilized Flow
in a Continuous Bioreactor
Gennady B. Pischikov12*, Anton V. Mankov2
1Ural State University of Economics, Ekaterinburg, Russian Federation, *e-mail: gbp@k66.ru 2Ural State Agrarian University, Ekaterinburg, Russian Federation
Abstract
The research aim is to study the flow hydrodynamics of liquid technological substrates, including suspensions, in continuous-acting bioreactors using the device example for champagne wine in a continuous flow. This study is necessary to identify the possibility of optimizing the flow structure in reactors with free volumes in their cylindrical part. The aim of the flow structure optimization is to increase the equipment efficiency by intensifying biochemical processes based on the liquid substrate interaction with microorganisms. Since it is impossible to measure the fragments movement speed of the process fluid flow at different points of the reactor directly, a man run the study on a physical model using the generally accepted method of large-scale hydrodynamic similarity. The researchers assessed the nature and structure of the model liquid flow by the change in the indicator concentration introduced into the input section of the model apparatus at the specified sampling points. As a numerical assessment criterion reflecting the nature of the hydro-dynamic structure of the flow, the authors used the indicator concentration dispersion coefficient of the values, calculated on the basis of the experimental data obtained. They studied the flow hydrodynamics on an apparatus model operated in the industrial production and modernized based on the first experiments results. As a research result, there is the significant rate inequality of the macro process fluid volumes in the longitudinal direction of flow in the operated devices. Such a flow structure does not meet the requirements of optimal biotechnological processes. To increase the equipment efficiency the researchers implemented the device equalizing the rate of the flow components. The hydrodynamics study after installing stabilization device in the model showed a change in the flow structure towards its optimization, the flow character tended to be ideal in the approximate piston mode. The flow stabilizer devices introduction in the cylindrical part of the apparatus will significantly increase the equipment efficiency by improving the flow hydrodynamics and, as a result, activating the biochemical interaction of production substrates with microorganisms.
For citation: Gennady B. Pischikov, Anton V. Mankov. Hydrodynamics Research of a Stabilized Flow in a Continuous Bioreactor. Индустрия питания|FoodIndustry. 2021. Vol. 6, No. 4. Pp. 5-15. DOI: 10.29141/2500-1922-2021-6-4-1
Paper submitted: October 13, 2021
Keywords:
bioreactor; flow;
hydrodynamics; optimization; indicator; model
Введение
На протяжении длительного времени перед виноделами-шампанистами стоит проблемная задача получения игристых вин резервуарным способом, не уступающих по качеству и типичности шампанскому, получаемому традиционным бутылочным методом [1; 2]. Эту задачу возможно решить путем моделирования технологии классической бутылочной шампанизации.
В результате биохимических исследований трансформации состава виноматериала при взаимодействии с размножающимися, растущими
и автолизирующимися дрожжевыми клетками процесс шампанизации вина в бутылках был разделен на четыре периода. Из выявленных структурно-биологических особенностей процессов, протекающих в эти периоды, стало очевидным, что общая продолжительность шампанизации определяется не скоростью биохимических реакций взаимодействующих компонентов вино-материала, дрожжевых клеток и их метаболитов, а временем полного исчерпания функционально-физиологических ресурсов дрожжей [3; 4].
Следовательно, при разработке критерия поочередного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками, находящимися в определенных активных состояниях, для моделирования первых трех периодов бутылочной шампанизации большая продолжительность контакта обозначенных биохимических реагентов не является необходимостью.
С позиции администрирования течения системы вино - дрожжи при шампанизации в непрерывном потоке можно заключить, что направления перемещения потока вина и дрожжевых клеток в установке должны совпадать, а продольное перемешивание во всем объеме следует минимизировать.
В соответствии с данным положением функционально-структурное моделирование биохимических процессов шампанизации вина традиционным способом логично реализовать в поточных аппаратах непрерывной шампанизации. Ключевым принципом такого моделирования выступает очередность взаимодействия вина, постоянно изменяющегося по составу в течение времени пребывания в аппарате, с дрожжевыми клетками соответствующих функциональных возможностей и их метаболитами.
