Использование технологии CFD для изучения механического стресса в биореакторе с мешалкой Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

У

в % и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 1 (106)

УДК 66.047.596: 001.891.573

П.Д. Лавров, Ю.А. Верхолаз, Е.В. Гусева

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ CFD ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО СТРЕССА В БИОРЕАКТОРЕ С МЕШАЛКОЙ

The results of the hydrodynamics calculation in the stirred-tank bioreactor have been presented. The methods of modeling for the process using CFD-technology (software package Fluent) have been considered. The mathematical models for process calculation have been chosen. The influence of mechanical stress (speed of the stirrer) on microorganisms Lactobacillus casei has been studied.

В данной статье представлены результаты расчета гидродинамики в биореакторе с мешалкой. Рассмотрены методы моделирования процесса с применением CFD-технологии, а именно программного пакета Fluent. Произведен выбор математических моделей для расчета процесса. Изучено влияние механических стрессовых воздействий (скорость вращения мешалки) на микроорганизмы Lactobacillus casei.

Основной целью данной работы было исследование влияния гидродинамической обстановки в биореакторе с мешалкой как одного из факторов механических стрессовых воздействий на рост и жизнедеятельность молочнокислых бактерий на примере изменения интенсивности перемешивания.

Экспериментальные исследования были проведены в лаборатории биохимии Национального Политехнического Института Лотарингии (Нанси, Франция).

При создании модели во Fluent были введены следующие допущения: 1. Аппарат работает в стационарном режиме; 2. Все частицы имеют сферическую форму и одинаковый диаметр; 3. Вероятность столкновения частиц в объёме аппарата равна нулю; 4. Все столкновения частиц со стенками аппарата являются абсолютно упругими, то есть потери энергии отсутствуют.

Рис. 1. Расчетная сетка по рабочему объему биореактора

На основе вычисленного критерия Рейнольдса было установлено, что поток является турбулентным, следовательно, была выбрана одна из представленных в пакете Fluent моделей турбулентности - k-z, которая сразу вы-

9

С 1b G X U/ в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №1 (106)

числяет скорости диссипации энергии по аппарату, таким образом, четко показывает уровень механического стресса в аппарате:

dt дх. дх.

Ot OX: OX ,

V

иЛде_

aJdxj

дк

к

дх.

Gk+Gb-ре,

~CU т(Gk + C3sGb)-C2sp?-> к к

где к - кинетическая энергия турбулентности; 8 - скорость диссипации кинетической энергии; G^ - производство кинетической энергии, вызванное градиентом скорости; G- прирост кинетической энергии за счёт плавучести; о^ и ое - числа Прандтля соответственно для кие; Cj , С2е и С3е

- эмпирические константы.

При использовании пакета Fluent были получены профили скоростей диссипации энергии по аппарату при различных скоростях вращения мешалки.

Таким образом, было установлено, что уровень механического стресса становится таким, чтобы привести к разрушению клеток бактерий, только на границе с мешалкой, тогда как в объеме аппарата разрушения клеток происходить не должно.

При значительном увеличении интенсивности перемешивания (1500 об/мин и более) происходят необратимые повреждения бактерий в биореакторе на границе с мешалкой.

Таким образом, для данного типа биореактора был установлен коридор значений влияния механического стрессового воздействия, интенсивности перемешивания на рост и жизнедеятельность бактерий.

УДК 502.175-027.21:504.5:001.891 Е.С. Сударкина, Т.В. Савицкая

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ ПО ПРОБЛЕМАМ ХИМИЧЕСКОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИЙ

The report discusses the development and creation of automated testing and verification of knowledge in chemical and environmental safety, intended for training and retraining of personnel. The technology and the process of realization the subsystem for testing of knowledge in composition of educational and methodical complex in chemical and environmental safety are considered.

В докладе обсуждается разработка и создание автоматизированной системы тестирования и контроля знаний по проблемам химической и экологической безопасности, предназначенной для подготовки специалистов и переподготовки кадров. Рассматриваются тех-