CC BY
24РСН: 10.25712/АБТи.2072-8921.2019.01.019 УДК 664.001.6
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВО-ВИТАМИННОГО КОНЦЕНТРАТА ОБЛАДАЮЩЕГО ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Г.Е. Кокиева, А.И. Павлова
В данной статье описывается производство кормового белка с помощью микробиологического синтеза. Разработка технологии и оборудования для переработки отходов сельского хозяйства продуктом которой является кормовой белок, обладающий фармакологической ценностью. Для выяснения механизма поступления питательных веществ, в том числе кислорода в клетку, обычно анализируется каждая стадия фазового перехода и переноса массы. Используется прием основной химической технологии.
Микробный синтез осуществляется в ферментаторе новой конструкции. Полное аэрирование питательной культуральной жидкости по всему объема аппарата обеспечивает массообмен по всему полезному объему ферментатора. Искусственно созданный гидродинамический режим в аппарате для культивирования микроорганизмов оказывает влияние на скорость протекание всех реакции, которые происходят в процессе культивирования микроорганизмов. Предлагаются математические модели кинетики развития микроорганизмов. Устойчивость и эффективность применяемых численных методов позволяют выполнить дальнейшую модификацию технологии расчета, включая подбор моделей турбулентности, с целью повышения точности расчетов.
Ключевые слова: производство белка, разработка оборудования, технология, получение биомассы, лекарственные вещества.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из ресурсов является производство кормового белка с помощью микробиологического синтеза. Восстановление нарушенных физиологических процессов осуществляется комплексом зоотехнических и ветеринарных мероприятий, в котором большое место занимает рациональное использование лекарственных веществ. На данный момент есть возможность борьбы с заболеваниями животных помимо использования лекарственных средств путём добавления в рацион сельскохозяйственным животным кормового белка, обладающего фармакологическими свойствами. Микробный синтез осуществляется в ферментаторе новой конструкции. Когда разрабатываются все новые и новые конструкции ферментаторов большой единичной мощности, и каждый разработчик считает, что его конструкция наиболее эффективна. В то же время при внедрении аппаратов наблюдается значительное расхождение проектных и фактических технико-экономических показателей.
Цель исследования: Исследование массообменного процесса в аппарате новой конструкции для проведения микробного синтеза.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 1 приведена структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов, состоящая из трёх зон:
- зона 1 - зона интенсивной массопереда-
чи;
- зона 2 - зона охлаждения, включающая объём биореактора, в корпусе которого находится теплообменник; в этой зоне наряду с массопередачей и биосинтезом происходит охлаждение среды;
- зона 3 - циркуляционная зона; в этой зоне уменьшается газосодержание среды и интенсивность массопередачи.
■
т
Рисунок 1- Структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов: 1 -зона интенсивной массопередачи; 2 -зона охлаждения; 3 -зона циркуляции
Процесс культивирования микроорганизмов состоит из различных технологиче-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВО-ВИТАМИННОГО КОНЦЕНТРАТА ОБЛАДАЮЩЕГО
ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
ских стадий, основная масса из которых проходят при подводе кислорода. Кислород играет большую роль при производстве кормового белка, так как при его наличии происходит рост микробного белка и его интенсификация. На данный момент невозможно определить концентрацию растворенного кислорода без экспериментального определения концентрации и коэффициента массообмена по кислороду.
Процесс культивирования микроорганизмов пищевой, химической и фармакологической промышленности проходит в ферментаторах.
Процесс культивирования микроорганизмов не осуществим без подвода аэрирующего газа, это является одним из решающих факторов в процессах микробного синтеза. Полное аэрирование питательной культу-ральной жидкости по всему объема аппарата обеспечивает массообмен по всему полезному объему ферментатора.
В таблице 1 приведены данные культивирования в оборудовании.
Таблица 1-Данные культивирования в оборудовании
В нем обеспечивается протекание процесса выращивания микроорганизмов-продуцентов кормового белка в кинетической области при отсутствии лимита по кислороду как субстрату. Удельное потребление кислорода микроорганизмами зависит от скорости их роста и определяется затратами на образование клеточной структуры и энергетическим обменом. Требуется более глубокое изучение самого процесса и совершенствование его математических моделей. Проблема правильного масштабирования массооб-мена и гидродинамики возникает при переносе результатов, полученных на опытных
установках в лабораториях на промышленные условия.
При масштабировании ферментаторов наряду с геометрическим подобием аппаратов необходимо учитывать и кинетические закономерности развития микроорганизмов. Для сравнительно простых систем (однофазные потоки) хорошие результаты моделирования достигаются на основе теории подобия, которая позволяет обобщать результаты экспериментов в безразмерной форме и экстраполировать их на подобные системы. Для таких сложных систем, какими являются аппараты для культивирования микроорганизмов с протекающими в них процессами, основным источником получения данных для масштабирования пока является эксперимент. Отмечается, что в настоящее время не существует уравнений движения многофазных потоков общего вида; отсутствует возможность задать граничные условия на нестационарной поверхности контакта фаз. Предлагаемые математические модели кинетики развития микроорганизмов описывают в большинстве своем лишь некоторые стороны биологического процесса и не является универсальными. В соответствии с теорией системы подобны, если характеризующие их критерии подобия равны. Учитывая, что ферментаторы являются массообменными аппаратами и предназначены для создания необходимых по интенсивности условий перемешивания, тепло-и массообмена рассмотрим критерии и параметры масштабирования таких аппаратов.