Основные условия для реализации данного принципа в условиях непрерывной шампанизации:
• распределение дрожжевых клеток в аппарате должно соответствовать определенной очередности в функционально-возрастном отношении (с увеличением возраста по ходу потока вина);
• движение дрожжевых клеток должно быть однонаправленным с основным потоком течения вина.
Из вышеизложенного можно сформулировать принцип моделирования аппаратуры: для непрерывной шампанизации вина поток должен быть организован с однонаправленным перемешиванием фаз системы вино - дрожжи со значительной дифференциацией их скоростей на разных этапах процесса и разделением дрожжевых клеток по функциональным признакам.
Такому характеру движения жидкости соответствует идеализированный поток, называемый поршневым, а аппараты с такой структурой потока принято называть оборудованием полного, или идеального, вытеснения.
Модель идеального вытеснения описывает течение без перемешивания жидкости вдоль потока и равномерное распределение концентраций вещества при отсутствии химических или биохимических реакций. При возникновении указанных реакций концентрация и температура изменяются равномерно от исходной до конеч-
ной. Время пребывания частиц в биореакторе одинаково и равно отношению объема аппарата к объемному расходу жидкости.
Однако технической проблемой является реализация сформулированного принципа на практике [5]. Движение потока технологической жидкости в промышленных аппаратах недостаточно изучено.
Поскольку задача равномерного распределения бродильной смеси по сечению реактора при выходе ее из зоны эллиптического днища конструктивно решена, а структура потока технологической жидкости в промышленных реакторах недостаточно изучена, возникла необходимость в изучении гидродинамики потока в основной цилиндрической секции аппарата.
Исследования проводили на физической модели действующего реактора.
Целью исследований является изучение гидродинамики потока жидких технологических субстратов, в том числе суспензий, в биореакторах непрерывного действия на примере модернизированного аппарата для шампанизации вина.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования является смоделированный поток бродильной смеси в аппарате для шампанизации вина.
Предмет исследования - распределение макрообъемов масс жидкости и их относительных скоростей в цилиндрической секции аппарата при ее продольном перемещении в условиях свободного течения и со стабилизацией флуктуаций.
Методика исследования основывается на изучении изменений концентрации индикатора в заданных точках модели, по значениям которых можно судить о характере и структуре потока [6; 7]. Эксперимент проводили на модели аппарата, выполненной в масштабе 1:10. Система экспериментальной установки позволяла стабилизировать и при необходимости изменять объемный расход жидкости в модели, а также вводить в модельную жидкость вещество-индикатор и изучать изменение его концентрации в потоке на заданных уровнях.
Концентрация индикатора на различных участках и в разных точках, согласно плану проведения эксперимента, определялась спектрофотоме-трическим методом. Данный метод согласуется с решаемой задачей, так как спектрофотометр измеряет оптическую плотность раствора, которая имеет линейную зависимость от концентрации растворенного вещества [8].
В качестве индикатора использовали вещество КМп04 с начальной концентрацией в растворе, соответствующей условию эксперимента.
Отборы проб жидкости из потока проводили специальными пробоотборниками, минимально влияющими на характер течения.
Все эксперименты многократно повторялись для получения достоверных статистически обработанных результатов.
Для обработки полученных в ходе анализа данных и стандартизации эксперимента предварительно построили градуировочную кривую, на которой опытным путем подбирали интервал концентрации красящего вещества с целью получения линейного участка. По полученным приборным измерениям коэффициентов поглощения света обратным расчетным путем определяли искомые концентрации красителя в пробах.
В качестве оценочного критерия, отражающего характер гидродинамической картины потока, принят коэффициент дисперсии значений концентрации индикатора кс. Величина этого коэффициента характеризует среднестатистическое отклонение значений концентраций индикатора в заданных точках потока от ее начальной величины, которая теоретически является константой по вертикальной оси потока. Коэффициент дисперсии (%) определяется по формуле
где с0 - начальная концентрация индикатора на входе в цилиндрическую часть модели; с1 - концентрация индикатора в 1-й пробе; п - число проб в данном опыте на данном уровне.
