CC BY
65
УДК 661.185.4: 57.083.13
И. С. Владимирова, Н. К. Филиппова ВЛИЯНИЕ ПАВ НА МАССОПЕРЕДАЧУ КИСЛОРОДА В ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СИСТЕМЕ
Ключевые слова: массопередача, кислород, ПАВ.
Проведены исследования эффективности выполнения газотранспортной функции неионогенным и анионактивным ПАВ: получены кинетические кривые, дана количественная оценка влияния ПАВ на массопередачу кислорода в модельных условиях, изучено влияние двух факторов - массового содержания ПАВ и гидродинамических условий в аппарате. Показано, что в аппаратах с низкими массообменными характеристиками присутствие ПАВ увеличивает скорость массопередачи кислорода в 3-5,2 раза.
Keywords: mass transfer, oxygen, surfactant.
Researches of efficiency of performance of gas transmission function nonionic and anionaktivny surfactant are conducted: kinetic curves are received, the quantitative assessment of influence surfactant on an oxygen mass transfer in model conditions is given, influence of two factors - the mass contents surfactant and hydrodynamic conditions in the device is studied. It is shown that in devices with low mass-exchanged characteristics presence surfactant increases oxygen mass transfer speed by 3-5,2 times.
Перспективным направлением в
биотехнологии является интенсификация
действующих технологических процессов за счет применения веществ, улучшающих условия аэрации в ферментационной среде [1,2], так как в большинстве случаев аэробные биохимические процессы лимитированы массопередачей кислорода.
Известен метод повышения эффективности процессов ферментации с использованием водной эмульсии фторуглеродных ПАВ,
интенсифицирующей транспорт кислорода в ферментационной среде [3].
Цель работы - расширить круг уже известных своей газопереносящей функцией ПАВ [4] новыми эффективными веществами, способными улучшить массоперенос кислорода в среде газ-жидкость.
Основное применение ПАВ основано на их фундаментальном свойстве - стремлении аккумулироваться на межфазных границах [5], благодаря чему они нашли применение во всех областях промышленности: в медицине [6], в нефтяной отрасли [7], в пищевой промышленности [8]. Адсорбция ПАВ на границах раздела г-ж и ж-ж вызывает различные эффекты и явления, находящиеся в сложной связи между собой. Влияние ПАВ на массопередачу - явление сложное, зависящее от многих факторов Степень концентрации ПАВ на границах зависит от строения их молекул и от природы контактирующих фаз. Поэтому не существует универсального эффективного ПАВ, пригодного для любых систем, а выбор подходящего ПАВ определяется функциями, которые оно должно выполнять в данной системе.
При выборе ПАВ для исследования руководствовались следующим: ПАВ должно быть безвредным для биологических объектов; должно быть химически устойчивым; должно обратимо сорбировать кислород и т.д. [3]. Руководствуясь этими требованиями, остановились на неионогенном и анионактивном ПАВ.
В качестве неионогенного ПАВ (НПАВ) исследовался оксиэтилированный додециловый спирт (ОЭДС), в качестве анионактивного ПАВ
(АПАВ) - додецилсульфат натрия (лаурилсульфат натрия - натриевая соль лаурилсерной кислоты).
Известно, что НПАВ отличаются от других классов высокой химической устойчивостью, инертностью и низкой токсичностью [5].
ОЭДС применяется в медицинской промышленности в качестве анестетика, в пищевой промышленности в процессе производства сахара [8], додецилсульфат натрия нашел применение в фармакологии в качестве эмульгатора, диспергатора, а также в косметике в качестве основы моющих композиций [5].
Выбранные вещества являются типичными ПАВ: имеют высокую поверхностную активность; хорошо растворимы в воде; обладают дифильностью, т. е. в водной среде проявляют гидрофильные и гидрофобные свойства. ОЭДС и додецилсульфат натрия удовлетворяют первым двум требованиям (химической устойчивости, инертности, низкой токсичности).
Соответствие выбранных соединений третьему требованию изучали методом физической абсорбции. Этот метод позволяет определить сорбционные характеристики вещества, возможность выполнения ими газотранспортной функции.
