CC BY
83
УДК 663.033
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.42614
КЛАСИФ1КАЦ1Я ТА АНАЛ1З РОБОТИ ФЕРМЕНТЕР1В З МЕХАН1ЧНИМИ ПЕРЕМ1ШУЮЧИМИ ПРИСТРОЯМИ В АЕРОБНИХ ПРОЦЕСАХ БЮТЕХНОЛОГП
© Д. М. Закоморний, В. М. Поводзинський, В. Ю. Шибецький
Нами запропонована сучасна класифгкацгя промислових ферментергв з введениям енергИ механгчними перемШуючими пристроями та наведений аналгз специфжи потоюв багатофазно'1 системи, що на тдставг анал1зу процесгв масопередачi кисню в процесах аеробного культивування дозволяе розрахувати основнi параметри конструкци типових груп апаратiв
Ключовi слова: бiологiчний агент, ферментер, культивування, бiотехнологiя, гiдродинамiка, масопере-дача, механiчний перемШуючий пристрш
We have proposed modern classification of industrial fermenters with the introduction of mechanical energy by mixing devices and contained analyses of specific multiphase flow system, based on the analysis of oxygen mass transfer processes in the processes of aerobic cultivation allows to calculate basic parameters of typical groups of devices
Keywords: biological agent, fermenter (reactor), cultivation, biotechnology, hydrodynamics, mass transfer, mechanical mixing device
1. Вступ
Культивування бюлопчних агенпв (БА), серед яких найбшьш популярними продуцентами бюлопчно активних речовин, бюмаси та шшого е мшрооргашзми, орieнговане на використання фермеш^в рiзних кон-струкцш. Для проекгування, експлуатаци та розробки конструкцш ферментерш що призначеш для реалiзацil широкого кола варiантiв культивування БА потрiбна адекватна класифшацш ввдомих промислових фермен-терiв та анатз специфiчних особливостей процесiв, що супроводжують бiосинтез. Ферментер функцiонально призначений для забезпечення оптимальних для кожного типу БА умов зовтшнього оточення, серед яких найбiльш впливовими визнанi - гiдродинамiчнi та ма-сообмiннi параметри культивування.
Серед класифжацш типових конструкцiй промислових ферментерiв найбiльш популярною i визнаною е класифжащя за способом введення енергп в культуральне рiдину (КР) з метою його го-могешзацп та забезпечення теплових та масооб-мшних процесiв [1-5].
2. Постановка проблеми i огляд вiдомих типiв ферментерiв з механiчними перемiшуючими пристроями
Перемiшування, як основний енерговитратний процес, що ввдбуваеться у ферментерi реалiзуе процес перенесення компоненпв багатофазно! системи. Це досягаеться взаемодш двох або бшьшо1 кшькосп речовин в обмеженому об'емi тд дiею iмпульсу, що над-ходить ввд мiшалки, за рахунок подачi рвдини або газу [6]. Тому в основу класифшацл покладена концепйя, що перемшування в аеробних процесах реалiзуеться одним з трьох способiв введення енергп в КР:
- стисненим газом (пневматичне перемшування);
- при використаннi механiчних перемшуючих пристро!в обертового або iншого типу руху;
- за допомогою енергп рвдинно! фази.
Ферментер в данш ситуацп представляе собою
реактор з вама специфiчними характеристиками вла-стивими цьому виду обладнання i перемiшування, супроводжуеться низкою змiн гiдродинамiчних по-казник1в КР - швидкостi газорвдинной дисперсп, ш-тенсивностi зрiзових зусиль, газовмюту, часу гомо-гешзацп тощо.
3. Лiтературний огляд
Ферментери в яш введення енергп здшснюеть-ся мехашчними перемiшуючими пристроями можна класифшувати за особливостями конструкци як самого реактора так i за особливостями мшалок. В цьому випадку мiшалка е робочим елементом ме-ханiчного перемiшуючого пристрою. Наразi пе-ремiшування в промислових ферментерах може здшснюеться всiм спектром ввдомих мшалок (12 типiв), що використовуються в рщкофазних системах але в бютехнологп традицiйно перевага ввд-даеться швидшсним - лопатевим, гвинтовим та турбшним, як1 працюють при в'язкосп КР не бiльше 50 Па-с. (рис. 1) [7].
В промислових ферментерах зазвичай викори-стовують мехашчш мiшалки з обертальним рухом. Щд час роботи таких мiшалок виникае складний три-вимiрний рух рвдини - тангенцiальний, радiальний, аксiальний (осьовий)) в якому переважае окружна складова швидкостi (рис. 2). Щеремiшування рщко1 фази ввдбуваеться за рахунок вихорiв, що виникають на краях мшалки [6-8].
