CC BY
36
УДК 663.14.033
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 1-2. С. 97-105
ПРОИЗВОДСТВО АКТИНОМИЦЕТОВ ПОСРЕДСТВОМ ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ*
А. П. Руденко, К. А. Иванов, Д. А. Иванов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Для производства продуктов защитного характера для древесных насаждений необходимо использование современного высокопроизводительного технологического оборудования, позволяющего получать продукцию требуемого качества при минимальных материальных и энергетических затратах. В качестве такого оборудования предлагается биореактор с ротором геликоидального типа, причем основные элементы корпуса аппарата получены посредством совместного их гидродинамического профилирования с ротором геликоидального типа. Изложение сути принципиального подхода к решению данной проблемы было выполнено авторами в предыдущем номере журнала (2016. № 5-6. С. 281-283). Изложены сведения, касающиеся непосредственно методических основ построения основных конструктивных элементов биореактора, а именно ротора геликоидального типа и основных формообразующих профилированных корпусных элементов.
Ключевые слова: биореактор, геликоидальный ротор, профилирование, замкнутый контур, застойная зона, степень циркуляции.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 1-2, P. 97-105
PRODUCTION OF ACTINOMYCETES BY SUBMERGED CULTIVATION FOR THE PROTECTION OF WOOD PLANTINGS
A. P. Rudenko, K. A. Ivanov, D. A. Ivanov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
For the production of goods of protective nature for tree plantings it is necessary to use the modern high-technological equipment, which allows to obtain products of the required quality with minimal material and energy costs. A bioreactor with the helical type rotor is offered to be used as such equipment, what is more, the main elements of the case of the device are obtained by sharing their hydrodynamic profiling with the helical type rotor. The statement of the fact of the principled approach to solving this problem was performed by the authors in the previous edition of the magazine (2016. № 5-6, pp. 281-283).
This paper presents the information about directly methodological foundations of construction of the main structural elements of the bioreactor, namely the helical type rotor and basic forming profiling housing elements.
Keywords: bioreactor, helical rotor, profiling, closed loop, stagnation zone, the degree of circulation.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что промышленное получение актино-мицетов регламентируется в части получения необходимых объемов производства большей частью несовершенством конструкций основного технологического оборудования, а именно - биореакторов [1; 2]. Правомерно следует указать на отсутствие существования в настоящее время достаточно эффективного промышленного варианта технологии глубинного культивирования мицелиальных форм прокариот [3; 4].
Трудность создания технологического процесса промышленного характера технологии глубинного культивирования заключается в подавлении активной функции актиномицетов формировать жизнеспособность мицелий в условиях постоянных объемного характера повреждений, получаемых гифами при интенсивном механическом перемешивании в процессе эксплуатации биореактора [5; 6].
В то же время, использование достаточно известного метода поверхностного культивирования приме-
* Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.
няющегося в настоящее время не позволяет в необходимом товарном объеме осуществить получение достаточного для создания биопрепаратов количества биомассы и метаболитов актиномицета [7].
Вполне оправданным в данной ситуации явилось создание теоретических положений, а затем и разработка путей инженерного решения технологии проектирования биореакторов нового поколения, у которых отсутствовали бы существенные недостатки, присущие предшествующим конструктивным решениям аналогичных аппаратов по непосредственно их основному функциональному назначению. В соответствии с вышеизложенным целью данной работы явилось создание оптимальной конструкции биореактора с технологией глубинного культивирования мицели-альных форм прокариот посредством эффективного использования результатов теоретических и экспериментальных исследований тепло- и массообменных и гидродинамических процессов движения рабочей жидкости в проточной полости перемешивающих аппаратов.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Построение ротора геликоидального типа. Пространственное исполнение ротора геликоидального типа представляет собой тело 1, полученное путем вращения определенным образом заданной кривой вокруг неподвижной вертикальной оси. На тело по линии угла закрутки навиваются лопасти 2 переменного сечения, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, формирующие диффузорность межлопастного канала (рис. 1).
мешивающего органа, позволяющей снизить гидравлические потери и придать достаточную кинетическую энергию частицам жидкости, уменьшить нагрузки, приходящиеся на лопастную систему, и обеспечить достижение оптимальной величины степени циркуляции рабочей жидкости в проточной полости аппарата.