При качественной оценке характера приближенно-поршневого потока приняты следующие величины коэффициента дисперсии значений концентрации индикатора: кс < 5 % - приближенно поршневое течение; кс < 5-10 % - поток промежуточного типа; кс > 10 % - начальная турбулизация ламинарного потока.
Для изучения гидродинамической обстановки в модели поточного аппарата для шампанизации вина была смонтирована лабораторная установка, включающая: модель аппарата, изготовленную из прозрачного органического стекла, с эластичными мембранами, вмонтированными на пяти заданных уровнях (1^); напорный сосуд с устройством для поддержания в нем постоянного уровня жидкости; прибор для измерения объемной скорости потока;соединительные шланги с запорной и регулирующей арматурой. Схема установки представлена на рис. 1.
Модель 1 представляет собой резервуар цилиндрической формы с эллиптическими дни-
Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования структуры потока
на прозрачной модели Fig. 1. Laboratory Installation Diagram for Studying the Flow Structure on a Transparent Model
щами 2, 3, имеющими патрубки с фланцами 4, к которым крепятся сменные штуцеры 5 разного внутреннего сечения. Резервуар оборудован устройством для равномерного распределения потока 15. Для обеспечения замкнутости гидравлической системы при заполненной колонке 9 предусмотрена конструкция, состоящая из емкости 6со специальными патрубками 7, 8. Для того чтобы жидкость не засасывало в систему из колонки, на концах верхних трубок установлены конические раструбы. Емкость 6 заполняли водой через воронку 10.
Принцип работы устройства заключается в следующем. До начала эксперимента вся система, включая модель аппарата, заполнялась водой. Из емкости 6 жидкость заполняла колонку 9, модель 1 и всю систему через нижнюю трубку 8 при закрытом кране колонки. После то-
го как уровень жидкости в колонке 9 достиг нижнего края раструба трубки 7, система замыкается и жидкость перестает вытекать из емкости 6. В работе при открытом кране колонки 9 по мере вытекания из нее жидкости верхняя трубка открывается, система перестает быть герметичной, и жидкость снова начинает заполнять колонку. Данный процесс протекает непрерывно до тех пор, пока в емкости 6 есть жидкость.
Высокую стабильность объемного расхода жидкости, вытекающей из колонки, обеспечивает малое колебание уровня жидкости при работе применяемой системы, которое составляло всего 2-3 мм. Расход жидкости в системе измеряли ротаметром 11 типа РСС-5. В качестве соединительных трубопроводов 12 использовали шланги с внутренним диаметром 15 мм. Регулирующий кран 13 - бронзовый, ДУ15. Контроль точности расхода жидкости, измеряемый ротаметром, периодически проверяли лабораторным мерным цилиндром 14, время определяли по секундомеру.
При работе на лабораторной установке температуру и плотность жидкости измеряли соответственно лабораторными термометрами (ГОСТ 400-64) и денсиметрами общего назначения типов 11а и Ша (ГОСТ 1300-57), контроль плотности осуществляли пиктометрическим способом.
Для установления необходимого режима потока открывали регулирующий кран и путем изменения сечения прохода в нем устанавливали по ротаметру нужный расход жидкости.
После того как поток чистой воды стабилизировался, во входную эллиптическую секцию через штуцер 5 при постоянной работе мешалки вводили индикатор КМп04 из расчета достиже-
ния концентрации 4 мг/дм3. При появлении окрашенной жидкости на выходе из эллиптической секции в цилиндрическую часть отбиралась проба на нулевом уровне для контроля начальной концентрации индикатора.
Для оценки степени неравномерности потока в цилиндрической части модели, т. е. его отклонения от приближенно поршневого характера течения, анализировали изменения концентрации индикатора в заданных точках. Концентрации индикатора в пробах определяли спектро-фотометрическим методом. Для исследований использовали спектрофотометр СФ-2000 ОМО ЛОМО с толщиной рабочего слоя 10 мм.
Пробы отбирали устройством в виде специального шприца с длинной иглой и градуированным штоком. Иглу вводили в резервуар через эластичные мембраны. Для минимизации влияния на структуру потока иглу плавно, но быстро выдвигали в зону забора, от периферии к центру и обратно. Пробы брали с двух радиально противоположных сторон модели.