Рис. 1. Конструкцп мехашчних мшалок: а - лопатева мшалка; б - трьохлопатева мшалка; в - шестилопатева мшалка; г - сшрально-лопатева мшалка; д - гвинтова мшалка; е - в1дкрита турбшна мшалка; е - закрита турбшна мшалка; ж - клпъова мшалка; з - листова мшалка; i - шнекова мшалка; к - якрна мшалка; л - рамна мшалка
Рис. 2. Профшь руху рщини: а - при тангенщальному рус р1дини; б - при рад1альному руху рщини; в - при осьовому руху рщини
При тангенщальному рус р1дина в апарат рухаеться переважно по концентричних колах, пара-лельним площит обертання мшалки. Яксть пе-ремшування буде найлршим, коли швидюстъ обертання р1дини буде доршнювати швидкост обертання мшалки. Рад1альний рух рщини характеризуемся спрямованим рухом р1дини вщ мшалки до стшок апа-рату перпендикулярно ос обертання мшалки. Осьовий рух рщини направлений паралельно ос обертання мшалки. Первинним е тангенщальний рух р1дини що утворюеться при робот! всх тишв мшалок.
Пщ д1ею в1дцентрово1 сили, що виникае при обертанш будь-якого типу мшалки р1дина сткае з лопатей в рад1альному напрямку. Бшя ст1нки апарату, цей потк длиться на два: один рухаеться вгору, ш-ший - вниз. Виникнення рад1ального руху призво-дить до того, що в перехщнш облаот створюеться зона зниженого тиску, куди i спрямовуеться р1дина, що рухаеться вiд вiльноi поверхш рiдини i вiд дна апарату, тобто виникае аксальний (осьовий) потк, що рухаеться у верхнiй частит судини зверху вниз до мшалки. Таким чином, в апаратi створюеться стшке аксiальне течiя, або стшка циркулящя [6, 8].
Характерною особливютю конструкцii проми-слових ферментерiв е те що до них вщносяться стальт апарати з механiчними перемiшуючими при-строями номiнальним об'емом вщ 0,01 до 100 м3 у рщкофазних середовищах з динамiчною в'язкстю не бшьше 200 Па-с [7].
б
а
б
а
в
г
д
е
э
в
к
4. Класифшащя та аналiз роботи фермен-TepiB з з мехашчними перемiшуючими при-строями
Ферментери можуть бути класифшэват по кон-струкцiйним ознакам та по принципу до (рис. 3). Так по вщношенню H/D розрiз-няють два основних типа:
а) реактори змшу-вання з i без циркуляцп (H/D <3);
б) колоннi реактори з i без циркуляцй' (H/D>3).
В свою чергу за способом руху КР колоннi реактори подiляють на апарати з висх1дним i низх1дним, з прямоточним i протитечiйним рухом фаз. За наявнютю в них рiзних конструкцiйних елементiв, наприклад, циркуляцiйних труб, перегородок, таршок, насадок та шших пристро!в, серед них також можна видiлити два класи фермеш^в - з циркуляцшним контуром i без нього.
Сучаснi багатотон-нажнi бiотехнологiчнi тдприемства вiддають перевагу ферментерам змiшування вертикального типу з одно валовим бага-тоярусним перемiшуючим пристроем i серед таких ферментерiв найбiльш ведомою конструкцiею виявився ферментер Ф-63-1К-01 для асептичного культивування (рис. 4). Ферментер оснащений системою мийки та сте-рил1зацп насиченою водяною парою, для гермети-зацй' мiсця введения валу в апарат застосовано торце-ве ущiльнення з термiчним затвором типу ТТ. Шдведення стерильного повиря здiйснюеться через барботер. Для регу-
лювання температури культивування використо-вуеться багатосекцшна зовнiшня сорочка та 4 вбудо-ванi сшральш теплообмiнники, якi приймають участь у створенш циркуляцiйних контурiв КР. Потужшсть привода механiчного перемiшуючого пристрою зi швидк1стю обертання 3,27с-1 90 кВт.
Рис. 3. Схема класифшацп ферментерiв з механiчними перемiшуючими
пристроями
Рис. 4. Ферментер Ф-63-1К-01: 1 - привад; 2 - торцеве ущшьнення; 3 - теплообмшник; 4 - сорочка; 5 - повиропровщ; 6 - вал; 7 - мшалка; 8 - опора конусна; 9 - опора; 10 - опора промiжна; 11 - корпус
Промисловi ферментери вертикального типу об'емом до 100 м3 оснащуються одновальним ме-ханiчним перемiшуючим пристроем з одною або дешлькома мiшалками, зазвичай мають зовнiшнiй двигун, що з'еднаний з мехашчним перемiшуючим пристроем.