Для выяснения механизма поступления питательных веществ, в том числе кислорода в клетку, обычно анализируется каждая стадия фазового перехода и переноса массы. Используется прием основной химической технологии. При этом стадия с наибольшим сопротивлением является лимитирующей и определяет скорость протекания всего процесса. Основными конструктивными элементами данных аппаратов для культивирования являются системы перемешивания культу-ральной среды и газораспределения по всему объему аппарата.
Искусственно созданный гидродинамический режим в аппарате для культивирования микроорганизмов оказывает влияние на скорость протекание всех реакции, которые происходят в процессе культивирования микроорганизмов.
На поверхности культуральной среды в процессе культивирования микроорганизмов образуется пена. Диаметр пенного пузырька
Минимальное
СО Рмах время генерации Этт, час
№ п/п -О ^ с; I ^ т к Оптическая Количество жизне- Количество жизнеспособ-
<и СО плотность способных ных клеток
клеток
1 14 1,3±0,01 0,9±0,004 4,8±0,01
2 12 1,1 ±0,07 0,98±0,05 5,9±0,21
3 14 1,14±0,03 0,77±0,33 14,2±0,3
4 12 0,1 ±0,02 0,92±0,02 15,4±0,4
5 9 0,47±0,02 0,01±0,00 1 4,0±0,02
6 10 0,711±0,03 0,62±0,02 5,0±0,1
Г.Е. КОКИЕВА, А.И. ПАВЛОВА
определяется размером отверстий в бар-
ботере и физико-химическими свойствами культуральной жидкости:
= ! с
(1)
где: d-диаметр отверстия;
в-поверхностное натяжение; q - ускорение свободного падения; рж -плотность жидкости; рг- плотность газа.
Тогда количество пузырьков:
(2)
где Vr -общий объемный расход воздуха при нормальных условиях.
При исследовании процесса абсорбции кислорода в питательной среде различной вязкости для расчета газосодержания принято уравнение:
где й - диаметр аппарата.
На данный период времени рядом ученых проведены систематические исследования [58] и даны рекомендации для определения ф следующей зависимостью:
Ф = .......'_____щ (4)
2 +
При исследовании газосодержания в рециркуляционной колонне диаметром о 0.15 м и высотой Н =10.5 м авторами [4, 7] было получено следующее уравнение:
<р = Шг(0,24 + 1,35Шсм°-93}
-1
(5)
По данным [9, 10], при исследованиях на модели аппарата, изготовленной из стеклянных труб высотой 3 метра и диаметрами 0,055; 0,08 и 0,11 м, получена зависимость, которая позволяет определять скорость жидкости в транспортных Эрлифтах (газлиф-
тах):И'гж
- л---,;: (6)
Здесь ^ - суммарное гидравлическое сопротивление эрлифта, равное:
0,5 +
" V 1- <р0 } '
где: Л - коэффициент гидравлического трения при движении в трубе жидкости с
^ = 0,5+Л:
I а , рас» г
и-«?,)
(7)
той же приведенной скоростью;
0 - газосодержание в месте выхода потока из эрлифта.
Для расчёта И^, по данным [3, 4-9], рекомендуется использовать уравнение Бер-нулли, преобразованное для циркуляционного контура, следующего вида:
Н(рн - рг) <р*д = ДРб+АРц (8)
На данный момент в процессе производства кормового белка при культивировании микроорганизмов в культуральной жидкости происходит ряд реакций в ферментационной жидкости с кислородом. Данный расчет выполняется методом приближений по одному из выбранных уравнений, которые подходят для определений газосодержания в культуральной среде. При давлении до 4 мпа на среде со свойствами, близкими к свойствам системы «вода-воздух», и соотношении бар-
ботажных и циркуляционных зон /б*/ц-1 = 1,
приближенном к значение приведенной скорости жидкости, этими же авторами предлагается рассчитать Wж по упрощенному уравнению:
И/ж = 3,5
н*р
Ж
0,1251
Рт*
13,5
(9)
где 5,1+0,03 (~+ ~ )- коэффициент сопротивления циркуляционного контура.
На поверхности раздела газ-жидкость воздушного пузырька образуются воздушные пленки. Они проходят через культуру, затрудняют диффузию кислорода по объему ферментатора и снижают образовавшееся сопротивление.
Исследованию процессов абсорбции кислорода в ферментаторах посвящен ряд работ [1, 7, 11].
Если рассматривать данный случай при плохо растворимом газе (кислород), значения mpc и ^ велики, и диффузионным сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь, и соблюдается неравенство:
*х а ¡^т,
Откуда следует:
рс
к & к
1а
(10)
(11)
На основании равенства к ^ к1а уравнение массопередачи:
Левый
член
уравнения:
