CC BY
18УДК 681.54
РОЛЬ КИСЛОРОДА ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ АППАРАТА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Г.Е. Кокиева, |И.Б. Шагдыров|, Ю.А. Шапошников
Проведено исследование способа подвода кислорода в оборудовании. Газосодержание является одним из основных контролируемых гидродинамических параметров, влияющих на протекающие гидродинамические и химические процессы, тепло- и массопередачу. Процесс протекает в биотехнологическом оборудовании - ферментаторе, конструкционная особенность которой может решить техническую задачу - а именно подвода кислорода в питательную среду.
Ключевые слова: гидродинамика химических процессов, подвод кислорода, производительность оборудования.
ВВЕДЕНИЕ
Газосодержание является одним из основных контролируемых гидродинамических параметров, влияющих на протекающие гидродинамические и химические процессы, тепло- имассопередачу. В производствах БВК продуценты кормового белка являются аэробными микроорганизмами. Процессы, происходящие в ферментаторе, отличаются исключительной сложностью, т.к. одновременно протекают процессы микробиологического синтеза и тепломассообмена, накладывающиеся друг на друга. Причем последние зависят от гидродинамической обстановки. При этом гидродинамическая обстановка в ферментаторе и структура потока многофазной системы решающим образом определяются конструктивными особенностями ферментатора и режимами его работы. Кислород является труднорастворимым газом, из-за малой растворимости в культуральных средах и относительно большой скорости потребления кислорода, что определяется заданным удельным съемом продукции (биомассы), при определенных условиях кислород может выступать как лимитирующий субстрат. Требуется более глубокое изучение самого процесса и совершенствования его математических моделей.
Для выяснения механизма поступления питательных веществ, в т.ч. кислорода, в клетку, обычно анализируется каждая стадия фазового перехода и переноса массы. Т.е. используется прием хорошо известный в процессах основной химической технологии. При этом стадия с наибольшим сопротивлением является лимитирующей и определяет скорость протекания всего процесса. В работах. Самсонова В.В. показано, что в процес-
сах выращивания продуцентов кормового белка чаще всего лимитирующей стадией является массопередача кислорода из газовой фазы в жидкую.
Решающая роль скорости растворения кислорода в достижении заданной производительности ферментатора при выращивании кормовых дрожжей подтверждена [1, 4]. Раннее отмечалось [6], что в условиях интенсивного перемешивания > 2 кВт м-3) достигаемая скорость растворения кислорода М > 2 кВт м-3ч-1.
Процесс массопередачи кислорода может быть разделен на диффузионную часть в газо-жидкостных пленках и на внутриклеточную необратимую биохимическую реакцию, которая зависит от количества кислорода поступающего из газовой фазы в жидкую расходуемого на жизнедеятельность микроорганизмов.
В 1970-1980 гг. появились работы, в которых отмечают, что влияние перемешивания «через кислород» не может рассматриваться как универсальный механизм, объясняющий все известные экспериментальные данные [2, 3]. Это направление исследований в нашей стране получило наиболее широкое развитие в работах В.В. Кафарова, Л.С. Гор-деева, С.Ю. Юрьевича, В.В. Самсонова. Суть влияния перемешивания заключается в том, что при выращивании мицелиальных культур, актиномицетов и т.п. в вязких культуральных средах возникают полужесткие колонии - агломераты, состоящие из многих микроорганизмов, не связанных с гифами, а находящихся вместе из-за отсутствия относительного движения слоев жидкости, в которой находятся микроорганизмы. При этом процесс доставки кислорода и питательных веществ к клеткам агломератов осуществляется с
Г.Е. КОКИЕВА,
И.Б. ШАГДЫРОВ
, Ю.А. ШАПОШНИКОВ
меньшей скоростью, чем к отдельно существующим клеткам, находящимся вне агломерата, что в конечном итоге приводит к снижению производительности ферментатора. Понятие степени сегрегации связано с концепцией «жидких частиц». Согласно этой концепции жидкость, поступающая в реактор, диспергируется на «жидкие частицы», каждая из которых функционирует как самостоятельная система. Предполагается, что объем «жидкой частицы» достаточно мал по сравнению с реакционным объемом, но достаточно велик, чтобы содержать в себе большое количество мельчайших частиц (молекул). Молекулы, составляющие частицу, остаются в ней в течение времени ее пребывания в реакторе. Если состояние жидкости соответствует этим условиям, то жидкость считают полностью сегрегированной. Степень сегрегации в этом случае равна 1. Если жидкость, поступающая в реактор, полностью перемешивается на микроуровне, что имеет место в моделях аппаратов идеального смешения, то в этом случае степень сегрегации равна 0.