Рис. 5. Одноярусш i багатоярусш ферментери з механiчними перемiшуючими пристроями та схеми руху потокiв КР: а - одноярусний ферментер; б - багатоярусний ферментер; в - багатоярусний ферментер оснащений ввдбивними перегородками; 1 - корпус; 2 - мехашчний перемiшуючий пристрш; 3 - мшалка; 4 - барботер; 5 - ввдбивш перегородки; А - вхвд рiдини; П - повиря; ВП - вiдпрацьоване повiтря
на пlдставi емпiричних спiввlдношень, оптимальна ввдстань м1ж ярусами мiшалок становить 1,5-2 Також, для унеможливлення цього явища використо-вують в1д6ивн1 перегородки. Наявшсть в1д6ивних перегородок дозволяе створити такий режим пе-ремiшування коли енергiя що введена в КР максимально витрачаеться на утворення турбулентних пульсацш i це забезпечуе максимальну ефективнють процесу масопередачi кисню з газово1 фази в р1дину.
Проблема створення керовано1 системи для р1вном1рного розподшу потоков газорвдинно1 дис-перси в ферментер! достатньо ефективно вир!шуеть-ся при використання конструкц1й для циркуляци КР - ферментери змшування з циркуляцшними контурами (рис. 6).
а б
Рис. 6. Ферментери з мехашчними перемiшуючими пристроями, циркуляцiйним контуром та схеми руху потоков КР: а - реактор з мехашчним перемiшуванням та циркуляцшним контуром; б - циркуляцшний реактор з механiчним перемiшуванням та низхвдним потоком; 1 - корпус; 2 - вал перемiшуючого пристрою; 3 - перемiшуючий
елемент; 4 - аератор; 5 - напрямна труба; 6 - циркуляцшш труби; 7 - дифузор; А - вхвд рвдини; П - повиря; ВП - ввдпрацьоване повiтря
б
а
в
Для вах ферментерiв з механiчними пе-ремiшуючими пристроями характерна наявшсть утфжованого конструкц1йного елементу, що здiйснюе первинне диспергування газу i в1н нази-ваеться первинним диспергатором. Функци такого диспергатора виконуе барботер. Первинно дисперго-ваний газ може знову бути диспергований вторинним диспергуючим пристроем -мiшалкою. Для багато-ярусних мехашчних перемiшуючих пристро1в шль-к1сть мшалок бувае в дiапазонi 1-6.
Довол1 часто в ферментерi спостерiгаеться явище захлинання мiшалки, коли утворенi вертикалью стовпи легко1 газорвдинно1 дисперси пвдшма-ються вгору, найчастiше уздовж вала мшалки, i об-межують циркуляц1ю р1дини по висот1 апарата. Тому для р1вном1рного перемiшування всього об'ему апа-рату, застосовуються багатоярусш мшалки. Число яру^в мiшалки i !х оптимальнi розм1ри визначаються
Ферментери дано! групи з ввдношенням Н / D < 2 мають механiчний перемiшуючий пристрiй i кон-струкцй' для циркуляци КР (Рис. 3 а,б). В якосп цирку-ляцiйних пристро1в використанi системи напрямних циркуляцшних труб (дифузорiв), як1 обмежують вис-хiднi та низхiднi потоки.
Серед одновальних ферментерiв змiшування вiдомi апарати з багатоярусними вiбрацiйними мшалками (рис. 7) [9].
Iнтенсивнi потоки газорвдинно! дисперси, що обумовлюють виникнення значних рiвнiв зрiзових зусиль не дозволяють використовувати типовi ферментери для культивування клiтинних культур i мжробних продуцентiв бiологiчно-активних речовин здатних до iммобiлiзацil [10]. Для виршення ще! за-дачi придатна низка апарапв з фiксованою твердою фазою (fixed bed reactor) що вiдомi в хiмiчнiй технологи як каталггачш реактори. Клiтинна плiвка
iMM06m30BaHa Ha Hocii, ^o po3TamoBaHuH y 3aMKHe-HOMy npocTopi - Kop3HHi gBox TuniB:
- peaKTop Po6iHCOHa-MaxoHi 3 HepyxoMora Kop-3hhom (puc. 8, a);
- peaKTop MaxoHi-Po6iHCOHa 3 kop3hhom, ^o o6epTaeTbca (puc. 8, 6).