Метод физической абсорбции заключается в регистрации с помощью мембранного датчика уровня насыщения дистиллированной воды кислородом в присутствии или отсутствии насыщенных кислородом или обескислороженных исследуемых веществ. Аэрация кислородом или азотом 20-процентных растворов ПАВ осуществлялась в течение 3-х часов при непрерывном перемешивании. Внесение
незначительного количества (1% об.) обогащенных кислородом водных растворов ПАВ приводило к увеличению скорости насыщения воды кислородом, по сравнению с контрольной. При этом растворимость кислорода в воде не менялась, а процесс достижения равновесия ускорялся.
При внесении в воду обескислороженных ПАВ, скорость растворения кислорода в воде снижалась относительно контрольной.
Аналогично кривым абсорбции были сняты кривые десорбции кислорода из водной фазы в присутствии насыщенных или обескислороженных растворов ПАВ.
Метод физической абсорбции позволил определить способность растворов исследуемых веществ насыщаться кислородом в области повышенного парциального давления и отдавать его при снижении парциального давления, что подтвердило факт участия ПАВ в транспорте кислорода.
На следующем этапе исследования была проведена экспериментальная проверка выбранных ПАВ в модельных условиях. Опыты проводились в лабораторном термостатированном ферментере с лопастной мешалкой и рабочим объемом два литра.
Количественная оценка скорости сорбции кислорода в присутствии исследуемых ПАВ была дана с помощью стандартного сульфитного метода [9].
Изучение сульфитных характеристик ферментера при различных гидродинамических условиях выполнялось при постоянной температуре равной 30 °С и при установившейся скорости окисления сульфита.
Сульфитные числа определялись балансовым методом по разности содержания кислорода во входящем и выходящем из аппарата газовых потоках [10]. Парциальное давление измерялось оксианализатором.
Поверхность контакта ПАВ с газом зависит от количества ПАВ, адсорбированного на поверхности, которое в свою очередь определяется концентрацией растворенного ПАВ и гидродинамическими условиями.
Целью эксперимента было определение оптимальных условий применения ПАВ: изучалось влияние двух факторов - массового содержания ПАВ (исследовались концентрации в интервале от 0,002 до 0,026 г/л) и гидродинамических условий (опыты проводились при различных скоростях вращения мешалки от 300 до 1000 об/мин и удельных расходах воздуха равных 1; 1,5; 2 л/л мин).
Для повышения достоверности полученных значений сульфитных чисел, эксперименты повторялись не менее трех раз. После чего рассчитывались относительные погрешности, составившие от 5 до 8%.
Известно, что если в присутствии ПАВ общая скорость массопередачи возрастает, то ее увеличение может быть описано либо приращением коэффициента масопередачи (А), либо коэффициентом ускорения (ж), аналогично процессу хемосорбции [11]. В работе рассчитывался коэффициент ускорения - ж.
Полученные экспериментальные
зависимости коэффициента ускорения массопередачи кислорода (ж = Иопыта/Мконтроля, где N - сульфитное число) от концентрации исследуемых ПАВ представлены на рисунке 1.
Рис. 1 - Зависимость коэффициента ускорения от концентрации: (-♦-) - НПАВ; (▲) АПАВ
Из рисунка 1 следует, что с изменением концентрации НПАВ от 0,002 до 0,010 г/л наблюдался значительный рост скорости окисления сульфита (ж = 3,0). С изменением концентрации АПАВ до 0,018 г/л коэффициент ускорения вырос до 2,5, последующее увеличение концентрации до 0,026 г/л приводило к существенному ускорению процесса окисления сульфита (ж = 5,2), однако дальнейшее повышение концентрации АПАВ из-за обильного пенообразования было приостановлено.
Зависимости N и ж от гидродинамических условий в присутствии оптимальных концентраций НПАВ (0,010 г/л) и АПАВ (0,024 г/л) представлены на рисунках 2 - 4 соответственно.