Следует отметить, что отсутствие точных математических моделей макрокинетики процесса биосинтеза кормового белка и сложные математические описания структуры потоков в ферментаторах пока не позволяют в достаточной степени использовать это интересное направление в практической работе при расчете и конструировании ферментаторов. Кроме того, коэффициенты предложенных математических моделей определяются экспериментально, что не позволяет прогнозировать условия перемешивания в промышленном аппарате без проведения исследований. С достаточной уверенностью можно полагать, что при высокой интенсивности растворения кислорода, для достижения которой требуется значительная мощность на перемешивание, степень сегрегации близка к 0, так как аппарат приближается к модели идеального перемешивания [4, 5]. Это также установлено как при обследовании промышленных ферментаторов с рабочей вместимостью до 400 м3 для производства БВК, так и при исследовании опытных моделей вместимостью 1...15 м3. Поэтому учитывать явление сегрегации жидкости в аппаратах интенсивного массообмена с большой удельной мощностью на перемешивание (2...10 кВт*м-3) не следует. При достижении высокой интенсивности растворения кислорода, заведомо будет обеспечена высокая степень перемешивания жидкой фазы по структуре потока близкой к модели идеального перемешивания. Кратность циркуляции в таких аппаратах мо-
1
жет достигать величины 60.400 ч-. Хотя, конечно могут быть неудачные конструкции ферментаторов, в которых образуются застойные зоны, и, соответственно, могут появиться агрегаты микроорганизмов. Условия, способствующие появлению агломератов, наиболее присущи процессам выращивания микроорганизмов в ферментаторах на вязких культуральных средах и где не требуется высокая интенсивность процесса перемешивания и массообмена (производство ферментов, медпрепаратов). В настоящее время одной из главных задач конструкторов является разработка аппарата, который обеспечивает заданную скорость растворения кислорода, механическую надежность и долговечность при минимальных затратах. Различают несколько режимов движения газожидкостных потоков. При скорости газа менее 0,1 м*с-1 режим течения принято называть пузырьковым (гомогенным). С увеличением скорости газа и скорости жидкости газожидкостная смесь состоит из пузырьков различных размеров, заполняющих весь объем барботаж-ной трубы. Этот режим принято называть пенным (гетерогенным). При увеличении скорости газа более 10 м*с-1 пенный режим переходит а стержневой, при котором этот тип аппаратов не работает.
Газосодержание и скорость жидкой фазы является важнейшими характеристиками газожидкостного потока, т.к. оказывают существенное влияние на циркуляцию жидкости и скорости циркуляции среды.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовать процесс протекания процесса культивирования микроорганизмов в биотехнологическом оборудовании - ферментаторе, а именно подвод кислорода в питательную среду.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Эффективность протекания биотехнологического процесса в ферментаторе зависит от совокупности взаимодействующих конструктивных и технологических параметров и среды, условиями проникновения питательных компонентов к поверхности микроба, условиями отвода продуктов метаболизма, степенью аэрации и др. Основной характеристикой эффективности работы ферментатора являются рост микроорганизмов и выход биомассы, выражающийся производительностью установки. Обычно, при проектировании ферментаторов, как и любого другого аппа-
рата, задаются их производительностью и затем определяют оптимальные параметры. Решение такой задачи возможно лишь в том случае, когда имеется зависимость производительности ферментатора от основных параметров ее определяющих.