Puc. 7. ®epMemep 3 Bi6pa^HHuM MexarnnHuM nepeMimyroHHM npucTpoeM Ta cxeMH pyxy noTOKiB KP:
1 - Kopnyc; 2 - Ban nepeMimyranoro npucTpora; 3 - Bi6pa^HHHH CTeHg; 4 - 6ap6oTep; A - Bxig piguHu; n - noBirpa; Bn - Bignpa^oBaHe noBirpa
6
a
a 6
Puc. 8. ©epMemepu 3 MexarnnHuMu nepeMimyranuMu npncTpoaMH, ^iKcoBaHow 6ioniiBKora Ta cxeMH pyxy
noToKiB KP: a - peaKTop Po6iHcoHa-MaxoHi 3 HepyxoMora Kop3HHow; 6 - peaKTop MaxoHi-Po6iHcoHa
3 Kop3HHoM, ^o o6epTaeTbca; 1 - Kopnyc; 2 - Bai nepeMimyranoro npucTpora; 3 - nepeMimyranun eneMeHT; 4 - aepaTop; 5 - nopo®HucTOMy цнmнgpi 3 gpoTaHoi ciTKu; a - ^epMemep 3 HepyxoMora Kop3HHow; 6 - $epMemep 3 Kop3uHora, ^o o6epTaeTbca, A - Bxig piguHu; Bn - Bignpa^oBaHe noBirpa
Сneцн$iкa noToKiB y ^epMemepa 3 mHeKoBuMu MimaiKaM npunycKae ix BuKopucTaHHa gia Kyibru-ByBaHHa KiiTuHHux Kyibryp.
8
Puc. 9. ®epMeHTepu 3 mHeKoBora Mimamora Ta cxeMu pyxy noToKiB KP: a - ^epMemep 3i mHeKoBuM nepeMimyranuMu npucrpoeM; 6 - ^epMemep 3i mHeKoBuM nepeMimyranuMu npucrpoeM Ta b^ubhumu
neperopogKaMu; c - ^epMemep 3i mHeKoBuM nepeMimyranuMu npucTpoeM ocHa^eHuM gu$y3opoM;
1 - Kopnyc; 2 - mHeKoBa Mimama; 3 - Bai;
4 - Big6uBHi neperopogKu; 5 - gu$y3op; A - Bxig piguHu; n - noBirpa; Bn - Bignpa^oBaHe noBirpa
-3k 3a3Hanaioca paHime, cyrreBa pi3Huua Mi® ^epMemepaMu 3MimyBaHHa Ta koiohhumu anapaTaMu noiarae y iHmoMy 3HaneHHi BigHomeHHa bucotu anapa-Ta go noro giaMeTpa. KoioHHi ^epMemepu (puc. 6) Mo®yTb 6yTu BuKoHaHi aK 6e3 BHyTpimHboi цнpкyIaцil, TaK i 3 Hera, aKa 3a6e3nenyeTbca HaaBHicTra цнpкyIa-^hhux npucipoiB, i aK npaBuio ^ gu$y3op.
npu nepeMimyBaHHi cepegoBu^a b anapaTax 3 6aгaтoapycннмн nepeMimyranuMu npucTpoaMu Burpa-tu noTy®Hocri pi3Ko 3pocraMTb. 36iibmeHHa nucia apyciB go mecTu npu BigcTaHi Mi® cycigmMu MimaiKa-mu l = (1^3)dM npu3BoguTb go 36iibmeHHa Brnpar no-Ty®HocTi, aKa 3aTpanaeTbca Ha nepeMimyBaHHa piguHu, npaMo nponop^HHe nuciy apyciB [2, 7].
Ao koiohhux ^epMeHTepiB Haie®arb KacKagHi ^epMeHTepu, aKi b cbom nepry Kiacu^iKyraTbca Ha anaparu 3 o6epToBuMu nepeMimyranuMu npucTpoaMu (puc. 11, a), 3 KoaKciaibHuM pyxoM nepeMimyranux npucTpoiB (puc. 11, 6) [1, 5].