300 600 800 1000
скорость перемешивания, об/мин
Рис. 2 - Зависимость сульфитного числа от расхода воздуха (О): контроль и опыт (НПАВ): (♦,▲,□) -контроль при О=1; 1,5; 2,0 л/л мин соответственно; (+,-,*) - опыт при О=1; 1,5; 2,0 л/л мин соответственно
15,° 12,° Э 9,°
Ч 6,0
Z" 3,° 0,0
300 600 800 1000
скорость перемешивания, об/мин
Рис. 3 - Зависимость сульфитного числа от расхода воздуха (Q): контроль. и опыт (АПАВ): (□,▲,*) -контроль при Q=1; 1,5; 2,0 л/л мин соответственно (-,+,х) - опыт при Q=1; 1,5; 2,0 л/л мин соответственно
300 600 800 1000
скорость перемешивания, об/мин
Рис. 4 - Зависимость коэффициента ускорения от скорости перемешивания при Q=1,5 л/л мин: □ НПАВ, ♦ АПАВ
Как следует из рисунка 4 максимальный эффект от внесения исследуемых соединений наблюдался при небольших скоростях перемешивания. С ростом скорости перемешивания влияние ПАВ на интенсификацию массопередачи кислорода снижалось.
В результате проведенных исследований были определены гидродинамический режим и концентрации НПАВ и АПАВ, интенсифицирующие массопредачу кислорода в 3 и 5,2 раза соответственно, при этом максимальный вклад исследуемых ПАВ в увеличение скорости окисления сульфита наблюдался при удельном расходе воздуха 1,5 л/л мин и скорости перемешивания 600 об/мин (сульфитное число аппарата при этих значениях соответствовало 2,3 г/л час).
Такое увеличение массопередачи в присутствии ПАВ не может быть объяснено традиционными факторами - снижением поверхностного натяжения и увеличением межфазной поверхности контакта, поскольку газосодержание и размеры газовых пузырей в аппарате менялись незначительно.
На основании вышеизложенного можно утверждать, что додецилсульфат натрия и оксиэтилированный додециловый спирт способны выполнять газотранспортную функцию.
Таким образом, полученные результаты позволяют рекомендовать исследуемые АПАВ и НПАВ для интенсификации скорости транспорта кислорода в аппаратах с низкими массообменными характеристиками.
Учитывая многогранность влияния ПАВ на массопередачу в сложной ферментационной системе, зависящего от многих факторов, результирующий эффект от их действия можно определить только путем экспериментальной проверки конкретного ПАВ в конкретном биотехнологическом процессе.
Литература
1. Ш.Г.Еникеев, В.М.Емельянов, Микроб. пром-ть, 9, С.6-9, (1977).
2. В.М.Емельянов, З.М.Билялова, И.С.Владимирова, Acta Biotechnologica, 8, 4, 335-340, (1988).
3.И.С.Владимирова, Автореф. дисс. канд. техн. наук, Казанский химико-технологический инс-т, Казань, 1989,16 с.
4. И.С.Владимирова, В.М.Емельянов, Н.К.Филиппова, Л.Ю.Кошкина, Вестн. Казанск. технол. ун-та, №2, 9095, (2009).
5. К.Холмберг, Б. Йенссон, Б.Кронбер, Б. Линдиан, Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. БИНОМ. Лаб. знаний, Москва, 2007, 528 с.
6.Е.Д.Щукин, З.Н.Маршина, Н.Н.Цикурина, В сб. Фторуглеродные газопереносящие среды, Пущино, 1984, С.63-70.
7. М.Р.Идрисов, А.И.Абдуллин, Вестн. Казанск. технол. ун-та, 15, 9, 214-215, (2012).
8. Пат. РФ.2122030 (1998).
9. Ю.Г.Фролов, Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы, Химия, Москва, 1982, 399 с.
10. У.Э.Виестур, Культивирование микроорганизмов, Пищевая промышленность, Москва, 1980, 231 с.
11. П. Данквертс, Газожидкостные реакции, Химия, Москва, 1973, 295с.
© И. С. Владимирова - к.т.н., доц. каф. бизнес-статистики и математических методов в экономике КНИТУ, isvlad2@yandex.ru; Н. К. Филиппова - к.т.н., доцент той же кафедры, filippova61@vk.ru.
© 1 S. Vladimirova - Cand.Tech.Sci., the associate professor of business statistics and mathematical methods in economy KNRTU, isvlad2@yandex.ru; N. K. Filippova - Cand.Tech.Sci., the associate professor of business statistics and mathematical methods in economy KNRTU, filippova61@vk.ru.