Используя геометрические симплексы подобия определяются диаметры верхнего и нижнего оснований:
Бап /d2 = 2,7-2,8; dl/d2 = 0,25-0,275;
Нап /Ир = 2-2,2
с последующим конфигурированием «каркаса» путем вращения кривой, описываемой уравнением (y = ax2 + + bx - c) вокруг неподвижной вертикальной оси (рис. 2).
Рис. 2. Построение тела ротора геликоидального типа
Рис. 1. Ротор геликоидального типа: 1 - тело ротора; 2 - лопасть ротора
Лопасть строится таким образом, чтобы поток жидкости обладал радиально-осевой скоростью и был сориентирован вверх в меридиональной плоскости проточной полости аппарата. Это способствует сообщению потоку дополнительной энергии для увеличения скорости движения на величину А Ж, необходимую на преодоление сопротивлений по траектории движения потока, а также обеспечению относительно безударного течения рабочей жидкости в проточной полости аппарата.
Одной из основных задач при проектировании ротора геликоидального типа является создание потенциального потока, получаемого путем формирования удовлетворительно обтекаемой формы лопасти пере-
Рис. 3. Построение контура лопасти по точкам
Формирование угла закрутки контура лопасти 0 ротора определяется построением контура лопасти по точкам (рис. 3), путем вычисления центрального угла 0 по формуле (1) [9]:
е=180 .yBlB+L д,, п tr 2 '
где 6 - центральный угол, Лг - приращение радиуса, м; Bi + Bi+1 - значение подинтегральной функции в начале и конце рассматриваемого участка.
Гипотетически можно предположить, что величина угла закрутки линии лопасти ротора определяет эффективность перемешивания рабочей среды. Так, с увеличением угла закрутки, увеличивается длина лопасти и время пребывания потока жидкости в межлопастном канале, что позволяет сообщить потоку больше энергии и на выходе с ротора в рабочую полость биореактора приобрести наибольшую скорость.
В результате таких построений теоретически можно получить следующий типоразмерный ряд роторов геликоидального типа: роторы с углом закрутки линии лопасти 90°, 180° и 270° (РГТ-90, РГТ-180 и РГТ-270 соответственно) (рис. 4).
Построение лопасти ротора включает в себя опре-
деление основных геометрических размеров лопасти ротора геликоидального типа (рис. 5) и проведение гидродинамического расчета с построением планов скоростей на входе и выходе лопастной системы ротора с целью анализа влияния размеров ротора на кинематические характеристики потока лопастной системы, а также профилирование контура лопасти ротора с целью создания безотрывного движения ядра потока рабочей жидкости и формирование межлопастного канала, регламентированных принятием конечного числа лопастей ротора геликоидального типа с равным углом установки (рис. 6).
Выполнение выше представленных построений позволяет спроектировать ротор геликоидального типа, обеспечивающий минимизацию потерь на трение и вих-реобразование установившегося относительного движения рабочей жидкости в проточной полости биореактора.
Рис. 4. Роторы с различными углами закрутки линии лопасти
¿ю
d2
¿20
Рис. 5. Геометрические размеры лопасти ротора геликоидального типа:
й1 - диаметр верхнего основания РГТ, м; ¿2 - диаметр нижнего основания РГТ, м; ¿10 - входной диаметр РГТ, м; ¿20 - выходной параметр РГТ, м; г1ср - средний эффективный диаметр входа ротора, м; г2ср - средний эффективный диаметр выхода ротора, м; Ь1 - ширина лопасти ротора на входе, м; Ь2 - ширина лопасти ротора на выходе, м; кр - высота ротора, м
Рис. 6. Построение плана скоростей в произвольной точке области ротора:
ОА - плоскость меридианного сечения; р - угол между относительной и окружной скоростями; г - радиус нижнего основания ротора, м; г1 - радиус верхнего основания ротора, м; £ - шаг лопасти ротора; V - абсолютная скорость, м/с; vm - меридианная составляющая относительной скорости, м/с; - относительная скорость, м/с; м>т - меридианная составляющая относительной скорости, м/с; и - окружная скорость, м/с; ю - угловая скорость, с-1
Исследование массообменных характеристик роторов геликоидального типов включало в себя определение коэффициента массопередачи KLa и проводилось при тех же условиях, что и исследование газодинамики, создаваемой ротором геликоидального типа.
Исследование гидродинамических характеристик роторов геликоидального типа выполнялись на гидродинамическом стенде, включающем экспериментальную перемешивающую установку с ротором геликоидального типа и измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) [8; 10].
ИВК позволяет производить в режиме онлайн измерение, накопление и первичную обработку кинематических характеристик потоков рабочей жидкости с последующим построением эпюр абсолютной скорости и ее составляющих в любой точке проточной полости проектируемого биореактора с целью конкретизации параметров гидродинамической картины, а также выполнять гидродинамическую диагностику эксплуатируемых аппаратов.
Эксперименты проводились при использовании РГТ-270 с плавным регулированием частоты вращения ротора. В качестве рабочей жидкости использовалась ферментационная среда.
Исследование роста биомассы мицелия серно-желтого трутовика при его глубинном культивировании в биореакторе с ротором геликоидального типа проводилось на жидкой крахмало-аммонийной среде с использованием стационарного лабораторного биореактора марки Gellankamp Controlled environment culture apparatus Ce Ca - 650 (Англия). Принципиальная схема установки биореактора показана на рис. 7.
Систематическое положение серно-желтого трутовика представлено следующим образом: царство Fungi, отдел Basidiomycota, класс Basidiomycetes, порядок - Aphyllophorales, семейство Polyporaceae. Род: Трутовик - Laetiporus. Вид: Трутовик серно-желтый -Laetiporus sulphureus.
6
Рис. 7. Принципиальная схема лабораторного биореактора СеСа - 650:
I - корпус биореактора; 2 - ротор геликоидального типа; 3 - вертикальные отражательные планки; 4 - вал;
5 - муфта; 6 - электродвигатель; 7 - барботер; 8 - фильтр стерилизации воздуха; 9 - манометр; 10 - осевой насос;
II - теплообменник; 12 - термопара; 13 - регистратор температуры; 14 - датчик кислорода - 15 - фильтр; 16- насос; 17 - газоанализатор на кислород; 18 - резервуары для субстрата, питательной среды и солей аммония; 19 - перистальтический насос; 20 - пробоотборник; 21 - вентили
Реализация данных условий может быть достигнута за счет снижения сопротивления диффузорности, обеспечения достаточности кинетической энергии частиц жидкости, а также постоянства циркуляции потока, т. е. снижение поверхности разрыва сплошности потока жидкости, являющейся источником вихре-образования.
Из ранее сделанных в работе предпосылок для условий рационального проектирования геометрии ротора и использования предлагаемой методики построения, следует, что в априори наибольшую ценность в проведении процессов перемешивания и культивирования микроорганизмов потенциально должен иметь ротор с углом закрутки линии лопасти 270°. Данное предположение подтверждается посредством проведения необходимого объема экспериментальных исследований.
Методическое обоснование экспериментальных исследований. Изучение эффективности работы роторов геликоидального типа с различным углом закрутки линии лопасти (90°, 180°, 270°) в биореакторе проводилось на трех основных этапах исследования. Первый этап - исследование газодинамических (газосодержание ф и средне-поверхностный диаметр пузырька dH) и массообменных (коэффициент массопередачи KLa) характеристик РГТ. Второй этап - исследование гидродинамических характеристик РГТ (определение окружной, осевой и радиальной составляющей абсолютной скорости движения ферментационной среды). Третий этап - исследование роста мицелия серно-желтого трутовика LS-F982 Laetiporus sulphureus.
Исследование газодинамики, создаваемой ротором геликоидального типа включало в себя определением газосодержания ф в рабочем объеме аппарата и средне-поверхностного диаметра пузырька dH в жидкой среде (вода). Коэффициент заполнения аппарата H/D = 1. Средне-расходная скорость воздуха u варьировалась от 0,02 м/с до 0,04 м/с.
5. ß ± Ш
иг = 0,02 м/с
иг = 0,03 м/с
иг = 0,04 м/с
Рис. 8. Изменение газосодержания в рабочей жидкости в зависимости от частоты вращения перемешивающего органа n и угла закрутки линии лопасти роторов геликоидального типа при различной среднерасходной скорости газа иг. H/D = 1.
Экспериментальные точки (1-3): 1 - РГТ-90; 2 - РГТ-180; 3 - РГТ-270
Экспериментальные исследования. Газосодержание. В результате обработки экспериментальных данных были получены эмпирические зависимости для расчета газосодержания в биореакторе с РГТ от частоты вращения ротора, средне - расходной скорости газа и угла закрутки линий лопасти роторов геликоидального типа. По полученным эмпирическим выражениям построены графики изменения газосодержания в биореакторе с ротором геликоидального типа (рис. 8).
Наиболее интенсивное насыщение рабочей жидкости газом осуществляется при использовании ротора с большим углом раскрытия линии лопасти (за счет увеличения пребывания пузырьков газа в жидкой фазе вследствие большей длины закрутки линии лопасти), затрачивая, при этом, меньше энергии. Так, например, при иг = 0.03 м/с значение газосодержания равное 15 % достигается при использовании ротора с углом закрутки линии лопасти 270 ° при частоте вращения п ~ 200 об/мин, в то время, как такое же значение газосодержания при использовании ротора с углом закрутки линии лопасти 90° достигается только при п ~ 400 об/мин. Следует указать, что при этом динамические нагрузки в потоке рабочей жидкости увеличивающиеся, как известно, в квадрате (Е = ти2/2), значительно повышают механическое воздействие на клетки биообъекта.
Сопоставление полученных данных по газосодержанию для биореактора с РГТ и с турбинной мешалкой показали практически одинаковые результаты (порядка 10-18 % для биореактора с РГТ и 12-25 % -
биореактор с турбинной мешалкой), что указывает на удовлетворительную удерживающую способность по газу роторов геликоидального типа.
Объемный коэффициент массопередачи Кьа. По итогам проведенных исследований получены экспериментальные данные по объемному коэффициенту массопередачи Кьа для биореактора с РГТ, которые были сопоставлены с данными, полученными при использовании типовой лопастной и турбинной мешалок (рис. 9).
При анализе полученных данных установлено, что теоретические предположения о влиянии угла закрутки линии лопасти ротора геликоидального типа на степень перемешивания оказались верными при п < 600 об/мин. Так, наиболее интенсивно газо-жидкостную среду перемешивает РГТ-270 (при иг < 0,02 м/с).
Это объясняется тем, что с увеличением длины лопасти и частоты вращения ротора повышается кратность циркуляции потока жидкости в рабочей полости аппарата, что оказывает существенное влияние на увеличение площади межфазной поверхности и снижение толщины диффузионной стенки на границе раздела фаз и, как следствие, повышение коэффициента массопередачи Кьа.
При сопоставлении РГТ с типовыми мешалками (лопастной и турбинной) установлено, что роторы по своим массообменным характеристикам не уступают турбиной мешалке (при иг = 0,02 м/с), а в сравнении с лопастной мешалкой - превосходят ее в 1,5-2 раза.
Для расчета объемного коэффициента массоотдачи кислорода в водной среде, перемешиваемой в цилинд-
рическом аппарате с РГТ, при различных значениях средне - расходной скорости газа были получены критериальные уравнения объемного коэффициента мас-сопередачи KLa от диссипации энергии N1V (табл. 1).
Полученные зависимости в дальнейшем предполагается использовать при разработке пилотного варианта биореактора с РГТ.
Для обобщения основных данных по массопередаче были получены значения критерия Шервуда 8й в зависимости от различных технологических режимов работы аппарата с роторами геликоидального типа (табл. 2).
Найденные критерии Шервуда позволяют моделировать массообменные процессы как в эксплуатируемых, так и в разрабатываемых биореакторах с РГТ различной производительности.
На основании полученных результатов установлено, что для биореактора с РГТ наиболее приемлемым в культивировании микроорганизмов является использование РГТ-270, обеспечивающего интенсивное газонасыщение среды, что существенным образом оказывает влияние на жизнедеятельность аэробных микроорганизмов и себестоимость продукта в целом.
Гидродинамика движения потоков жидкости в биореакторе с РГТ. По экспериментальным данным были получены аналитические зависимости (2)-(5) и эпюры окружной, осевой и радиальной составляющей абсолютной скорости движения ферментационной среды с учетом частоты вращения ротора, п, об/мин; радиуса рассматриваемого сечения в аппарате, Я, м и номера рассматриваемого сечения в аппарате, Н, м (рис. 10).