На рисунке 1 приведен аппарат для культивирования микроорганизмов [1], на рисунке 2 приведен новый способ подвода кислорода в аппарат [7], внедрение которого не только решает проблему кислородонасыще-ния, но и решает проблему увеличения полезного рабочего объема аппарата.
Искусственно созданный гидродинамический режим в аппарате для культивирования микроорганизмов оказывает существенное влияние на скоростной режим протекания химических, тепловых и массообменных процессов.
Рисунок 1 - Аппарат для культивирования микроорганизмов: 1 - корпус; 2 - вал; 3 - верхнее перемешивающее устройство; 4 - центральная мешалка; 5 - нижняя мешалка; 6 - теплообменная
рубашка; 7, 8, 9 - патрубки; 10 - электродвигатель; 11 - основание
Рисунок 2 - Схема полого вала с жалюзийными отверстиями для выхода воздуха в питательную смесь
1 - стенка вала; 2 - отверстия в валу; ^ - направление воздуха
Основными конструктивными элементами данных аппаратов для культивирования являются системы перемешивания культу-ральной среды и газораспределения по всему объему аппарата.
Для экспериментальных данных (в диапазоне переменных: УР = 1.1.11.1 т3); ат = 0.18.0.56 м; D = 0.8.2.5 м; ауЮ = 0.2.0.3/; V„ = (8.33.33.3)10-3М3/М3с; п = 3.12 об/с; тя = 1.4 методом наименьших квадратов были получены зависимости объемного коэффициента массопередачи от конструктивных параметров и режимов работы реактора с числом ярусов перемешивающего устройства тя < 4. На графиках 1-3 представлены зависимости концентрации кислорода от типа перемешивающего устройства.
Для аппаратов с одной многоярусной мешалкой:
К а = 0.8 №53 N02 МЯ47 /Б1 , С-1.
Для аппарата с тремя многоярусными мешалками:
К, а = 0т§-53 N02
М0Я47
Ш/ D, С-1. Для полученных экспериментальных данных был рассчитан Кьа по зависимости, предложенной японскими исследователями:
Кп = 10-6 (2.40+3.35 ЛЯ) N°56у°-7п03,
где Кп - объемный коэффициент сорбции кислорода;
ЫЯ - число ярусов мешалки;
- удельная энергия на механическое перемешивание;
уг - фиктивная линейная скорость газа; п - число оборотов мешалки в минуту [3].
Г.Е. КОКИЕВА, И.Б. ШАГДЫРОВ, Ю.А. ШАПОШНИКОВ
Зависимость К^.с1 отгп и 1\1у/М от1п для аппаратов с одной многоярусной мешалкой
к ВТ ч/кг 02 К^с"1 8*10Л[-1) {зона * « * III зона III зона
б*10Л[-1) 4*10Л[-1) 1 ► м * * » м
2*10л[-1) ■---——*— 1
10 2*10А2 3*10А2 4*10А2 5*10А2 6*10л2 График 1 - Зависимость для аппаратов с одной многоярусной мешалкой
Зависимость К|_а,с 1 от 1п и 1\1у/М от 1п для аппаратов стремя многоуровневыми мешалками
ш/м кВТ ч/кг 02 К|э,с 1 1 зона II зона III зона
"К
8*10л(-1)
6*10л(-1)
4*10л(-1) #г
2*10л(-1) •.......
