CC BY
56
Химия растительного сырья. 2012. №2. С. 173-178.
Технологии
УДК 66.021.3
К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ РОТОРОВ ГЕЛИКОИДАЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
© К.А. Иванов , Д.А. Иванов, А.П. Руденко
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: ivanov.sibstu@yandex.ru
В работе исследуется эффективность работы роторов геликоидального типа? обеспечивающих высокую интенсивность массо- и энергообмена клеток со средой. Получены математические зависимости для расчета объемного коэффициента массоотдачи кислорода в воде при различных значениях среднерасходной скорости газа и удельной мощности работы биореактора.
Ключевые слова: биореактор, диспергированность, коэффициент массоотдачи, массообмен, ротор геликоидального типа, среднерасходная скорость газа, удельная мощность.
Введение
Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструктивно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, - обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментера служит коэффициент массопередачи кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход кислорода на образование 1 кг биомассы в зависимости от типа углеродсодержащего сырья и степени его восстановленности может составлять от 0,75 до 5,00 кг [1]. Клетки способны утилизировать кислород только в растворенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его концентрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного продуцента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна превышать скорость его потребления клеткой, и в околоклеточном пространстве не должно возникать так называемых концентрационных ям. Кроме этого, концентрация клеток и растворенного субстрата должна быть равномерной по всему объему ферментера. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемешивании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и, диспергируясь, увеличивают площадь контакта фаз «среда - клетка». Однако чрезмерное перемешивание может вызвать механическое повреждение биологических объектов [1, 2].
К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих устройств; лопастные, турбинные, пропеллерные, якорные, рамные мешалки. Совершенствование
таких перемешивающих органов с целью повышения
ИвановКирилл Александрович - аспирант, их производительности сдерживается неспособно
e-mail: ivanov.sibstu@yandex.ru
ИвановДмитрий Александрович - аспирант, e-mail: www.kir_ill@list.ru
Руденко Анатолий Павлович - заведующий кафедрой
стью отвечать специфичным требованиям ферментационных сред с микробными клетками.
Для создания устройств с высокой произ-
технологии конструкционных материалов и водительностью, обеспечивающих тонкое муль-
машиностроения, доктор технических наук, профессор, типеремешивание, большой интерес вызывают
e-mail: tolyrudenko@yandex.ru
роторы геликоидального типа (рис. 1),
* Автор, с которым следует вести переписку.
разработанные авторами в лаборатории Сибирского государственного технологического университета. Данный тип перемешивающего органа способен значительно снизить и даже устранить недостатки традиционных перемешивающих устройств.
Для исследования влияния конструкции ротора на массообменные процессы изготовлен типоразмерный ряд перемешивающих органов.
Типоразмерный ряд роторов геликоидного типа представлен с изменяющимся углом закручивания образующей желоба: 90, 180, 270° для различных технологических режимов работы биореактора [3].
Исследования проводились в аппарате цилиндрической формы Бад = 215 мм, Над = 220 мм, число отражательных планок п = 4 шт. Коэффициент заполнения аппарата Н/Б = 1. Среднерасходная скорость воздуха иг варьировалась от 0,018 до 0,04 м/с.
Концентрация кислорода в жидкости определялась датчиком полярографического типа ТЬБМ0М1БР2. Затрачиваемая на перемешивание жидкости мощность измерялась с помощью комплекса К50.
Эксперименты проводились при частоте вращения ротора от 100 до 500 об/мин с целью определения интенсивности растворения кислорода в жидкости с минимальными удельными энергозатратами.
Коэффициент массоотдачи рассчитывался согласно формуле [2, 4]:
Рис. 1. Роторы геликоидального типа
ру = 1п[(1 - (С,./С *))А]Д
(1)
где С, - показание полярографического датчика, ток, В; С - равновесная концентрация кислорода, мг/л; А - коэффициентная величина; - время отбора проб, с.
Равновесная концентрация считалась по закону Генри:
С * = 14,15 - 0,3943 • Г + 0,007714 • Г2 - 0,0000646 • /3,
(2)
где / - температура воды, °С.
Коэффициентная величина А определяется формулой:
(3)
где С„ - начальная концентрация растворенного кислорода в жидкости, кг/м .