Отобранные пробы объемом 2 мл каждая помещали в кювету спектрофотометра и поочередно анализировали. Получив коэффициент поглощения света с помощью градуировочной кривой, обратным расчетным путем определяли искомые концентрации КМп04 в пробах.
Результаты исследования и их обсуждение
Отбор проб проводили на пяти уровнях модели в трех радиально разноудаленных точках (см. рис. 1) с трехкратным повторением. Средние арифметические значения концентрации индикатора для каждой точки (мг/дц3) представлены в табл. 1.
Таблица 1. Значения концентрации индикатора для исследуемых точек Table 1. Indicator Concentration Values for the Studied Points
Уровень I Номер точки
1.1
I 1.2 1.3 2.1
II 2.2 2.3 3.1
III 3.2
3.3
Концентрация KMnO4 в разных повторностях
3,92 3,87
3.82 3,86 3,56 3,32
3.83 3,46 3,15
3,87 3,79 3,75 3,78 3,41 3,20 3,74 3,39 3,10
3,99 3,98 3,83 3,89 3,47 3,24 3,83 3,47 3,11
Средняя концентрация KMnO4
3,92 3,88 3,80 3,38 3,48 3,25 3,80 3,44 3,12
1
2
3
Окончание табл. 1 Table 1 (Breakover)
Уровень Номер точки Концентрация KMnO4 в разных повторностях Средняя концентрация KMnO4
1 2 3
4.1 3,79 3,74 3,75 3,76
IV 4.2 3,39 3,33 3,25 3,32
4.3 2,91 2,99 2,96 2,95
5.1 3,71 3,66 3,67 3,68
V 5.2 3,21 3,19 3,21 3,20
5.3 2,81 2,66 2,78 2,76
Расчетные величины коэффициентов дисперсии kc значений концентрации индикатора в заданных точках потока представлены в табл. 2.
Таблица 2. Величины коэффициентов дисперсии значений концентрации индикатора в заданных точках потока Table 2. Dispersion Coefficients Values of the Indicator Concentration Values at the Specified Flow Points
Уровень Номер точки Коэффициент дисперсии значений концентрации kc, % Степень отклонения, %
1.1 1,17
I 1.2 1,78 > 5
1.3 3,02
2.1 2,36
II 2.2 8,61 < 5-10
2.3 13,30 > 10
3.1 3,02 < 5
III 3.2 9,38 < 5-10
3.3 16,24 > 10
4.1 3,34 < 5
IV 4.2 11,80 > 10
4.3 20,50
5.1 5,00 < 5-10
V 5.2 14,40 > 10
5.3 25,90
По полученным данным построен график семейства кривых, отражающих зависимость кс = /(хг), представленный на рис. 2.
Из полученных результатов следует, что на каждом уровне в начальных точках (1.1, 2.1, 3.1,
4.1, 5.1) течение потока приближенно поршневое. Далее по мере продольного удаления от начала цилиндрической части модели поток заметно деформируется и может быть классифицирован как поток промежуточного типа (точки
2.2, 3.2, 5.1), а начиная с уровня II становится очевидным неравномерное распределение скоростей ламинарного потока (точки 2.3, 3.3, 4.2,
4.3, 5.2, 5.3).
В целом проведенное исследование показало, что в цилиндрической части бродильного аппарата установки для шампанизации вина отмечена неравномерность скоростей потока в различных зонах как по высоте, так и в радиальном направлении, что схематично представлено в виде эпюр на рис. 1. Об этом свидетельствует изменяющаяся концентрация индикатора с определенной нами закономерностью. Так, при удалении изучаемого потока от распределительной решетки, где замеряемая концентрация оставалась во всех опытах практически постоянной, начальная концентрация индикатора изменялась незначительно. В то же время в радиальном направлении она существенно уменьшалась к периферии. Причем на более удаленных уровнях (Ш^) относительная разность концентраций становилась все более значительной.
