Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка ферментатора с вращающимся газожидкостным слоем и изучение гидромассообменных показателей его работы

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка ферментатора с вращающимся газожидкостным слоем и изучение гидромассообменных показателей его работы"

о

\J

s 2

всесоквшй научно-1юсл13довательсж1й' 11рояж!0-констшсток!ь

институт пшшдюИ шохош

На правах рукопиои УЛК 66.021.3: 523.3

САЖОИОЗ Валерии Викторович

РАЗРАБОТКА ФЕВ1ЕНТАТ0РЛ G ВРАШАЩЖЯ ГА30ВДДК0СТШМ СЛОШ и изучение ЩЦРОМАСС оое'жш ПОШАТЕЖИ eco РАБОТН

(специальность 03.00.23 - биотехнология)

Автореферат

диссертации на ооискаша учэной степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Иркутском научно-исоледоватвльоком и конструкторском институте химического машиностроения и во Во асоюзном научно-исследовательском институте биооинтеза белковых веществ

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Впнаров А.Ю. доктор технических наук, профессор Кузнецов A.M. ■

доктор технических наук, профессор, академик IIA Ькков В.А кандидат технических наук Соколов Д.П.

Ведущая организация: Московски институт химического машиностроения

на заседании специализированного• кроектно-конотрукторском институте прикладной биохимии но адресу: 125299, г.Москва ул.Клары Цеткин, д.4/6.

G диссертацией елоено ознакомиться в библиотеке Всесоюзного-научно-исследовательского проектно-конструкторокого ■ •ищжитута- прикладной" биохимии

Официальный оппоненты:

Защита состоится

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.б.н.

И.И.Гусева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. 3 СССР создано крупнотоннажное производство микробиологического кормового белка. В соответствии с тенденциями изменения структуры сырьевой базы в первую очередь необходимо увеличивать мопдаости по переработке возобновляемых источников сырья. Основу этого производства составляют заводы по выращиванию кордовых дрожжей на гидролизных субстратах.

Эффективное выращивание кордовых дрожжей, использование сырья и экологическую чистоту производства во многом определяет основной а;:;;арат-ферлентатор. В то же время технико-эко-нсмическ'»«? показатели и экологическая безопасность действующих ферментаторов не отвечают современным требованиям. Поэтому создание нового эффективного ферментатора является актуальной проблемой. '

Советскими и зарубекными исследователями показано, что эффективность работы массообменного аппарата, которым является ферментатор, определяется возможностью обеспечения необходимой массопередачи в системе газ-жицкость при минимальных расходах энергии на перемешивание, пеногашение и расходе воздуха на аэрации. Одним из возможных путей решения этой проб-ле!ш является создание вихревого ферментатора,с вращающимся гапоитдкостиым слоем (ФВС).

Цель исследований. Разработка нового ферментатора с вращающимся газанидкостным слоем и инженерной методики его расчета.

Для достижения этой цели проведены исследования, бклео-чаю'пие задачи научного и прикладного характера:

- анализ существующих конструкций ферментаторов с целью определения перспективных направлений их усовершенствования;

- разработка и изготовление моделей, опытных и промып-леиных конструкций ФВС, разработка методов и средств исследования гидродинамических и массообменных характеристик потоков в Ж;

- изучение особенностей гидродинамических характеристик движения кидкой и газовой фаз, определение влияния режимных

s

и конструктивных характеристик ферментатора на паргше-три их движения;

- определенна слияния гидродинамики на интенсивность массойэред&чи в системе га-з-кздкость и изучение еа связи с конструктивней и рскичными параметрами ФЕС;

- биотехнологически« испытания 53С в промышленных условиях при вырапщпашш кормовых дрокжей ;

- разработка инасонесяо" методики расчета SBG.

Научная новизна работы. Создан повил промышленный ферментатор о вращвацимсл гпзошщностиш слоем. Проведены экспериментальные исследования , мпссообысна и пено-га^энпя вращают;» госл газожидкостного слол ь рззличних конструкциях QBC. На основании проведенных исследований предложил способы аэрации рабочей сред1', конструкции- зэратсров и pOUJ.'iU их JR60T15.

Установлена зависимость гдцродккачических и ыасеообмеч-иых характеристик гф&гцггда-тося газотаидкегти^го слоя ÎB3 от конструкции е)1пиргта, ми poas'oîa шргггзаивания.

Исследовано влияние резина юргиакгаанил на пеиог&сяоую способность Ç'Tj. Не лучено критериальное уравнение для определения минимально!': скорости вращения мзшакки, при которой обес лечивазтея гашение гоны ь аппарате.