иг = 0,02 м/с
иг = 0,03 м/с
иг = 0,04 м/с
Рис. 9. Зависимость коэффициента массопередачи Кьа от частоты вращения перемешивающего органа п и среднерасходной скорости газа иг при разных углах закрутки линии лопасти роторов геликоидального типа (И/Б = 1). Экспериментальные точки (1-5): 1 - РГТ-90; 2 - РГТ-180; 3 - РГТ-270; 4 - лопастная мешалка: Бап = 0,375 м, ^ = 0,110 м; 5 - турбинная мешалка: йм = 0,075 м, Бап = 0,216 м, иг = 0,01 м/с
Таблица 1
Уравнения объемного коэффициента массопередачи Кьа, ч-1
Удельный расход электроэнергии, Е = N/V Угол закрутки линии лопасти ротора геликоидального типа, 0° Средне-расходная скорость газа иг, м/с
0,02 0,03 0,04
при Е < 10 кВт/м3 90° KLa = 37E0'5 KLa = 77E0,3 KLa = 35E °,7
180° KLa = 46E0'27 KLa = 72E °,34 KLa = 104E °,22
270° KLa = 14E0-97 KLa = 124E0Д KLa = 76E0,4
при Е > 10 кВт/м3 90° KLa = 17 • 10-3 E3'9 KLa = 30 •Ю-3 E3,76 KLa = 8 •Ю-3 E4,3
180° KLa = 0,4 •Ю-3 E5'3 KLa = 13 • 10-3 E4Д KLa = 50 •Ю-3 E3,6
270° KLa = 20 • 10-3 E3,9 KLa = 0,23E3 KLa = 0,13E3,2
Таблица 2
Критерий Шервуда для различных режимов работы аппарата с РГТ
Угол закрутки линии лопасти РГТ, 0° Средне-расходная скорость газа, м/с
0,02 0,03 0,04
90 БИ = 2,8(ю4/у)°,/8с°,5 (БИ = 13 164,6)* БИ = 30,7(ю4/у)°,658с°,5 (БИ = 15 669,2)* БИ = 39,4(ю4/у)°,58с°,5 (БИ = 14 680,5)*
180 БИ = 5(ю4/у)°,658с°,5 (БИ = 16 441,8)* БИ = 10,4(ю4/у)°,558с°,5 (БИ = 15 753,9)* БИ = 31(ю4/у)°,48с°,5 (БИ = 14 046,1)*
270 БИ = 24,7(ю^п/у)°,88с°,5 (БИ = 15 622,5)* БИ = 33,9(ю4/у)°,68с°,5 (БИ = 13 667,6)* БИ = 43,9(ю^п/у)°,35Бс°,5 (БИ = 12 620,4)*
Примечание. ю - угловая скорость, с-1; - средне-поверхностный диаметр пузыря, м; V - кинематическая вязкость, м2/с; Бе - критерий Шмидта.
Результат расчета БИ при частоте вращения ротора п = 600 об/мин.
100 об/мин
300 об/мин
Рис. 10. Схема эпюр скоростей в аппарате цилиндрической конструкции с РГТ-270:
1, 2, 3, 4 - рассматриваемые сечения в аппарате. Зеленое поле - осевые скорости; красное поле - окружные скорости; желтое поле - радиальные скорости
уабс =-0,359 + 31,027 • Я +16,703 • Н + 3,102 • 10-6 • п2 -
- 0,018• п • Н -312,482 • Я2 - 59,26 • Н2, (2)
уокр = -0,708 + 0,936 • 10-3 • п + 45,101 • Я + 9,695 • Н -
- 551,279 • Я2 -136,459 • Я • Н, (3)
^ = 0,199 -1,716 • 10-3 • п + 3,351 • Я +14,413 • Н +
рад ? ? ? ?
+ 4,156•Ю-7 • п2 + 2,687 •Ю-3 • п • Я + 0,017 • п • Н -
- 58,438 • Я2 + 22,266 • Я • Н - 94,696 • Н2, (4)
Уосев = 0,741 -0,003• п -5,693• Н + 0,77•Ю-5 • п2 -- 0,025 • п • Н + 224,815 • Я • Н. (5)
Известно [8; 10], что на качество перемешивания рабочих жидкостей важное влияние оказывают соотношения окружных и радиально-осевых скоростей. Так, при преобладании окружной составляющей абсолютной скорости качество перемешивания снижается из-за уменьшения степени циркуляции потока жидкости в рабочей полости аппарата. При преобладании радиально-осевой составляющей, наоборот,
качество перемешивания улучшается благодаря повышению степени циркуляции.