Таким образом, на основе проведенных опытно-экспериментальных исследований и выполненных расчетов можно утверждать, что в цилиндрической части поточного аппарата для шампанизации вина поток по структуре явно отличается от приближенно поршневого. Такой режим течения суспензии можно классифициро-
30
m
re
Ф
s as
-e-em О
25,9
Ш -ЙЙ to Q_ " О
5 s
О. 4
tt1 I
с s
£ s
4
Радиальное удаление точек проб от вертикальной оси потока хг
Рис. 2. Зависимость коэффициента дисперсии значений концентрации индикатора от координат точек отбора проб в потоке Fig. 2. Dispersion Coefficient Dependence of the Indicator Concentration Values on the Coordinates of Sampling Points in the Flow
вать как переходный с возрастающей неравномерностью в продольном направлении от входа к выходу аппарата.
Указанная структура потока системы вино -дрожжи не удовлетворяет технологическим условиям, поскольку наблюдается проскок не-прореагировавших компонентов, вынос молодых клеток дрожжей и, как результат, снижение производительности аппарата и качества продукции [9]. Это обусловливает необходимость в конструктивной модернизации аппарата для снижения неравномерности потока в его цилиндрической части.
Нами предложено устройство для стабилизировать поток бродильной смеси путем продольного плоскопараллельного секционирования аппарата [10], наиболее предпочтительного как с точки зрения течения жидкостей в каналах разной конфигурации, так и в отношении возможной простоты предлагаемой конструкции.
Секционирование осуществляется тонкими плоскими продольными перегородками, изготовленными из непроницаемого для жидкости материала. С целью простоты и удобства монтажа эти перегородки конструктивно предлагается выполнить из жесткой пленки поливинилхло-рида (прозрачной, 0,2 мм ПВХ ТУ), нижний и верхний края отрезков которой закрепляются на металлических трубках. При этом верхние трубки являются несущими и устанавливают-
ся на кронштейны, прикрепленные к внутренней стороне обечайки цилиндрической части аппарата, по периметру с шагом 50 мм. Соответственно расстояние между секционирующими поверхностями - это ширина каналов, определяемая конструктивно и равная также 50 мм. Указанные размеры могут варьировать в зависимости от деталей конструкции и габаритов аппаратов.
Нижние трубки служат весовой нагрузкой для растягивания отрезков пленки и удержания их в строго вертикальном положении.
Перед монтажом секционирующих поверхностей пленка наматывается на трубки и в таком положении заводится в аппарат через его верхний люк. После установки верхних трубок на кронштейны рулончики пленки распускаются, образуя плоские продольно-секционирующие перегородки.
Для определения эффективности предложенного стабилизирующего устройства потока, предусматривающего продольное секционирование цилиндрической части аппарата плоскими перегородками, были проведены исследования гидродинамической обстановки на представленной ранее на рис. 1 лабораторной установке.
Отбор проб проводился на пяти уровнях в трех точках, а также в каждой точке с трехкратным повторением;средние арифметические значе-
Таблица 3. Значения концентрации индикатора для исследуемых точек Table 3. Indicator Concentration Values for the Studied Points
Уровень Номер точки Концентрация KMnO4 в разных повторностях Средняя концентрация
1 2 3 KMnO4
1.1 3,991 3,989 3,990 3,990
I 1.2 3,982 3,977 3,984 3,981
1.3 3,984 3,976 3,981 3,980
2.1 3,989 3,985 3,983 3,987
II 2.2 3,967 3,974 3,969 3,970
2.3 3,959 3,962 3,959 3,960
3.1 3,986 3,994 3,987 3,989
III 3.2 3,948 3,946 3,956 3,950
3.3 3,939 3,943 3,938 3,940
4.1 3,984 3,979 3,980 3,981
IV 4.2 3,955 3,937 3,944 3,942
4.3 3,931 3,940 3,943 3,938
5.1 3,951 3,946 3,950 3,949
V 5.2 3,933 3,937 3,920 3,930
5.3 3,919 3,926 3,918 3,921
ния концентрации индикатора для каждой точки заносили в табл. 3. Иглу пробоотборника вводили между секционирующими перегородками, которые были установлены в модели [11].