Описаны и экспериментально исследоьинч основное факторы, 05scK04rtû2f)3{i)3 ЕЬ'ао:суы эфЬокгивность массообмэна в система газ-х.пдкость- & Î3C;

Разработана инженерная штодадга расчета основных конструктивных и ре ¿и:,¡них параметров $ВС.

Практическая значимость работы. Разработаны и внедрены » эксплуатацию новые экономичные высокопродуктивные ферментаторы с улучшенными экологическими характеристиками. Фермента--т.?ри компактны благодаря высокому коэффициенту заполнения, обусловленному г.орошсЛ пэногаея!?,вЯ способностью, которая обеспечивается без применения в ферментаторе пеногасителей.

Ра^раЗотаиу iюстандартизовакные средства и методики из-■ мерония гидродинамики и массообмсна а ФЗ?.

Разработана инженерная гетсдика расчета ?ВС, позволяющая определить на основании данных технологического процесса

все необходимые конструктивные и рекимные параметры проектируемого ферментатора.

Апробация рсЮОТЫ • Основные положения и результаты диссертационной работы дслоканы и обсуждены на: Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления создания нового оборудования для микробиологической промышленности" (Иркутск, 1952); Всесоюзной научно-технической конференции "Б:10Т£УК0Л0ГйЯ-05"(Грозный, 1965); 2-ой Всесоюзной конференции "Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности" (Иркутск, 1903); 4-й Всесоюзной конференции "Основы технологии производства ветеринарных биологических препаратов" (Москва, 1991).-

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: 12 научных работ, в том числе I авторское свидетельство.

Объем диссертационной работы. Работа содержит 9 глав, в том числе введение и выводы, список литературы и приложения. Работа изложена на 153 страницах масинописного текста, содержит 42 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 131 наименования на 15 страницах и приложения.

Краткое с одевание работы. Зо введении обоснована необходимость и показана актуальность проблемы создания нового ферментатора для аэробного глубинного культивирования микроорганизмов.

В главе I на основании информации э опубликованных источниках рассмотрены конструкции ферментаторов, используемых а зте:-' технологическом процессе, выявлены основные недостатки кон-тру! • <?п известных ферментаторов.

На осн- лпмп анализа имеющейся информации рассмотрено влияние пгремаписания на массопередачу и процесс выращивания ■'ог"п' у. дрожксП. При этом установлено, что эффективность рабе м гулентаура зависит в основном от интенсивности массо-пг , •[ в системе газ-жидкость, которая определяется гидро-^инс-- ческой обстановкой в ферментаторе. Проведенный анализ о«'. :г « принципов создания нового ферментатора показал г" г. г-'чпно :ть рг .работки вихревого нассообменного аппарата с цращагаимся газо;шдкостным слоем. Проанализированы из-

вестные особенности гидродинамики и массообмена во врацаклцок ся газохидкостном слое, наличие которых подтвердило перспективность работ по созданию ферментатора с вращающимся газо-кидкостным слоем (ФВЗ). В соответствии с выводами литературного обзора сформулированы цеди и задачи по гидродинамическим, массообменным и технологическим исследованием.

В главе 2 описаны модели, опытные и промышленные ФВС объемом 0,02, 0,2, 0,55 и 7,2 м3. Конструкция модели ФВЗ-0,2 и опытного ФШ-7,2 представлены на рис.1 и 2. Модели ФК оснащались различными конструкциями мешалок, аэраторов и тепло обменника.

Особеш'осиьв устройства <Ж, отличающей его от других типов форментатороп' с перемешивающими устройствами, является отсутствие внутри корпуса элементов, препятствующих вращательному движению скорости, которая приобретает его под действием мешалки, расположенной на небольшом расстоянии от глиптического днища корпуса ферментатора. Особенностью рокимов перемешивания в ФВС является придание большой округлой скорости вращения жидкости в аппарате, при которой вдоль оси вращения жидкости образуется воронка, достигающая мешалки. Эти особенности конструкции режима Перемешивания в ФВС обусловили специфику гидродинамической обстановки о ферментаторе, Изучению которой в работе уделено большое внимание.

В связи- с отсутствием стандартной аппаратуры для проведения гидродинамических и массообменных исследований выполнен большой объем работ по созданию нестандартизованных • средств измерения отих параметров.