При анализе эпюр установлено, что благодаря своей пространственной геометрии ротор геликоидального типа создает большие осевые скорости, прогрессирующие с увеличением частоты вращения ротора. Так, с увеличением частоты вращения ротора от п = 100 об/мин до п = 500 об/мин осевая скорость возрастает в 2 раза (с 0,39 м/с до 0,79 м/с). При этом свое максимальное значение осевая скорость достигает у стенки аппарата, где располагаются вертикальные отражательные планки, и происходит трансформация окружной составляющей абсолютной скорости в осевую скорость, в результате чего поток рабочей жидкости поднимается вверх в меридиональной плоскости. Минимальный прирост скорости (в 1,1 раза) наблюдается у окружной скорости, в свою очередь, радиальная скорость возросла в 1,2 раза. Такая гидродинамическая картина создает интенсивное перемешивание в проточной полости биореактора, обеспечивая условия для минимизации гидродинамических ударов и застойных зон, повышения абсорбции газа и равномерного распределения концентрации кислорода и питательных веществ в биореакторе. Кроме того, создание ротором осевых скоростей позволяет трансформировать нормальные напряжения в касательные, снижая, таким образом, повреждение клеток биокультуры. Создание данных условий положительно сказывается на увеличении выхода целевого продукта.
При сопоставлении полученных результатов исследований гидродинамики потоков ферментационной среды в аппарате с РГТ с результатами, полученными в аппарате с лопастной мешалкой [8; 10], необходимо указать, что лопастная мешалка, используемая в качестве перешивающего органа, создает повышенное «стрессовое» воздействие на биокультуру в процессе ферментации, существенно снижая при этом выход конечного продукта.
Экспериментальные исследования роста мицелия серно-желтого трутовика Ьаейрогиз зи1рЬигеиз на различных технологических режимах работы биореактора проводились с определением относительной величины Хк/Хн (где Хн - начальная концентрация биомассы, г/л; Хк - конечная концентрация биомассы, г/л) (рис. 11), показывающей прирост биомассы исследуемой культуры за 54 ч глубинного культивирования.
Из графика следует, что наилучшее перемешивание ферментационной среды наблюдается при использовании РГТ-270, п = 600 об/мин. При данных условиях градиенты концентрации питательных веществ и кислорода становится минимальным по всему объему аппарата ((<#"(х0), что способствует
снижению эффекта «стрессового» воздействия на культуру гриба (выход продукта увеличился в 1,5 раза по сравнению с турбинной мешалкой). Данный результат достигается за счет более высокой степени гомогенизации культуральной среды и менее травматического воздействия на мицелий гриба при использовании ротора геликоидального типа (рис. 12).
Рис. 11. Прирост биомассы мицелия Ь. ш1рЬигеш при различных режимах работы биореактора: 1 - РГТ - 270°; 2 - турбинная мешалка
РГТ-270
Лопастная дисковая мешалка
Рис. 12. Фотографии штамма L. sulphureus в глубинной культуре c увеличение *500
Также был определен один из основных технологических параметров работы биореактора - продуктивность по биомассе Qx (рис. 13). Прирост продуктивности биореактора с РГТ (1) составил до 35 % по сравнению с биореактором с турбинной мешалкой (2).
Рис. 13. Продуктивность биореактора Qx
При практически равных массообменных характеристиках ротора геликоидального типа и турбинной мешалки, высокие показатели продуктивности и удельной скорости роста культуры при ферментации в биореакторе с РГТ указывают на то, что в экспериментальном биореакторе влияние «стрессового» воздействия на рост серно-желтого гриба за счет минимизации влияния механических и гидродинамических ударов снижается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований правомерно заключить, что применение РГТ создает реальную возможность снижения «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе и, что еще более важно, появляется инструмент для управления гидродинамической картиной движения потоков рабочей жидкости в проточной полости биореактора (за счет изменения частоты вращения вала, конфигурации корпусных элементов и угла закрутки линии лопасти ротора). При этом создается такой характер движения потоков рабочей жидкости в проточной полости аппаратов биотехнологических производств, который порождает интенсивную абсорбцию газа в жидкой среде и равномерное распределение концентрации кислорода и питательных веществ в биореакторе. Этому обстоятельству в значительной степени способствует безударное воздействие РГТ на биокультуру и максимальное увеличение степени циркуляции за счет подъема потока в меридиональной плоскости рабочей жидкости и минимизации вероятности появления застойных зон статического характера в проточной полости емкостного аппарата. Как следствие этого, повышается производительность биореактора при низком удельном энергопотреблении, что существенным образом способствует снижению себестоимости продукта в целом.
