Обоснование значений газосодержания в оборудовании микробного синтеза

Размещено на http://allbest.ru

Обоснование значений газосодержания в оборудовании микробного синтеза

Кокиева Г.Е., Протодьяконова Г.П., Нифонтов К.Р.

Якутская государственная сельскохозяйственная академия

Аннотация

В статье рассматривается конструктивная особенность аппарата для культивирования микроорганизмов, которая напрямую влияет на расчёт скоростей жидкой фазы в газожидкостном потоке. Скорость газожидкостного потока зависит от скорости газа, физических и химических свойств среды, вязкости среды, газосодержания в барботажной и циркуляционной зонах и других параметров гидравлики и гидродинамики

Ключевые слова: массообмен, аппарат, биореактор, массопередача, газосодержание, производительность, циркуляция, зона

Массообмен, газосодержание в аппарате для культивирования микроорганизмов, выбор штамма микроорганизма играют большую роль в процессе микробного синтеза. Массообмен играет решающую роль в достижении заданной производительности аппарата, если соблюдаются технологические и микробиологические условия.

На рис. 1 приведена структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов, состоящая из трёх зон:

- зона 1 - зона интенсивной массопередачи;

- 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.

Рис.1. Структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов:

1 -зона интенсивной массопередачи; 2 - зона охлаждения; 3 -зона циркуляции

На поверхности культуральной среды в процессе культивирования микроорганизмов образуется пена. Диаметр пенного пузырька определяется размером отверстий в барботере и физико-химическими свойствами культуральной жидкости:

, (1)

где: d-диаметр отверстия;

?-поверхностное натяжение;

q - ускорение свободного падения;

р_ж -плотность жидкости;

р_r- плотность газа.

Тогда количество пузырьков:

, (2)

где V_r -общий объемный расход воздуха при нормальных условиях.

Содержание кислорода в оборудовании при научном обосновании значений газосодержания в аппаратах микробного синтеза, осуществляющих подвод кислорода [1-4], рассчитывается по формуле:

(3)

Для колонны с подводом кислорода:

(4)

Для газлифтной колонны:

(5)

При исследовании процесса абсорбции кислорода в питательной среде различной вязкости для расчета газосодержания принято уравнение:

(6)

где D - диаметр аппарата.

На данный период времени рядом ученых проведены систематические исследования [5-8] и даны рекомендации для определения ц следующей зависимостью:

(7)

При исследовании газосодержания в рециркуляционной колонне диаметром ? 0.15 м и высотой Н =10.5 м авторами [4, 7] было получено следующее уравнение:

(8)

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 (газлифтах):

² (9)

Здесь о - суммарное гидравлическое сопротивление эрлифта, равное:

о = 0,5+л ^0,5 +^0,2, (10)

где: л - коэффициент гидравлического трения при движении в трубе жидкости с той же приведенной скоростью;

₀ - газосодержание в месте выхода потока из эрлифта.

Для расчета , по данным [3, 11-14], рекомендуется использовать уравнение Бернулли, преобразованное для циркуляционного контура, следующего вида:

H() *g = _б+?P_ц (11)

На данный момент в процессе производства кормового белка при культивировании микроорганизмов в культуральной жидкости происходит ряд реакций в ферментационной жидкости с кислородом. Рядом авторов [7, 11] для реакций с кислородом жидкостей, получивших широкое распространение в промышленности, для расчета W_ж рекомендуется зависимость:

H()*g = .

(12)

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 барботажных и циркуляционных зон ѓ_б*ѓ_ц^-1=1, приближенном к значение приведенной скорости жидкости, этими же авторами предлагается рассчитать W_ж по упрощенному уравнению:

W_ж = 3,5 (13)

где о_k = 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 m_pc и K_r велики, и диффузионным сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь, и соблюдается неравенство:

, (14)

Откуда следует:

(15)

На основании равенства уравнение массопередачи:

=*х,

Левый член уравнения: , называющегося скоростью объемного массопереноса кислорода, или скоростью растворения кислорода, для абсорбции кислорода воздуха культуральной жидкостью запишется в следующем виде:

. (16)

культивирование микроорганизм газожидкостный поток ферментаторы

Список использованных источников

1. Кокиева Г.Е. Анализ особенностей эксплуатации аппаратов для культивирования. Сб. Потенциал развития отрасли связи Байкальского региона. - Новосибирск. - 2013.

2. Кокиева Г.Е. Анализ технологии измерения рабочих поверхностей при дефектации аппаратов для культивирования микроорганизмов. Научно-технический Вестник Поволжья. Сб. №3, 2014. - Казань.

3. Юдин Э.Г. Системный подход и принципы деятельности. - М.: Наука. - 1978. - 392 с.

4. Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин. - М.: Мир. - 1977. 522 с.

5. Шарифуллин В.Н., Бояринов А.И., Гумеров А.М. Связь перемешивания и массопередачи на примере барботажно-эрлифтного аппарата. В кн.: Массообменные процессы и аппараты химической технологии. - Казань. - 1980. - С. 17-18.

6. Шебатин В.Г., Доманский И.В. и др. Эрлифтное транспортирование жидкостей и суспензий // ЖРХ. - 1977, №4. - С. 86-87.

7. Черноиванов В.И. Совершенствование техники: автореф. дис…д-ра техн. наук. - Л. - 1984. - 54 с.

8. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления: Учебное пособие. - Спб.: Питер. - 2004. - 256 с.

9. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента // Пер. с англ. Е.К. Коваленко. - М.: Мир. - 1972. - 384 с.

10. Юдинг В.М. Ресурсосберегающие технологии при ремонте машин: автореф. дис… д-ра техн. наук. - М. - 2001. - 35 с.

11. Яковлев Н.А., Соломаха Г.П. Об учете энергии газового потока при изучении массопереноса в аппаратах с мешалками. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах. - М.: НИИТЭхим. - 1976. С. 123-126.

12. Якушкин В.А. Исследование и разработка методики расчета трубчатых газлифтных аппаратов для выращивания кормовых дрожжей: автореферат канд. дисс. ЛТИ им. Ленсовета. - Л. - 1974. - 23 с.

13. Янчевский В.К., Коваленко В.И., Шевченко В.И. Интенсификация биосинтеза дрожжевой биомассы в бродильных производствах / Обз. инф. АгроНИИТЭИПП. Спиртовая и ликероводочная промышленность. - 1984, № 4. - 20 с.

14. Черноиванов В.И. Организация и технология восстановления деталей машин. - М.: Агропромиздат. - 1989. - 336 с.

Размещено на Allbest.ru