В главе 2 описаны разработанные автором и при его непос редственном участии совместно с З.Д.Сабаниным, В.Ч.Шкредовым, 3.Л.Шишкиным приборы и методики измерения локальной средней скорости и турбулентности жидкой фазы газожидкостного потока на базе термоанемометра ТЭС-1 с незащищенным проволочным датчиком; измеритель скорости жидкой фазы газокидкостного потока с использованием измерителя газосодержания ГСИГ-6М и комбинированной напорной трубки Пито-Прандтля; тарельчатый измеритель тангенциальной составляющей скорости потока, изготовленный на базе гидрометрической вертушки ГР-99; дистанционный самопишущий измеритель направления вектора, средней ско-

I 3-аоратор, вешалка ,5-днгпцо аэратора, б-даигатоль, 7-реиошшя

рости потока; комплекс аппаратуры для измерения скорости растворения кислорода термографическим методом.

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям с целью получения зависимостей, связывающих гидродинамические и массообменные характеристики ферментатора с конструктивными и рекшншн параметрами.

Исследование гидродинамики и структуры газо'кидкостных потоков проводилось на модельных средах вода-воздух и 0,3$ раствора поверхностно-активного вещества (11ЛВ)-воздух. Модельная среда раствор ¡1АВ-воздух по вязкости, плотности,коэффициенту поверхностного натякения и ленообразующей способности близка к культуральной жидкости при выращивании кормовых дрож&ей на гидролизных субстратах.

Исследования проводились б моделях и опытных ФВС объемом 0,02, 0,2 и 7,2 м3. В исследованных рожицах окруьшая ско рость вращения мешалки изменялась от 6 до 20 м/с, удельная мощность, затрачиваемая на перемешивание-от 2 до 20 кВт/м3, симплексы: Г^-Щ - характеризующий высоту лопасти мешалки, от 0,03 до 0,08; Г^, =Т>М - характеризующий диаметр мешалки, (от 2 до 4.

В работе исследованы мешалки: открытая турбинная (ке-цалка Раштона); закрытая турбинная и односторонняя дисковая мешалки. Уке на стадии предварительных исследований была установлена большая эффективность работы односторонней дисковой мешалки по сравнению с остальными, поэтому, в дальнейшем исследовались только ФВС оснащенные этим типом перемешивающего устройства.

Измерения тангенциальной скорости в аппаратах разной вместимости показали, что в основном обьеме ВГЙС профили скорости в горизонтальных сечениях, расположенных на разных расстояниях_от мешалки, отличаются незначительно. Это иллюстрируется типичными профилями окружных скоростей в ФВС, которые представлены на рис.3.

После совместной обработки результатов измерений профилей скорости полученных в аппаратах разного объема, получено уравнение описывающее профили тангенциальной скорости Г; зависимости от коснтруктишшх размеров ферментатора и па-

•-1 3

10

1......í

с-*

Г)

с

е-о о

о'

3

í." й

......L._ L,

ij ó У ü 9 /.-'jiyc звз.'-.оиг.л, ед.

Pise.3 Пгоцгл:л:-. ок^улноЛ с. к с'.ос.?:: п ¡;r

Dí';." на ранпсГ. висг. г. с? у>уичг:;<'., ¡hiz'/u. ссчсн» ¡ ,r: : Л. - 0,2615 tO- ОД/D , U - D , л ~ I .0 ,

pSí-5?p0i! IiepCílieuüIBftHll.-

J.^n

/ , n 4V-ÍJ.Í.5

и^с-шомы^с u - о

'• " и '

Расчеты, е.чподкеинкз с использсчлииоц ¡ езуль-. ато;: нссла-доь&шЗ показали, t:ro тзигеньч'.-льч.^ сесгаь.йк'.чсл г..орос'»'и обусловлено вО-'.Н),ч всеП кинетической гноогач потока чрицтя-щегосл гааоу.идкос11'.ого слоя.

Мзучпше вегстора c/opocvn «ove-ría позьс'ü.ío лыд-гличь зс-1IU НИСХОД.ЧЩСГО М ВОСХОДЯЩЕГО iiOTO'tOi! 8 Ж. Нисходя:^!:'! потек занимает центральную часть вря^асщагсся гзэояицксстпогс слоя, пло-дадь его гори^оигаль-ногс осчениа составляет j площе-ди acero сечения ирацавщегосл газо:.<гд<(остнсго слоь, Зона вое-ходящего потока образуется счруей от мзгшки и расположена но периферии врещыглогосл газокидкостного слоя.