Расчетные величины коэффициентов дисперсии значений концентрации индикатора в заданных точках потока представлены в табл. 4.
По данным табл. 4 легко построить график зависимости коэффициента дисперсии значений концентрации индикатора от координат точек отбора проб в потоке. Однако полученные результаты в зонах отбора столь близки, что с достаточной достоверностью их целесообразно представить в виде усредненной кривой с минимальным и максимальным отклонением от оптимума (kc = 0), соответственно kc min = 0,14, k = 114
Rc max i, i -т.
Для наглядного сравнения эффективности предложенного устройства для решения поставленной задачи на рис. 3 представлены кривые зависимости kc = f(xr), полученные в экспериментах в свободном и секционированном пространстве модели (интегральная кривая 6).
Рассчитанные на основе полученных экспериментальных данных коэффициенты дисперсии значений концентрации индикатора показали, что интервал разницы турбулизации потока между уровнями продольного течения существенно сократился.
Таблица 4. Величины коэффициента дисперсии значений концентрации индикатора в заданных точках потока в модернизируемой установке Table 4. Dispersion Coefficient Values of the Indicator Concentration Values at Specified Flow Points in the Upgraded Installation
Уровень Номер точки Коэффициент дисперсии значений концентрации kc, , % Степень отклонения, %
1.1 0,14
I 1.2 0,27
1.3 0,29
2.1 0,15
II 2.2 0,43
2.3 0,50
3.1 0,18
III 3.2 0,73 Менее 5
3.3 0,87
4.1 0,29
IV 4.2 0,84
4.3 0,90
5.1 0,74
V 5.2 1,01
5.3 1,14
ai Ja"
S «о
5 CL
S g
i 1 U S
a. ч ai x с s
M
1 Q-
=r a» s zr i
s
30
25
20
15
10
0,14
0,73
1,14
I
Радиальное удаление точек проб от вертикальной оси потока хг
II III IV ш V —•— Со стабилизатором
Рис. 3. Зависимость коэффициента дисперсии значений концентрации индикатора от координат точек отбора проб в потоке Fig. 3. Dispersion Coefficient Dependence of the Indicator Concentration Values on the Coordinates of Sampling Points in the Flow
Сравнительная эпюрная схема гидродинамики потока в свободном и секционированном пространстве цилиндрической части модели аппарата представлена на рис. 4.
Заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.
1. В цилиндрической части биореакторов со свободным пространством отмечается значительная неравномерность скоростей макрообъемов технологической жидкости в продольном направлении потока. С увеличением расстояния от входного сечения это явление усиливается. Такая структура потока снижает эффективность процессов из-за проскока непрореагировавших реагентов системы субстрат - микроорганизмы и не позволяет использовать в полной мере потенциал биомассы.
2. При установке предложенного устройства -стабилизатора потока, секционирующего пространство в цилиндрической части реактора, гидродинамика потока в целом значительно изменяется: характер течения стремится к идеальному в приближенно поршневом режиме.
3. Внедрение устройств, секционирующих пространство в цилиндрической части аппаратов (стабилизаторов потока), позволит существенно повысить эффективность биотехнологических
Рис. 4. Сравнительная эпюрная схема гидродинамики
потока в свободном 1 и секционированном 2 пространстве цилиндрической части модели аппарата Fig. 4. Comparative Plot Diagram of the Flow Hydrodynamics in the Free 1 and Partitioned 2 Space of the Cylindrical Part of the Apparatus Model
процессов за счет улучшения гидродинамики и, как следствие, активизировать взаимодействие субстратов с микроорганизмами, иммобилизованными на развитых секционирующих поверхностях.
Библиографический список
1. Неровных Л.П., Агеева Н.М., Даниелян А.Ю. Влияние биологических средств на процесс вторичного брожения виноматери-алов резервуарным способом // Виноделие и виноградарство. 2017. № 6. С. 11-16.
2. Неровных Л.П., Агеева Н.М., Даниелян А.Ю. Влияние биологических средств на процесс вторичного брожения виноматери-алов бутылочным способом // Виноделие и виноградарство. 2017. № 3. С. 9-15.