а б
Рис. 10. Колонш ферментери з мехашчними перемшуючими пристроями та схеми руху потоков КР: а - колонний ферментер; б - колонний реактор з мехашчним перем1шуванням та циркуляцшним контуром; 1 - корпус; 2 - вал перем1шуючого пристрою; 3 - перем1шуючий елемент; 4 - газорозподшьний пристрш; 5 - циркуляцшш труби; А - вхвд рвдини; П - повиря; ВП - ввдпрацьоване повиря, Д - двигун
а б
Рис. 11. Каскадш ферментери: а - з обертовими перемшуючими пристроями; б - з коакаальним рухом перемшуючих пристро1в: 1 - корпус; 2 - вал перем1шуючого пристрою; 3 - перем1шуючий елемент; 4 - газорозподшьний пристрш; А - вхвд рвдини; П - повиря; ВП - ввдпрацьоване повиря, Д - двигун
На рис. 11, а представлений ферментер, який роздшений на окрем1 зони по висои апарату. По центру встановлений вал 2 з перемшуючими елемента-ми 3 таким чином, щоб кожний елемент мшалки по-трапляв в окрему зону, в як1й безпосередньо ввдбу-ваеться змшування компоненив КР. В другому випадку (рис. 11, б) ферментер представляе собою колону, яка оснащена по всш висои перегородками 5 та центрально-розташованим валом 2. Особлив1стю такого апарату е те, що вал виконуе зворотно - по-ступальний рух, а перем1шуюч1 елементи 3 мають можлив1сть здшснювати коакаальний рух.
В багатовалових ферментерах змшування без циркуляцшного контуру (рис. 12, а) встановлюеться два або б1льше вал1в 2 ввдносно центра апарату. М1ж мшалками можуть бути встановлеш дифузори або циркуляцшш труби 5 для створення спрямованого руху течш КР. Для пвдвищення р1вня диспергування газу всередиш апарата в якосп диспергатора викори-стовуються турбшш мшалки, що працюе в режим1 примусово1 подач1 повиря або барботер у вигляд1 перфорованого диска.
Багатовалов1 ферментери, виконаш з зовшшшм контуром циркуляци зображеш на рис. 3, б. Ввдмш-ною особливютю е те, що ззовш апарату встановлена система зовшшньо1 циркуляци, яка складаеться з цир-куляцшних труб 7, та насоав 6, яка в свою чергу за-безпечуе спрямований циркулящйний рух в об'ем1 ферментеру. Зазвичай на валу встановлюеться декшь-ка перемшуючих елеменив 3 з метою 1нтенсиф1каци гомогешзаци сумш1 в апарап. В днищ1 ферментеру встановлеш газорозподальш пристро1 4 для подач ае-руючого повиря, яке також виконуе функцш додатко-вого перемшування рвдини [1, 4, 10, 11].
б
Рис. 12. Ферментери зм1шування багатовалов1 з1 схемою руху потоков багатофазно1 дисперси: а - без циркуляци; б - 1з зовшшшм циркуляцшним контуром; 1 - корпус; 2 - вал перем1шуючого пристрою; 3 - перемшуючий елемент; 4 - газорозпод1льний пристрш; 5 - циркуляцшна
труба; 6 - гвдравл1ч-ний насос; 7 - винесеш (зовшшш) циркуляцшш труби; А - вхвд рвдини; П - повиря; ВП - ввдпрацьоване повиря, Д - двигун
а
Для отримання гомогенно! суспензп рекомен-дуеться витримувати ввдстань м1ж суадшми мшал-ками I = (1^ 1,5)^. При I > (1 ^ 1,5)^ вщсутне !х взаемний пдравл!чний вплив, а загальна потужшсть на перемшування р1вна сум! потужностей одинич-них мшалок. З1 зб1льшенням ввдсташ м1ж мшалками I > (1^- 1,5)^ з'являеться тенденщя до розширення зон з нер1вном1рно розподшеними суспенз!ями. Розглянуп ферментери рис. 12, а ввдносяться до апа-ралв, як1 використовуються на тдприемствах з ви-робництва кормового бшка (наприклад, ферментер АДР-900-1К-01).
В процесах очищення спчних вод знайшли свое мюце ферментери дисков! з !ммобшзованою бюпл!вкою - дисков! бюфшьтри 1 вони представля-ють з себе горизонтальний ферментер з пакетом дисшв на яких прикршлена !мобшзована бюпл!вка. Матер1алом дисшв слугуе тнопласт або азбестоце-мент. З дисшв формують пакети, по 30 - 180 дисшв в кожному, що кршляться на валу на вщсташ 15 мм один ввд одного. Диски до половини занурюють у спчну воду. На дисках, що обертаються з частотою до 1,5 хв-1, формуеться бюпл1вка, аналопчна за складом пл1вщ б1оф1льтр1в. Так1 бюфшьтри малочутлив! до коливань витрат 1 концентрацп забруднень спчних вод, що дозволяе досягати значного ступеня очистки [4, 11].