Исследователями установлено, что соотношение обьекоо п зоне восходящего и нисходящего потоков находится в диапазоне от 1:4 до 1:5,

На основании результатов измерения тангенциальной ско-ctictH й направления вектора потока рассчитана ниофили ак-

спальной скорости в горизонтальном сечении нисходящего потока, которые имеют плоский вид, а величина скорости в нисходящем потоке в'зависимости от интенсивности перемешивания изменяется от 0,1 до 0,3 м/с.

Изучение влияния заполнения аппарата, размеров мешалки и скорости ее вращения на затраты энергии на перемешивание выполнялось в диапазоне изменения удельной энергии, затрачи- • ваемой на перемешивание, от I до 15 кВт/м3, симплексов Г^ от 2,4 до 4; Гв от 0,02 до 0,08; Г3 от 0,6 до 1,2. Исследования проводились на модельной среде вода-воздух.

Обработка результатов позволила получить уравнение связи удельной мощности на перемешивание с онруаной скоростью вращения мешалки и симлекса Гв

2 56

IVода-и«' та (2)

Характер полученной зависимости показывает, что в ФВС при равных затратах энергии с известными конструкциями мешалка имеет значительно большую частоту вращения. Это позволяет использовать для вращения мешалки в ФВС компактные высокооборотные двигатели. Высота заполнения ферментатора практически не оказывает йлияния на удельные затраты энергии на перемешивание.

Важное значение в раббте было уделено изучению двиаения газовой фазы в ВГлС, которое необходимо для правильного выбора способа аэрации и конструкции аэратора, а также выбора рекима перемешивания и пёногашения.

Наблюдения в аппарате с прозрачными стенками при использовании стробоскопического освещения за движением одиночных пузырьков, выходящих из одной точки на боковой поверхности аппарата, показали, что траектория их движения имеет вид • концентрической спирали, которая расположена в незначительно искривленной горизонтальной плоскости. Такая траектория движения является результирующей перемещения, ' вызванного действием архимедовой Выталкивающей силы и транзитного перемещения пузырька с Потоком кидкости.

Выталкивающая сила, действующая на пузырек-во вращаю-

щемся газоаидкостном слое, имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Вертикальная обусловлена действием силы гравитации и мо&ет быть вычислена по закону Архимеда, а горизонтальная обусловлена действием центробепных сил вращаю-' щейся кндкости. Результирующая этих сил, с использованием выражения (I), может быть вычислена по формуле

р - уфс^ны п,+ ггб е9и * г&2, 1 -

ж -0,6-0,(пгс!уор (3)

Первое слагаемое подкоренного выражения представляет вертикальную составляющую, а второе слагаемое-горизонтальную. Из ьнразния (3) следует, что -горизонтальная составляющая вьг-талкиваащей силы гиперболически возрастает с приближением к центру вращения. Бертикальная составляющая выталкивающей силы остается постоянной и не зависит от параметров движения потока. Расчет численных значений составляющих выталкивающая силы, произведенный по уравнении (3), показал, что с приближениям к поверхности воронки вращагщагося гаэозидкостного слоя горизонтальная составляющая выталкивающей силы становится п несколько раз больше вертикальной.

В соответствии с наличием двух составляющих выталкивао-щзИ снли на пузырек во вращающемся газоглдкостноа слоо относительная' скорость движения жидкой и газовой фаз имеет такие пертикальну» и горизонтальную составляющие. Вертикальная обузлоплзна действием гравитационного поля силы тяаестй, а гос:!зонтальнРч-деПствиен центробежных сил.

Э:ссг:-ринентальныии исследованиями структуры газожидкостного потока в'ФОС установлено, что средний-диаметр пузырьков не ррзтже? 2-4 им, а среднее газосодержание не болео 1820,1, Для газосодсрханнл до 12$ взаимным влиянием пузырьков . мсгно г.г.-.нобрэчь, а их форму принять близкой к сферической. Погто:?1Г для гаЗосодерглния до 12% путем обобщения информации ■ нл опубликованных источников и результатов проведенных экс-ногиаиталышх исследований получено уравнение для вычисление горизонтальной составляющей относительной скорости ДЬИйе-

£идксШ .я ,газог.о,я фаз во врачигощамзя газозидкосгноа слез

Д5 0,52 01-0,(5 [»(¡/с!)

V-<№<!.2ГЬЩ<1„ г; Ч (4)

Црн .газоссдегжанялк г. потоке от 12 до 20,^ е результате стесненности условий двиаанмл пузцрькоз скорость их дтшаении уменьшаете« на 8-12$, что мо::;ет бить учтено в уравнении И) путей соотЕотат^уш^го уменьшения коэффициента пропорциональности . Характер легенения относительно!! скорости движения тадкой и газовой фаг, для гаэосодертлшнй сохраняется.