3. Markoski, M.M.; Garavaglia, J.; Oliveira, A.;Olivaes, J.; Marca-denti, A. Molecular Properties of Red Wine Compounds and Cardi-ometabolic Benefits. Nutrition and Metabolic Insights. 2016. Vol. 9. Pp. NMI.S32909. DOI: https://doi.org/10.4137/nmi.s32909.
4. Matallana, E.; Aranda, A. Biotechnological Impact of Stress Response on Wine Yeast. Letters in Applied Microbiology. 2016. Vol. 64. Iss. 2. Pp. 103-110. DOI: https://doi.org/10.1111/lam.12677.
5. Johnson, C.; Natarajan, V.; Antoniou, C. Verification of Energy Dissipation Rate Scalability in Pilot and Production Scale Bioreac-tors Using Computational Fluid Dynamics. Biotechnology Progress. 2014. Vol. 30. Iss. 3. Pp. 760-764. DOI: https://doi.org/10.1002/ btpr.1896.
6. Магомедов Н.М. Разработка технологии игристых вин на основе интенсификации процесса вторичного брожения: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.01. Москва, 2011. 25 с.
7. Варфоломеев С.Д., Луковенков А.В., Семенова Н.А. Устойчивость метаболизма // Физическая химия биопроцессов / под ред. чл.-корр. РАН С.Д. Варфоломеева. М.: КРАСАНД, 2014. C. 13-67. ISBN 978-5-396-00585-3.
8. Giosanu, D.;Vijan, L.E.; Deliu, I. The Instrumental Methods of Analysis Used in the Control of Oenological Products. Universitatea din Craiova University of Craiova. Seria: Biologie, Horticulture, Tehnologia prelucrarii produselor agricole, Ingineria mediului. 2010. Vol. XV ( XLXI ). Pp. 263-268.
9. Авакянц С.П. Биологические основы технологии шампанского: монография. Москва: Изд-во «Пищевая промышленность», 1980. 352 с.
10. Пищиков Г.Б., Попова Д.Г., Минухин Л.А. К вопросу иммобилизации микроорганизмов на контактных поверхностях в продольно-секционированных биореакторах // АПК России. 2020. Т. 27, № 3. С. 557-562.
11. Оганесянц Л.А., Рейтблат Б.Б., Дубинчук Л.В., Татевосян И.А., Драган В.М., Тартус В.С. Исследование процесса вторичного брожения с использованием флуктурирующих и иммобилизованных дрожжей // Виноделие и виноградарство. 2012. № 5. С. 16-18.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке новых и модернизации существующих аппаратов в пищевой и микробиологической отраслях промышленности.
Bibliography
1. Nerovnyh, L.P.; Ageeva, N.M.; Danielyan, A.Yu. Vliyanie Biologich-eskih Sredstv na Process Vtorichnogo Brozheniya Vinomaterialov Rezervuarnym Sposobom [Biological Agents Influence on the Secondary Fermentation Process of Wine Materials by the Reservoir Method]. Vinodelie i Vinogradarstvo. 2017. No. 6. Pp. 11-16.
2. Nerovnyh, L.P.; Ageeva, N.M.; Danielyan, A.Yu. Vliyanie Biologich-eskih Sredstv na Process Vtorichnogo Brozheniya Vinomaterialov Butylochnym Sposobom [Biological Agents Influence on the Secondary Fermentation Process of Wine Materials by the Reservoir Method]. Vinodelie i Vinogradarstvo. 2017. No. 3. Pp. 9-15.
3. Markoski, M.M.; Garavaglia, J.; Oliveira, A.; Olivaes, J.; Marca-denti, A. Molecular Properties of Red Wine Compounds and Cardi-ometabolic Benefits. Nutrition and Metabolic Insights. 2016. Vol. 9. Pp. NMI.S32909. DOI: https://doi.org/10.4137/nmi.s32909.
4. Matallana, E.; Aranda, A. Biotechnological Impact of Stress Response on Wine Yeast. Letters in Applied Microbiology. 2016. Vol. 64. Iss. 2. Pp. 103-110. DOI: https://doi.org/10.1111/lam.12677.