причому а0г - коефiцieнт витрати кисню.
Наступним кроком при проектуванш фермен-TepiB з механiчним перемiшуванням е формулювання piвняння масопеpедачi [7, 9]:
M = KLa -AC.
(3)
Рис. 13. Ферментери дисков! з !ммобшзованою бюпл!вкою (дисков! бюфшьтри): 1 - камера прийому ! розпод!лення ст!чно! води; 2 - лоток; 3 - диски з !ммобшзованною бюпл!вкою; 4 - мулопровш; 5 - в!дст!йник; 6 - камера для видалення очищенно! спчно! води; 7 - трубопров!д до мулово! насосно! станц!!
5. Апробащя результапв досл1джень
Робочий об'ем ферментер!в для аеробного бю-синтезу V розраховуеться виходячи з задано! про-
дуктивност! V^кг/лггос)^ ! продуктивност! за абсолютно сухою бюмасою А' [кг / м'1гос)~^ тобто [7, 9]:
Ур=¥-Х-1 (1)
Одним з важливих характеристик процесу ма-сообмшу е швидшсть розчинення кисню М, яка визначае продуктивн!сть ферментера. Показник швидкосп розчинення кисню розраховуеться [7, 9]:
Знаючи М { АС, визначаеться Кьа \ за одним з р!внянь типу
К^ = / ) - для механ!чного перем!шування або
Кьа = /(Иим + Ыиг) - для комб!нованого типу пе-рем!шування
визначають Ыим (питома потужшсть перем!шуван-ня механ!чним пристроем) та Ыиг (питома потуж-н!сть, що витрачаеться при пневматичному пе-рем!шуванн!) для отримання розрахункового зна-чення М. При цьому вважаеться, що в апарап створен! необхщш г!дродинам!чн! умови, як! в сукуп-ност! з! стаб!льними технолопчними та м!кроб!олог!чними факторами забезпечують задану продуктивн!сть ферментера.
Для розрахунку потужност! перем!шування, використовуеться класичне р!вняння теорп под!б-ност! [7, 9]:
м0 =кыРпЧм5ёс:\ (4)
де ^ - коефщент пере-рахунку (в систем! С1 = 1). Але юнуе велика к!льк!сть шших залежно-стей для розрахунку потужност! перемшування.
За Км р°зрах°-вуеться загальна енерг!я механ!чного перемшу-вання N . В залежносп
м
в!д потужност! електро-двигуна ^ { за кон-струкцшними м!ркуван-нями визначаеться число одно або багатоярусних м!шалок в апарат! [7, 9]:
m = NмПед 1N
(5)
де т - ККД електродвигуна.
Розрахунок феpментеpiв з одиничним валом та багатоярусним пеpемiшуючим пристроем базуеться на системi емтричних та аналiтичних piвнянь [7, 9]:
TS А ОЛГ°,53 0,2 0,47
K,a = 0,8N' - n - m'
(d. / D )1,
(6)
я - число яpусiв; n - частота обертання мгшал-^ • N - загальна питома потужшсть на пе-
М = ап ■X,
(2)
де m ки, c
ремшування, кВт; dM / D - ввдношення дiаметpа мiшалки до дiаметpа апарата.
Час гомогешзаци можна виразити наступною залежнiстю [7, 9]:
т = 225
/ 1 \°.27
' V -102Л
nd„
■ m.
(7)
де V - загальна об'емна витрата повiтря, м/с. Об'ем культуральноi' рiдини, м3 [7, 9]:
V, = Ki ■ dм
i3 - m ,
м я -
(8)
причому K =
-102 ^
V n ■ dl у
Розрахункова штенсившсть розчинення
кисню, кг/м год [7,9]:
M = Kra-AC,
р L.
(9)
де AC - рушшна сила процесу масопередач^ кг/м [6, 8].
При розрахунку рушiйноi' сили AC в процеа масопередачi кисню з газово! фази в рвдку для ко-лонних ферментерiв або ферментерiв з багатоярус-ними перемiшуючими пристроями можна прийняти модель витiснення за газовою фазою.
Тодi величина AC при повному перемiшуваннi рвдко! фази (для колонних фермеш^в з рециркуля-щею культурально! рвдини) матиме вигляд [7, 9]:
AC = -
I (PH - PK)
2,3 lg
PH - CKW PK - CKy
(10)
де - константа Генрц P^, P^ - парцiальнi тиски
кисню на входi газу в ферментер i на виходi з нього; СК - концентрацiя розчиненого кисню на виходi з ферментеру.