Вместе с тем, концентрация значительного количества энергии и рациональное ее использование в рабочем объеме биореактора с ротором геликоидального типа при создании организованного потока ферментационной среды, обеспечит успешное применение этого вида перемешивающего устройства при выпуске конечного продукта высокого качества с низкой себестоимостью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Винаров А. Ю., Кухаренко А. А., Панфилов В. И. Лабораторные и промышленные ферментеры : учеб. пособ. / РХТУ им. Д. И. Менделеева. М., 2004. 97 с.
2. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / А. Ю. Винаров [и др.]. М. : ДеЛи Принт, 2005. 278 с.
3. Пленочные биореакторы / Н. А. Войнов [и др.]. Красноярск : Боргес, 2001. 252 с.
4. Красноштанова А. А., Крылов И. А., Бабусенко Е. С. Основы биотехнологии : учеб. пособие / РХТУ им. Д. И. Менделеева. М., 2001. 84 с.
5. Егорова Т. А., Клунова С. М., Живухина Е. А. Основы биотехнологии : учеб. пособие для высш. пед. учеб. заведений. М. : Академия, 2003. 208 с.
б. Цыренов В. Ж. Основы биотехнологии. Культивирование изолированных клеток и тканей растений : учеб.-метод. пособие. Улан-Удэ, 2003. 5S с.
7 Сартакова О. Ю. Основы микробиологии и биотехнологии : учеб. пособие. Барнаул : Изд-во АГТУ, 2001. 64 с.
S. Иванов К. А. Совершенствование газожидкостных биореакторов на основе роторов геликоидального типа : дис. ... канд. техн. наук: 03.01.06 : защищена 29.ii.i3. Красноярск, 2013. 153 с.
9. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. Л. : Машиностроение, 1966. 364 с.
10. Иванов Д. А. Совершенствование перемешивающего оборудования для получения санитарно-гигиенических изделий : дис. ... канд. техн. наук: 05.21.03 : защищена 16.05.14. Красноярск, 2013. 156 с.
REFERENCES
1. Vinarov A. Yu., Kukharenko A. A., Panfilov V. I. Laboratornye i promyshlennye fermentery : ucheb. posob. / RKhTU im. D. I. Mendeleeva. M., 2004. 97 s.
2. Fermentatsionnye apparaty dlya protsessov mikrobiologicheskogo sinteza / A. Yu. Vinarov [i dr.]. M. : DeLi Print, 2005. 27S s.
3. Plenochnye bioreaktory / N. A. Voynov [i dr.]. Krasnoyarsk : Borges, 2001. 252 s.
4. Krasnoshtanova A. A., Krylov I. A., Babusenko E. S. Osnovy biotekhnologii : ucheb. posobie / RKhTU im. D. I. Mendeleeva. M., 2001. S4 s.
5. Egorova T. A., Klunova S. M., Zhivukhina E. A. Osnovy biotekhnologii : ucheb. posobie dlya vyssh. ped. ucheb. zavedeniy. M. : Akademiya, 2003. 20S s.
6. Tsyrenov V. Zh. Osnovy biotekhnologii. Kul'tivirovanie izolirovannykh kletok i tkaney rasteniy : ucheb.-metod. posobie. Ulan-Ude, 2003. 5S s.
7 Sartakova O. Yu. Osnovy mikrobiologii i biotekhnologii : ucheb. posobie. Barnaul : Izd-vo AGTU, 2001. 64 s.
S. Ivanov K. A. Sovershenstvovanie gazozhidkost-nykh bioreaktorov na osnove rotorov gelikoidal'nogo tipa : dis. ... kand. tekhn. nauk: 03.01.06 : zashchishchena 29.11.13. Krasnoyarsk, 2013. 153 s.
9. Lomakin A. A. Tsentrobezhnye i osevye nasosy. L. : Mashinostroenie, 1966. 364 s.
10. Ivanov D. A. Sovershenstvovanie peremeshiva-yushchego oborudovaniya dlya polucheniya sanitarno-gigienicheskikh izdeliy : dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.21.03 : zashchishchena 16.05.14. Krasnoyarsk, 2013. 156 s.
© Руденко А. П., Иванов К. А., Иванов Д. А., 2017
Поступила в редакцию 27.07.2016 Принята к печати 2S.12.2016