5. Johnson, C.; Natarajan, V.;Antoniou, C. Verification of Energy Dissipation Rate Scalability in Pilot and Production Scale Bioreac-tors Using Computational Fluid Dynamics. Biotechnology Progress. 2014. Vol. 30. Iss. 3. Pp. 760-764. DOI: https://doi.org/10.1002/ btpr.1896.
6. Magomedov, N.M. Razrabotka Tekhnologii Igristyh Vin na Osnove Intensifikacii Processa Vtorichnogo Brozheniya [Development of Sparkling Wine Technology Based on the Secondary Fermentation Process Intensification]: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk: 05.18.01. Moskva, 2011. 25 p.
7. Varfolomeev, S.D.; Lukovenkov, A.V.; Semenova, N.A. Ustojchi-vost' Metabolizma [Metabolism Stability]. Fizicheskaya Himiya Bi-oprocessov. Pod Red. CHl.-Korr. RAN S.D. Varfolomeeva. M.: KRAS-AND. 2014. Pp. 13-67. ISBN 978-5-396-00585-3.
8. Giosanu, D.; Vijan, L.E.; Deliu, I. The Instrumental Methods of Analysis Used in the Control of Oenological Products. Universitatea din Craiova University of Craiova. Seria: Biologie, Horticulture, Tehnologia prelucrarii produselor agricole, Ingineria mediului. 2010. Vol. XV ( XLXI ). Pp. 263-268.
9. Avakyanc, S.P. Biologicheskie Osnovy Tekhnologii Shampansko-go [Biological Bases of the Champagne Technology]: Monografiya. Moskva: Izd-vo «Pishchevaya Promyshlennost'». 1980. 352 p.
10. Pishchikov, G.B.; Popova, D.G.; Minuhin, L.A. K Voprosu Im-mobilizacii Mikroorganizmov na Kontaktnyh Poverhnostyah v Prodol'no-Sekcionirovannyh Bioreaktorah [On the Immobilization Issue of Microorganisms on Contact Surfaces in Longitudinally Sectioned Bioreactors]. APK Rossii. 2020. Vol. 27. No. 3. Pp. 557-562.
11. Oganesyanc, L.A.; Rejtblat, B.B.; Dubinchuk, L.V.; Tatevosyan, I.A.; Dragan, V.M.; Tartus, V.S. Issledovanie Processa Vtorichnogo Brozheniya s Ispol'zovaniem Flukturiruyushchih i Immobilizovan-nyh Drozhzhej [Research of the Secondary Fermentation Process Using Fluctuating and Immobilized Yeast]. Vinodelie i Vinogradarstvo. 2012. No. 5. Pp. 16-1
Информация об авторах / Information about Authors Пищиков
Геннадий Борисович
Pishchikov, Gennady Borisovich
Тел./Phone: +7 (343) 221-27-66 E-mail: gbp@k66.ru
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пищевой инженерии Уральский государственный экономический университет
620144, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Профессор кафедры пищевой инженерии аграрного производства Уральский государственный аграрный университет 620075, Российская Федерация, г. Екатеринбург,ул. Карла Либкнехта, 42
Doctor of Technical Science, Professor, Professor of the Food Engineering Department Ural State University of Economics
620144 Russian Federation, Ekaterinburg, 8 March St./Narodnoy Voli St., 62/45 Professor of the Department of Food Agricultural Production Engineering Ural State Agrarian University
620075, Russian Federation, Ekaterinburg, Karla Liebknechta St., 42 ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4899-8984
Маньков
Антон Вячеславович
Mankov,
Anton Vyacheslavovich
Тел./Phone: +7 (343) 221-41-10 E-mail: mankvant@rambler.ru
Старший преподаватель кафедры пищевой инженерии аграрного производства
Уральский государственный аграрный университет
620075, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42
Senior Lecturer of the Department of Food Agricultural Production Engineering Ural State Agrarian University
620075, Russian Federation, Ekaterinburg, Karla Liebknechta St., 42 ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3315-7242