10 2*10Л2 3*10л2 4*10л2 5*10л2 6*10л2
График 2 - Зависимость для аппаратов с тремя многоуровневыми мешалками
Зависимость Кьа,с 1 от1п и 1Му/М от1п показатель Ш/М п)
1Чу/М к ВТ ч/кг 02 Кьа,с 1 1 зона II зона III зона
8*10л(-1)
6*10л(-1) и —
4*10л(-1) —^
2*10л(-1)
10 2*10Л2 3*10л2 4*10л2 5*10л2 6*10л2
График 3 - Зависимость. Показатель Ыу/М =
Концентрация кислорода в культураль-ную жидкость в отходящем из ферментатора воздухе составляет 18... 20 %.
В аппаратах для культивирования микроорганизмов возникают пузырьковый, пенный, стержневой [4, 5, 7].
• Пузырьковый (с подводом кислорода) возникает при скоростях газа менее 0,050,1 м.с-1. Здесь наблюдается примерно одинаковый размер пузырей, что способствует в свою очередь равномерное распределение частиц по всему объему аппарата для культивирования микроорганизмов;
• Пенный (гетерогенный, турбулентный), возникает при увеличенных значениях газа. В процессе культивирования микроорганизмов
возникает увеличенное и масштабное пено-образование на поверхности культивируемой жидкости, поверхность контакта фаз при этом режиме достигает максимума. Образование пены в свою очередь снижают показатели производства кормового белка. Обычно пе-нообразование на поверхности культивируемой жидкости устраняют при помощи химических реагентов, что вносит отрицательный характер в питательные ценности кормового белка. На данный момент уже существуют механические методы по устранению данного недостатка путем реконструкции ферментаторов, а именно аппарата новой конструкции [7], в данном оборудовании имеется трехъярусное перемешивающее устройство,
верхнее перемешивающее устройство предназначено для устранения и гашения пенооб-разования по всей поверхности культураль-ной жидкости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Новый подвод кислорода через полый вал и трехъярусное перемешивающее устройство обеспечивает наиболее интенсивное аэрирование питательной среды по всему объему культивируемой среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анализ производственно-технической деятельности заводов БВК Всесоюзного производственного объединения «Союзпромбелок» в IV квартале 1977 года : отчет / ВНИИсинтезбелок : научн. руководитель темы Катруш Р. В. - М.,1978. - 51 с.
2. Бирюков, В. В. Влияние масштаба сегрегации на процессы культивирования микроорганизмов / В. В. Бирюков // Микробиологическая промышленность. - 1975. - № 4. - С. 1-4.
3. Бирюков, В. В. Сравнительный анализ механизмов влияния перемешивания на биохимические процессы при культивировании микроорганизмов / В. В. Бирюков, А. Д. Штоффер // Микробиологическая промышленность. - 1970. - № 2. -С. 27-33.
4. Бойко, В. И. Исследование работы биохимического реактора с рассредоточенными по объему перемешивающими устройствами : дис. ... канд. техн. наук / Бойко В. И. - М.,1980. -197., ДСП.
5. Вольфович, Д. И. Увеличение производительности дрожжей выращиваемых на н-парафинах путем повышения парционального давления О_2 : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Вольфович Д. И. - М., 1981. - 23 с.
6. Кузнецов, А. М. Ферментационная аппаратура для производства кормового белка : обзор / А. М. Кузнецов, В. Г. Усенко, В. И. Бойко. - М. : ОНТИТЭИмикробиопром, 1978. - 56 с., ДСП.
7. Федосеев, К. Г. Физические основы и аппаратура микробного синтеза биологических активных соединений / К. Г. Федосеев. - М. : Медицина, 1977. - 304 с.
Кокиева Галия Ергешевна, к.т.н., БИИК СибГУТИ, 670031, г. Улан-Удэ, ул. Трубачеева, дом 152, e-mail: [email protected], тел.:
89243993984._
Шагдыров Илья Баторович, д.т.н.,
ФГБОУ ВО БГСХА 670024, Россия, г. Улан-Удэ, ул. Пушкина, дом 8.
Шапошников Юрий Андреевич, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова», тел.: 8-905-9870721, e-mail: [email protected].