Розрахунок багатовалового ферментера з бага-тоярусними мшалками проводиться за принципом елементного моделювання. Робочий об'ем ферментера велико! одинично! потужностi розбиваеться на n-секцiй, кожна з яких перемiшуеться одним багато-ярусним пристроем. Робочий об'ем одно! секцп приймаеться не бшьшим за 100 м2. Отже розрахунок зводиться до визначення основних параметрiв як i для апарапв з одиничним валом.
Об'ем культурально! рщини, м3 [7, 9]:
V = G/24-103 ■ X,
(11)
де G - задана продуктившсть ферментера за АСБ, m / добу; X - задана питома продуктившсть ферментера за АСБ, кг / м3 ■ год [7-11].
6. Висновки
Проведений анатз конструкцш промислових ферментерiв з введениям енергп механiчними перемiшуючими пристроями та визначення специфiки потоков багатофазно! системи дозволив виявити особливостi масообмшу.
Отримана у данiй роботi класифжащя, як система дослiджень - е важливим принципом система-тизацп шформацп. Схема класифiкацii' ферментерiв з введенням енергп мехашчними перемiшуючими пристроями дае змогу вирiшити ряд питань стосовно обгрунтованого вибору проектних рiшень щодо обладнання в бютехнолопчному виробництвi.
Лiтература
1. Кафаров, В. В., Моделирование биохимических реакторов [Текст] / В. В. Кафаров, А. Ю. Винаров, Л. С. Гордеев. - М.: Лесная промышленность, 1979. - 344 с.
2. Виестур, У. Э. Системы ферментации Виестур [Текст] / У. Э. Виестур, A. M. Кузнецов, В. В. Савенков. -Рига: Зинатне, 1988. - 368 с.
3. Schuger, К. Neue Bioreaktoren for aerobe Prozesse [Text] / К. Schuger // Chem-Ing.-Techn. - 1980. - Vol. 52, Issue 12. - P. 951-965. doi: 10.1002/cite.330521205
4. Виестур, У. Э. Аэрация и перемешивание в процессах культивирования микроорганизмов [Текст] / У. Э. Виестур. - М.: 1972. - С. 54-67.
5. Поводзинський, В. М. Класифжацш та аналiз ро-боти ферментерш з пневматичним перемшуванням [Текст] / В. М. Поводзинський, О. С. Резенчук, В. Ю. Шибець-кий // Науюж вкш НТУУ "КПИ". - 2011. - № 3. - С. 79-84.
6. Барабаш, В. М. Проблемы и тенденции развития теории и практики перемешивания жидких сред [Текст] / В. М. Барабаш, В. И. Бегичев, М. А. Белевицкая, Н. Н. Смирнов // Теоретические основы хим. технологии. -2007. - Т. 41, № 2. - С. 140-147.
7. Руководящий документ РД 26.260.008-92. Ферментаторы для производств микробиологического синтеза. Методики расчета основных конструктивных элементов и режимов работы [Текст] / Издание официальное. - Дата введения 1 января 1993 г.
8. Аиба, Ш. Биохимическая технология и аппаратура [Текст] / Ш. Аиба, А. Хэмфри, Н. Миллис; под ред. Г. К. Скрябина, П. И. Николаева. - М.: Пищевая промышленность, 1975. - 288 с.
9. Стабников, В. Н. Особенности расчета ферментаторов с виброперемешиванием [Текст] / В. Н. Стабников, П. П. Лобода, В. Н. Поводзинский // Хим. и нефтян. машиностроение. - 1984. - № 5. - С. 26-28.
10. Ружинська, Л. I. Математичне моделювання пе-ремшування при культивуванш бюлопчних агенпв, чут-ливих до напружень зсуву [Текст] / Л. I. Ружинська,
B. Н. Поводзинський, С. М. Чередник, С. В. Морозова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -2013. - Т. 1, № 4 (61). - С. 27-30. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/9148/7931
11. Поводзинський, В. М. Моделювання пдроди-намжи ролерного ферментера у бютехнологй вакцин [Текст] / В. М. Поводзинский, Л. I. Ружинська, В. Ю. Ши-бецький // Науковий вюник Л^вського нацюнального ушверситет ветеринарно! медицини та бютехнологш iменi
C. З. Гжицького. - 2010. - Т. 12, № 2(44), Ч. 4. - С. 76-81.
References
1. Gafarov, V., Vinarov A., Gordeev L. (1979). Simulation biochemistry reactors. Moscow: Forest industrial-ness, 344.
2. Viesturs, C., Kuznetsov A., Savenkov V. (1988). Viesturs fermentation systems - Riga: Zinatne, 368.
3. Schuger, К. (1980). Neue Bioreaktoren for aerobe Prozesse. Chem-Ing.-Techn., 52 (12), 951-965. doi: 10.1002/ cite.330521205
4. Viesturs, C. E. (1972). Aeration and mixing in the process of cultivation of microorganisms. Moscow, 54-67.
5. Povodzinskiy, V. M., Rezenchuk, O. E., Shibet-skiy, V. Y. (2011). Classification and analysis of fermenters with air mixing. Scientific news NTUU "KPI", 3, 79-84.