Р?:з:ни р^ауяматон ппоьеденних носледиь&зий являогс;; то, иго отиссмтелыи'.л скорость движения фаз, рассчитанная по У!«:., ло«ш» (¿) и кодтвврйдшшйя океизр;«г.нтальш'и» нееяе-доао-нияни охлзив^тел с несколько раз больше., чем с известии:', ферментаторах , гдо ото дг,икен!!5 обусловлено дойсгвнегл только гравитационных сил. Относите »нк;г: скорость дг.;нхония гадкой и газовой фаз в Ж осч^-печиесхт значительное псвиг.огшп инто.1: • ойбнос?!; ¡гассоас.'ъдйчи и смсесце гаг» ..пдкоС'ГЬ.

ИзиСПСН-':2 ИЭТенаКЕИОСТИ ^р5уЛ-Н№ОСТИ потоков ь $ВС ( Согкссло, что «идкогт*; со всем объеме

гдез гйзоемдкезг^ого слоя ровнокерпа и пропорциональна сродна."; о;;орос^: поиска. При аорацип Брг:.',йш.зйсп »лдкегз?!-. ноли-

з^-ченой Газы с-^одит к увзг.ичопиа турбулнзации глщкооти. Яр» его'.-: ус'¿словхспа, ч?о вклад газовой фазы а уурбулизацна срар.т:-: о уроги:,;; ?урбулс?ности сбуслосленно неустойчивость!) •рьюиии ¡..идиост;;, 3:-:ач:-мсльно&- о«ияш:о гаооьоП фази на туг,-оуяиойЦ!:^ '/.чдиосеи обгоняется дъувя осьоышаи факторами: ро-перил: двикэшнзн жидкой и газовой фаа; ко-вто-

рих изег!.:;;; охкоспге.иьнис! скорсстк.-:; д'„икания апдкоГ; и га-зо:с:: фле,

иссдедоиоп:^ пенога^зния б аппаратах оЗъег-о;.: 0,5о и 7,2 попаоелп, «ко гхг.о-сги пзиогаоя;.у.я способность С!ВС ооусаосягна налпчгеа г. ас:, ьороики, достигав-срП г'ьаая?»«. Пана5 пояг.яяю.ц:-лсд -о^ностп ворешпп при

ьухеде отработанного го'одоа, скорость

нпи С;.иокуэ к скорости арощасв"?гося /'изо;жидкостного слои..

Вследствие этого в панно« слое возникав? бслыгиз цзнсробегзшз снsu, приводящие к разрушению основной ;,*аосл таны. Нераэрушв-

шиесд под действие:.! центробежных сил остатки пены, аксиально!! скорость» смываются по поверхности зорен;::! :-ю пешалку, гдэ происходит их окончательное разрушайте.

В конструкция:: $ВС с центрплышм аэратором -пзпогмгииз обеспечивается при лабоГ» интенсивности па-рации, а а £ЕС з яольцевш цплшдрш.зским и вертикалы:ins лучесим асрморг-гч пеногаслщая способность ooehcijt от скругноП с'.со.рост:! ixxmz'.n :: сэличиин удляьисЯ иагруо:;:! поверхности зоригли по газу C^"Cq\L/~jtilh . С nori-xoíuoíj скорсст'л г.зпгг.::»

пеногашзппз '¿ЕС улуьтзтсл, пгч ото;: суззстпус? гпнюмзьнпл ciíopccíb, лриггекно :tc?opc¡i обсспочикпет безгзтшэ iu>p.*r:cL*n-ооиис в •1огкон?ач-орс. Для плшслзния шг.ййдкл'З csoncar*. полу""}по ^.г^г'.г^сгссс угап::о;п!е

U^M+SJ-lOfadJl/^)" <5>

üacccouüeíiHue исследования з Г-ВС ;гшсшпгл(в& на :юдзд!;~ Htct срзда:: 4$ растзорл сульфита пгп'рля. Гоэуяьтето ::ссг:лдс:г_~ ннй насссоб^ена с щ«с?сг:з ггз-гадкос'л'Ь сбссГ-^ш ура^сазся

О.об 0 73

киачб?чох ч/

Величина среднакзацратпческого откяскзння озспорпмсптадь-h:¡" дошшх ov злг-наииости (о) но прзшзпэ? прч догзрт;йль-iioí; г^роятпсаiü 0,95.