Результаты экспериментов представлены на рисунках 2 и 3, причем на рисунке 2 показана зависимость объемного коэффициента массоотдачи Д, от частоты вращения перемешивающего органа п и типа геликоидального ротора, а на рисунке 3 - зависимость объемного коэффициента массоотдачи Д, от среднерасходной скорости газа ыг и частоты вращения перемешивающего органа п.
На основе полученных данных была составлена сводная таблица эффективности работы роторов ге-ликоидальноготипа (табл. 1).
Результаты, приведенные в таблице 1, позволяют подобрать определенный вид ротора геликоидального типа и технологический режим работы биореактора, который является оптимальным при культивировании конкретного продуцента.
Так, для ротора с углом закрутки, образующей желоба, равной 270° при минимальных частотах вращения, поток жидкости движется по желобу более длительное время, в результате чего ему сообщается больше энергии и на выходе с ротора он приобретает большую скорость. Однако при более высоких скоростях происходит срыв потока с желоба из-за больших центробежных скоростей, вследствие чего за кромками лопастей ротора образуются завихрения, ослабляющие циркуляцию потока в рабочей полости биореактора.
Рис. 2. Графическая зависимость объемного коэффициента массоотдачи от частоты вращения перемешивающего органа п и типа геликоидального ротора: а - среднерасходная скорость газа иг = 0,018 м/с; б - среднерасходная скорость газа пг = 0,03 м/с; в - среднерасходная скорость газа иг = 0,04 м/с. Точки (1-3): 1 - ротор с углом закрутки 90°; 2 - ротор с углом закрутки 180°; 3 - ротор с углом закрутки 270°.
в
100,0
0,0
О 100 200 300 400 500 600
11, оо/мин
0,0 --------------------------------------------------------------------------------------------- 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045
0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045
IV, м/с
Рис. 3. Графическая зависимость объемного коэффициента массоотдачи Д, от среднерасходной скорости газа иг и частоты вращения перемешивающего органа п: а - ротор с углом закрутки 90°; б - ротор с углом закрутки 180°; в - ротор с углом закрутки 270°. Точки (1-5):
1 - п = 100 об/мин; 2 - п = 200 об/мин;
3 - п = 300 об/мин; 4 - п = 400 об/мин;
5 - п = 500 об/мин
Ротор 90° не обеспечивает интенсивного перемешивания на малой частоте вращения. Это связано с тем, что при таком режиме в рабочей полости аппарата возникают окружные силы, которые из-за малой скорости движения, при наличии вертикальных отражательных планок, не способны преобразоваться в осевые силы, что отрицательно влияет на циркуляцию, а значит и на перемешивания слоев жидкости в корпусе. Однако с увеличением частоты вращения возникает всасывающий эффект при работе ротора. Поток жидкости приобретает скорость не только за счет передачи энергии от ротора, но и под действием потока жидкости, засасываемого ротором.
Ротор 180° занимает промежуточное положение между роторами 90 и 270°.
Полученные экспериментальные данные объемного коэффициента массоотдачи были сопоставлены с данными по открытой турбинной мешалке [4] (рис. 4).
в
Таблица 1. Сводная таблица эффективности работы роторов геликоидального типа
Тип Среднерасходная Частота вращения ротора п, об/мин
ротора скорость газа и, м/с 100 200 300 400 500
0,018
90 0,03
0,04
0,018
180 0,03
0,04
0,018
270 0,03
0,04
Объемный коэффициент массопередачи Д, ч-1 79,5-175,3 83,5-187,3 111,3-258,5 200,9-462,5 382-480,9
Примечание:
Интенсивное перемешивание Менее интенсивное перемешивание Не интенсивное перемешивание
Рис. 4. Гистограмма объемного коэффициента массоотдачи Д, от частоты вращения п и типа перемешивающего органа: а - ыг = 0,018 м/с;
б - иг = 0,03 м/с; в - иг = 0,04 м/с. Точки (1-4):
1 - ротор с углом закрутки 90°; 2 - ротор с углом закрутки 180°; 3 - ротор с углом закрутки 270°;
4 - открытая турбинка
При анализе гистограмм установлено, что наиболее эффективно работа ротора геликоидального типа совершается при п > 400 об/мин. Сравнительно невысокие значения коэффициента массоотдачи при п < 400 об/мин обусловлены низким газосодержанием и неразвитой межфазной поверхностью, создаваемые данным типом ротора.
