Газосодержание в оборудовании новой конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Газосодержание в оборудовании новой конструкции

Кокиева Г.Е., доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная механика»; Дондоков Ю.Ж., кандидат технических наук ФГБОУ ВО Якутская ГСХА

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: культуральная жидкость, концентрация субстрата, растворимость кислорода.

Abstract

The article deals with the design feature of the apparatus for the cultivation of microorganisms, which directly affects the calculation of the liquid phase velocities in the gas-liquid flow. The gas-liquid flow rate depends on the gas velocity, physical and chemical properties of the medium, the viscosity of the medium, the gas content in the bubbling and circulation zones and other parameters of hydraulics and hydrodynamics

Key words: culture liquid, substrate concentration, oxygen solubility.

культивирование скорость газожидкостный поток

Эффективное выращивание белково-витаминного концентрата, переработку полевых отходов и экологическую чистоту производства во многом определяет основной аппарат-ферментатор [1,5]. В то же время технико-экономические показатели и экологическая безопасность действующих ферментаторов не отвечают современным требованиям [2]. Поэтому создание нового эффективного оборудования является актуальной проблемой. Российскими и зарубежными исследователями показано, что эффективность работы массообменного аппарата является ферментатор, определяется возможностью обеспечения необходимой массопередачи в системе газ-жидкость при минимальных расходах энергии на перемешивание, пеногашение и расхода воздуха на аэрацию.

Транспорт кислорода зависит от растворимости газа в жидкой фазе, от мощности барботажа, размера пузырьков, скорости вращения вала и формы мешалки, химического состава питательной среды, температуры, толщины невозмущаемых слоев жидкости вокруг газового пузырька и клетки и др [1,2,5].

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.

Рисунок 1. Структурная схема аппарата для культивирования микроорганизмов: 1 -зона интенсивной массопередачи; 2 - зона охлаждения; 3 -зона циркуляции

В зависимости от отношения микроорганизмов к молекулярному кислороду, их принято делить на облигатные аэробы, факультативные анаэробы и облигатные аэробы [1,3,4]. Большинство микроорганизмов являются облигатными аэробами и для их роста обязательно необходим молекулярный кислород.

При давлении 0,1 МПА и температуре 30^оС в 1 литре дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7,63 мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода еще ниже и составляет 2...5 мг/л. С повышением в питательной среде концентрации питательных веществ, рН и температуры, растворимость кислорода уменьшается. Запасы кислорода в среде способны поддерживать жизнедеятельность микроорганизмов в течение 0,5.2 мин.

Известно, что в условиях аэробиоза при понижении концентрации растворенного в среде кислорода до 0,5.1 мг/л, считающейся критической, размножение дрожжей почти прекращается [1,2,3].

Удельная скорость роста микроорганизмов определяется по зависимости, выявленной Моно в 1942 году:

М=М_махS/(S+K_s) (1)

Где М_мах- максимально возможная скорость роста,

К_S - константа Моно, или константа насыщения. Она численно равна той остаточной концентрации лимитирующего субстрата, которая, ограничивая рост, замедляет его вдвое;

S - концентрация субстрата.

Концентрация субстрата в ферментаторе определяется по формуле:

S=Ks/ (M_max-D) (2)

где D - скорость разбавления в среде.

D равняется М при постоянных параметрах процесса.

Концентрация биомассы в ферментаторе в стационарном состоянии:

X=Y(Sr-S)= Y[Sr-Ks/ (Mmax-D)] (3)

где X - концентрация клеток:

8г - концентрация субстрата в поступающей среде;

Y - экономический коэффициент, или доля потребляемого субстрата, затраченная на синтез биомассы.

Экономический коэффициент определяется по виду:

Y=(Mб/Mc)*100% (4)

где Мб - масса образованного продукта;

Мс - масса израсходованного субстрата.

Перемешивание культуральной жидкости способствует равномерному распределению питательных веществ и перемешиванию (транспорту) их к клеткам, способствует удалению от клеток микроорганизма продуктов обмена и лизиса, с также обеспечивает равномерное распределение кислорода в культуральную жидкости по всему объему ферментатора. Выполненные расчеты показали приемлемую точность и надежность предлагаемого метода. Приведенные в настоящей статье результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными (рис. 1).

Устойчивость и эффективность применяемых численных методов позволяют выполнить дальнейшую модификацию технологии расчета, включая подбор моделей турбулентности, с целью повышения точности расчетов.

Рисунок 1 - Сравнительные данные по микробному синтезу инструктивного и экспериментального режимов в аппарате для культивирования микроорганизмов

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что рациональное сочетание расчета и эксперимента позволяет расширить границы исследований, уменьшить объем экспериментов и значительно ускорить доводочные работы по созданию и совершенствованию перспективных конструкций ферментаторов.

Список литературы

1. Батищев А.Н. Методологические основы обоснования рационального способа восстановления деталей // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-1992.-№ 9.-с.30-31.

2. Безрядина Г.Н. Синтез алгоритмов управления в условиях конкурентного взаимодействия популяций микроорганизмов: (На прим. дрожжевого производства). Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.13.16, 05.13.07. - Воронеж: ВГТА, 1997. - 16 с.

3. Кокиева Г.Е. Исследование аппарата для культивирования микроорганизмов / Г.Е. Кокиева // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 4. - С. 123-125.

4. Кокиева Г.Е. Кормовые дрожжи как биологически активная добавка в кормлении сельскохозяйственных животных // Матер. регион. науч. - практ. конф. «Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов». - Иркутск: Изд-во ИТУ, 2006.

5. 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.

Размещено на Allbest.ru