Но ур"1 пения 16) ела дует, что в новом (^згментаторз ял'ля-иио 'oc.t:i аэрации на сбъзшшП коэффициент массопзрэ-

дяч;; {í\vta' Jj , что значиотльно sre^wt з НзвеепШ г ';шн?'4 аппаратах: барботаг-лых /К^О ) » с шизл-

r.v и о.рлгательн-.чн перогородками^ Cq03*^] • Бл;:лнне На ■ мы!! коалицией; маесоперодачи и ÍEC пош.'пгаиип oa?pair удльной энергии на перемешивание Í'JV°"'J J • tmjtxq, S'üüá»'

•!...• )¡ /■.-.ссообмеши'х as Маратах с мешалка?.:» (K^aMJ,,0,5 "'jii 6:.pá.-!(;t!IHx(KuQ ~ H.'^'J '

Биото^иологичсгкяз испытания в йрсМишйСИНЫх уойовийх

i\z

провздеии ьа 3:::r.::ic;i:c:-i гидролнаиеи заводе при гирицизашт кориоаых дрогшей на гидролизатах древесины .в §ВС обьзмом 0,55 и 7,2 и3. Цель» испытаний являлось оцрацелоинс принципиальной воэиожноозд использования ®ЕС для ,выращиь?ния нор-ыовыл дронавй на сплытпаняашхся гидролизных субстратах с массовой долей PB до 3$, отработка рсшшов работы фор:.;ентато-pa, а такг.а определение технтш-йшкшчсшш; показателей оти;: аппаратов.

Для ведения iехнологпческого процесса ^вриеотстори били сыонтироааны г дрсгиавоы отделении аавода, била .выполнена технологическая обвязка и uohîcu сизхвми JÎLlfluA.

Е;»о:;зхиологичсскш.н; иск»еншши цродасмотрона работе в роздмо .не.цгз,р:'пло1-о кульж-чп^ама p,pos;;,.ofs p.lûrtdiuû ScOlLii, штазял ¡гудуаод^я-б.

Таблица

Р.еоу^г-'Л,' испаганип опытна;

^^рмел'.тлюрог HS-Sfi п &вС~7,2 ?! проашлясниого диоглы ЛЬКИЖП

ФОРСИТЬ ÎOp Показатели уг..щеооа Энергопотребление

заполз. .¡:r/;.i34 Д/¥,кВт/ы3 кВт ч/кг, Ы/.св

ФВС--0, Ь 0,5 ■ ; 1,6 3,1 ■ 1,71

¿20-7,2 .0,65 9,2 2,4 ' 3,0 •1,25

системы укрш-вд 0,3 6,0 V "l ,5 2,0 . 1,3

Рвзульугз.?« îfiK304or«4oawix испытаний, представленные о. таблица, ччо с С-£С сбеепзтшаются условия для

порорабаткг; гидрояиаатоо с кассовой, доязй PB но ценес , че» в 2,5$. Сравнение 5?вшин>-сш»<здч0с ни:-: показателей •-с-'действующий проеашешацл фбргиоытауорсу ckcïccî УШШС|1 ,• ^aôovao-«их в тех ко'услс no«aauD£Ov, чю носьэ фар,\;оитйтори имеет большую а 1,6 раза «радуктавног-хь, цоньшу» в 2,.7-3,б раза ыаталлоемкоз'уь б перадчето «а ,одиж:цу щюукции и обеспе-

ЧИВ0ПТ п 1,6 раза скорость растворения кислорода при меньшей в 1,9-2,2 раза интенсивности аэрации и тех ко удэльных затратах энергии на перемешивание в пересчете на единицу продукции, чец в существующих ферментаторах.

Математические зависимости описывающие связь, гидродинамических и иассообиенных характеристик о ионструкциаЕ; фераен^ татора н параметрами рекима пэреиешивания. получонныз в, результате проведенных исследований, позволили. разработать методику инженерного расчета ферментатора с вращающийся газоаидкостнш слоем.

Методика инкенерпого расчета основных конструктивных элементов ФВС изложена з г л а л о 4« Методика позволяет производить прямой и обратный расчет ферментатора. При прямом расчете по исходным данным из технологического регламента эедаотул: требуемую производительность ферментатора и условия культивирования, рассчитываются геометрические размеру ФЕС, параметры рекима перемешивания, а таксе энергетические и массооб-менные показатели процесса. При обратном расчете фзр.чентаго-ра определяется возможная производительность по нззестнш геометрически« размерам-фзрмектатора и известии'; параузтраи реаииа перемешивания.