6. Barabash, V. M., Begichev, V. I., Belevitsky, M. A., Smirnov, N. N. (2007). Problems and tendencies of development of the theory and practice of mixing liquid media. Theoretical fundamentals of chemical technology, 41 (2), 140-147.
7. Guidance Document RD 26.260.008-92 (1993). Fermenter for production of microbiological synthesis. Methods of calculating the basic structural elements and modes of operation. Official publication.
8. Aiba, S. (1975). Biochemical technology and equipment. Ed. and with an introduction by GK Scriabin, PI Nikolayev. Moscow: Food Industry, 288.
УДК DOI:
1. Введение
Существующий в настоящее время комплекс глобальных экологических проблем является прежде всего результатом осуществления человечеством процессов жизнедеятельности без учета возможностей биосферы компенсировать антропогенное влияние, а также результатом выработки стратегии развития исходя из социально-экономических приоритетов [1]. Нарастание глобальных экологических проблем, возникновение локальных кризисов и катастроф ан-
9. Stabnikov, V. N., Loboda, P. P., Povodzinskiy, V. M. (1984). Features of the calculation fermenters with vibromixing device. Chem. and Petr. engineering, 5, 26-28.
10. Ruzhinska, L. I., Povodzinskiy, V. M., Cherednik,
' E. M., Morozov, E. V. (2013). Mathematical modeling of mixing by culturing biological agents that are sensitive to shear stress. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1/4 (61), 27-30. Available at: http://journals.uran.ua/eejet/ article/view/9148/7931
11. Povodzinskiy, V. M., Ruzhinska, L. I., Shibet-skiy, V. Y. (2010). Modelling hydrodynamics rolernoho fermenter in biotechnology vaccines. Scientific Herald of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnology, 12, 2 (44), Part 4, 76-81.
Рекомендовано до публiкацii д-р техн. наук Мельник В. М.
Дата надходженнярукопису 27.04.2015
тропогенного происхождения, возникновение угрозы для человеческого выживания привели к необходимости пересмотра системы взаимоотношений «природа-человек», поиску путей их гармонизации и выработке механизмов согласования путей развития с объективными законами существования природы и общества [2].
Развитие производства и рост масштабов хозяйственной деятельности, в ходе которых человек использует все большее количество природных ре-
Закоморний Дмитро Миколайович, кафедра бютехшки та iнженерii, Нацюнальний технчний ушвер-ситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: [email protected]
Поводзинський Вадим Миколайович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра бютехшки та iнже-нери, Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail. [email protected]
Шибецький Владислав Юршович, ассистент, кафедра бютехшки та шженерп, Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: [email protected]
504.4.054
10.15587/2313-8416.2015.42379
РАСЧЕТ ИНДЕКСА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В РАМКАХ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКЦИИ
© О. А. Проскурнин, Б. Н. Комаристая, С. А. Смирнова
Обосновывается целесообразность оценки комплексного влияния жизненного цикла продукции на окружающую среду. В качестве примера в статье рассматривается загрязнение поверхностных вод на этапе производства продукции. Предлагается механизм ранжирования показателей загрязнения поверхностных вод по степени их значимости. Приводится алгоритм статистической проверки согласованности экспертных суждений при установлении весовых коэффициентов для показателей загрязнения, основанный на использовании коэффициента конкордации
Ключевые слова: жизненный цикл продукции, окружающая среда, поверхностные воды, показатель загрязнения, весовой коэффициент, экспертиза, коэффициент конкордации
The assessment feasibility of the combined effect of the product life cycle on the environment is grounded. As an example, the pollution of surface waters at the production stage is considered in the article. A mechanism of ranking indicators of surface water pollution according to their importance is proposed. An algorithm for checking the consistency of the statistical expert judgment in determining weight coefficient for the indicators ofpollu-tion, based on the use of the concordance coefficient, is given
Keywords: product life cycle, environment, surface water, pollution index, weight coefficient, expertise, concordance coefficient