Согласно полученным данным, концентрация растворенного кислорода в рабочем объеме биореактора возрастает с увеличением расхода газа, подаваемого в аппарат и числа оборотов перемешивающего устройства.
Для расчета объемного коэффициента массоотдачи кислорода в воде, перемешиваемой роторами геликоидального типа при различных значениях среднерасходной скорости газа и удельной мощности, были получены уравнения в виде, приведенном в таблице 2.
Таблица 2. Уравнения объемного коэффициента массоотдачи
Удельный расход электроэнергии, E = N/V при Угол закрутки, образующей желоба, ° Среднерасходная скорость газа ur, м/с
0,018 0,03 0,04
90 Ри = 37E °’5 Ри = 77 E °’3 Pv = 35E °’7
E < 10 кВт/м3 180 Ри = 46E °’27 Ри = 72E °’34 Ри = 104E °’2
270 Ри = 14E °’97 Ри = 124E °л Pv = 76E °’4
90 Ри = 17 -10 ~3 E39 Ри = 30 -10 ~3 E3’76 Pv = 8 -10 ~3 E4’3
E > 10 кВт/м3 180 Pv = 0,4 -10~3 E53 Ри = 13 -10 ~3 E4Д Ри = 50 -10~3 E3’6
270 Ри = 20 -10 ~3 E3’9 Ри = 0,23E3 Ри = 0,13E3’2
Выводы
1. Полученные экспериментальные данные по эффективности работы роторов геликоидального типа позволяют выполнять подбор определенной конструкции ротора с последующей разработкой оптимально -го технологического режима при культивировании конкретного продуцента.
2. Экспериментально подтверждено увеличение эффективности работы роторов геликоидального типа в диапазоне больших частот вращения по сравнению с турбинными мешалками.
3. Используя разработанные математические модели объемного коэффициента массоотдачи, стало возможным его аналитическое определение для любого режима работы биореактора.
Список литературы
1. Бекер М.Е. Введение в биотехнологию. Рига, 1978. 231 с.
2. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов. М., 1979. 344 с.
3. Иванов К.А., Иванов Д.А., Руденко А.П. Построение пространственной геометрии ротора геликоидного типа с различным функциональным назначением // Наука и современность - 2011. Новосибирск, 2011. Ч. 2. С. 32-35.
4. Гурулев К.В. Технико-технологические характеристики процесса биосинтеза биоразрушаемых полимеров и реализация опытного производства: дис. ... канд. тех. наук. Красноярск, 2006. 135 с.
Поступило в редакцию 17 апреля 2012 г.
Ivanov K.A. *, Ivanov D.A., Rudenko A.P. DEVELOPMENT OF ROTORS OF HELICOIDS TYPE FOR BIOCHEMICAL REACTORS
Siberian State Technological University, pr. Mira, 82, Krasnoiarsk, 660049 (Russia), e-mail: ivanov.sibstu@yandex.ru
In work overall performance of rotors of helicoids type providing high intensity mass-and a power exchange of cages with Wednesday is investigated. Mathematical dependences for calculation of volume factor mass delivery oxygen in water are received at various values of average and account speed of gas and specific capacity of operation of the bioreactor.
Keywords: bioreactor, dispersion, factor mass delivery, mass exchanged, rotor of helicoids type, average and account speed of gas, specific capacity.
* Corresponding author.
References
1. Beker M.E. Vvedenie v biotekhnologiiu. [Introduction to biotechnology]. Riga, 1978, 231 p. (in Russ.).
2. Kafarov V.V., Vinarov A.Iu., Gordeev L.S. Modelirovanie biokhimicheskikh reaktorov. [Modeling of biochemical reactors]. Moscow, 1979, 344 p. (in Russ.).
3. Ivanov K.A., Ivanov D.A., Rudenko A.P. Nauka i sovremennost’ - 2011. Novosibirsk, 2011, vol. 2, pp. 32-35. (in Russ.).
4. Gurulev K.V. Tekhniko-tekhnologicheskie kharakteristiki protsessa biosinteza biorazrushaemykh polimerov i realizatsiia opytnogo proizvodstva : dis. ... kand. tekh. nauk. [Technical and technological characteristics of the biosynthesis of biodegradable polymers and implementation of pilot production: thesis Ph.D. engineering]. Krasnoiarsk, 2006, 135 p.
Received April 17, 2012