Методика расчета базируется на скстеяэ (основных эмпирических и аналитических уравнений, вкдачаюцнх исходные дан.чио и подлежащие определению конструктивные и рз;ж:н!>з пзреметри;

М=С^ Л У

МН^а-лС; Ч^р'Ч; .

с! -- В/Гр ; (7)

Но-1,27(Ур-0,1Ы5)/Г)я* 0,2ЬЪ ^ ~ в

<

^'ач'рд;

Л С = Ч< Рср /гПра ;

¡И^и-М/р^Д;

1<, а* 1,97(1^-V/" '

Все необходимые по методике расчеты могут быть выполнены на любой ПЭВМ. В приложении 2 приведены блок-схемы алгоритмов прямого и обратного расчетов ферментатора с вращающиеся газокнцкостным слоем, распечатки программ на языке "Бейсик1' и примеры расчета.

выводи

1. На уровне изобретения разработана новая конструкция ферментатора с вращающимся газохшдкостным слоем. Ферментаторы новой конструкции объемом 0,55 и 7,2 м3 внедрены на Зннин-ском гидролизном заводе. Годовой экономический.эффект от внедрения- 16,7 тыс.руб. Предполагаемый экономический эффект при оснащении новыми ферментаторами гидролизного завода производительностью 70,0 тыс. тонн в год составит 163,0 тыс.руб.

2. Для гидродинамических, ыассообмешшх и технологических исследований разработан комплекс неОтандартизованных

„ередети измерения:

- модуля и-направления вектора средней с!!орости потока;

- .уровня и интенсивности турбулентности жидкой фазы газокид костного потока;

- локального гаэосодеркания в потоке;

- комплекс аппаратуры и методика для определения скорости р. творения кислорода термографическим методой,

3. Проведены гидродинамические, массообменные и технол! гические исследования ФБЗ и их моделей объемом 0,02; 0,2;0,! и 7,2 ма. Получены зависимости, описывающие:

- связь скорости потоков с конструкцией ферментатора и реки-мои перемешивания;

-относительные скорости движения кидкой и газовой фаз э разных зонах ферментатора;

-режима перемешивания, обеспечивающие необходимое пеногашеш в ферментаторе;

- влияние на турбулнзацие иидкой фазы скорости. потока а ферментаторе и наличие газовой фазы.

4. Технологические испытания ФВС в промышленных условия показали, что новые ферментаторы имеют в 1,6 раза большую пр дуктивность, в 2,7-3/0 раза меньшую металлоемкость, обеспечи вают в 1,6 раза большую скорость растворения кислорода при

. меньшей в 1,8-2,2 раза интенсивности аурациин я при тех ке затратах энергии на перемешивание в пересчета на единицу про дукции по сравнении с действующими промышленными ферментаторами системы УКШИИСП,. работающими в аналогичных условиях.

5. Новые ферментатору обеспечивают бзепеиное перемешивание сильнопенящихся субстратов без использования химических поногасителеП и механических устройств для разрушения пены. Хорошее пеногашение и низкая интенсивность аэрации -"в ФВС сокращают унос культуры из ферментатора в окружающую су?цу н повышают экологическую чистоту технологического процесса.

6. На основа результатов исследований разарботана ннае-НЬрлая методика, расчета ФВС, позволяющая:

- |»ыать прямую задачу расчета основный конструктивных пара-мат'ров и параметров режима перемешивания по заданной произвол ди^плЪности ферментатора и условиям культивирования;

- решать обратную задачу'определения сроазводительностл для известной конструкции к заданных параметрах режима педаноши-вания,

■• VG.TOBHUC 'ОБОЗНАЧЕНИЯ

В - высота лопасти мешалкиCa -интенсивность аэрации, ' «3/м3С5 d - диаметр посадки,и; cf„ -диаметр пузырька,и; . г - выталкивающая сила, действующая на пузырек в шдкоевд, н; С1 - ускоренно свобод,¡юге падения, м/с^; hä - высота' уровня жидкости над меиаякой, м; П -частота вращения ыешал-ки, с""*; Nly -удельна« бедность на перемешивание, кВт/ц3; U^ -окруытя тангенциальная скорость, и/с; \/~обьем rrj~ аыры;а,иа; U -- округлая скорость вращения мешалки ,и/о;

Г -текущий радиус,»; ß ~ плотность иидкости,кг/ыэ; _ V" - объем едкости Симплексы:' Г0= D/d -характеризующий .гианетр фзрлэнт&тора; ГЕ= %/d -характериэуюци.й висоуу лопасти «е;иадки;Га= h/D -харгктеризущий высоту заполнения ферие^атора.

Основные лолшлнид диссертации были' опубликованы р cj.j-дующих работая:

1.Разработка методов и средств измерения параметров структуры я.гидродинамики для исследования гаэоаидкостиых потерпи/ в;Д.Ссбашш, 'В, В.Самсонов, A.M.Кузнецов и др.// Тез. докл. DcocoKv'iii.научи.-техп.конф. Основные направления для создания H0;.;öi'0 оборудования дла микробиологической прс;.:ыш-

' ленностл.-Н. UnilTH»!i.iH&i!T£.jV;i, 1682.-с,40-41.

2. В.В.Самсонов, 3.А.Шишкин. Исследование диссипации энергии по ооъему биохимического реактора/ Тез.докл.Всессшн. научи.-техн.конф. Основные направления создания нового .оборудования для микробиологической «рошклешости .-А!., ЦЩШХШ-ИвфЦАС, 1982.-0.32.'. . ' . .

3.Гядрсдин&микй •НЕ.изосбмея в ферментационном 'аппарате г вращающимся гозоендкойтш:« слоеи./В.В.Сайсоноз .и Тез. докл. 4-й ВсосоизИ.-паучн.-техн.ионф.Роль молодил исследователей. к краатрукторпи в реализации цедевмх прогреми, направленных на ускорение научно-тохнкчош:ого прогресса в отрасли.- ■

М., 1УЗЗ, с.40-41,

• 4, Неогандарткэованние орздсапа измерения для исследования гидроднншики двухфазных потоков при проведении НИР и ОКР по 'созданию ферментационного оборудования/ В.А.Собашш, К.И. Поров, В.В.Самсонов и др.-М., 1934.- 10 е.- Рукопись прэдегсклепа фЮШИШИСЕКШ. Деп с ВИНИТИ 30 дек. 1935, № 1338.

5. Нестаидартизованнне сродства намерения для «гселздоэа-нмя гидродишаяпга многофазных потоков флотационных мага««/ В.Г.Усенно, В.В.Ссчсонзв it др.-Изсестия вузов, Цвгтная матал-лургил, 1985, PI.-с.9-13.

6. Самсонов Б,В., Ку&нецо« А.М,, Сабанин В.А. Экспериментальные исследования гидродинамики и массообмена п ферчеи-таторе о вращаюцикся газожнл,костным слоем/Тез .докл.Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности.-.М., ЦИНТ5ШМЕ5ТШШ, 1933.-с. 31-32.

7. Самсонов В.В. Пеногозанно п фэрментаторз с вращающим^ ся.газокидкостным слоем/Тез.докл. 2 Всесоюзн.научн.-тсхн.ко«% Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности Ы., ЦШ1гашНЕ5БТЕМАШ, 1980.-с.51.

8. Самсонов В.В., Сабанин В.А., Шишкин З.А. Ферментатор с вращающимся гаэокидкостньм слоем- перспективная конструкция для выращивания кормовых дробей на сильнопенящихся субстратах./ Тез.докл.Есесовзн.конф. Процессы н аппараты для микробиологических производств (ЕИ0ТйХШЛ0ГИЯ-86).-Грозный, 1986.-с,48.

9. Самсонов В.В., Смолпчева 0..F.,. Светланов A.B. Разработка ферментатора с пописанным загрязнением1 воздушного бассейна/Тез. докл. 6 Всесоюзн.научн.-.еиг.конф. Роль'-молодых коистру1сторов исследователей химического машиностроения з реализации целевых программ, направленных На ускорение научно-технического прогресса в отрасли.-М., Щ1ТЙХИМНЙ0>ТЙМАШ, 1988.-с.127-126.

10. Ферментатор с вращающимся газоамдкосТным слоем/ Информ. лист о научн.-техн.достигении $ 90-35, Сер.65.41.33,

составитель В.В.Самсонов,-Иркутск: Иркутский ЦНТИ, 1990.- 4 с.

11. Аппарат для выращчвсния микроорганизмов/ Авторское свидетельство СССР 1268200. В.Л.Сабанин, В.В.Самсонэв, К.И.Попов и др.

12. Винаров A.D., Самсонов В.В., Кузнецов A.M. Выращивание кормовых дрокией на сильнопенящихся субстратах/ Тез. докл. 2 Есеоовэн.научн.-тахн.конф. Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности.-М., ЩНТИХЖУШТЕ-

МАШ, I98В.-с.34-36.