Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Совершенствование газожидкостных биореакторов на основе роторов геликоидального типа

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование газожидкостных биореакторов на основе роторов геликоидального типа"

На правах рукописи

/ //

ИВАНОВ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ БИОРЕАКТОРОВ НА ОСНОВЕ РОТОРОВ ГЕЛИКОИДАЛЬНОГО ТИПА

03.01.06 — Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

I !АП

> : Ю! 1

005538294

Красноярск - 2013

005538294

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедре «Технология конструкционных материалов и машиностроение»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Руденко Анатолий Павлович

Официальные оппоненты:

Николаев Андрей Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», кафедра «Оборудования пищевых производств», заведующий кафедрой.

Войнов Николай Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», кафедра «Машины и аппараты промышленных технологий», профессор.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Защита диссертации состоится «29» ноября 2013 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, ауд. Ц-110 (зал заседания).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 Сибирский государственный технологический университет, учёному секретарю.

E-mail: dissovetsibgtuO 1 @mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор Xt-l^lPr- Исаева Елена Владимировна

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Перед биотехнологической промышленностью страны поставлены большие задачи по ускоренному развитию производств, базирующихся на микробиологическом синтезе, и обеспечению значительного роста выпуска продукции: ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как важнейшего белкового продукта, получение отдельных полезных веществ (препаратов), используемых в различных отраслях народного хозяйства и медицине. В связи с растущим с каждым годом спросом на данные продукты биотехнологических производств, актуальным является вопрос о повышении продуктивности существующих типов биореакторов.

Во многих биотехнологических производствах используют аэробные культуры, которые развиваются только в присутствии кислорода. Для таких культур жизненно необходимо создание требуемого массопереноса, чтобы исключить вероятность лимитирования продуктивности биотехнологических систем.

Кроме того, существенное значение на развитие культуры (особенно при культивировании растительных и животных тканевых клеток и мицелиальных культур) оказывает влияние эффект «стрессового» воздействия на биомассу в аппарате. Это взаимодействие связано с физико-механическим повреждением клеток лопастями мешалок, температурными перепадами, наличием «бескислородных» зон в аппарате и др. Такие нежелательные эффекты значительно снижают рабочие показатели процесса эксплуатации биореактора.

В настоящее время разработано значительное количество способов обеспечения контакта газа с жидкостью (барботажный, газлифтный, механическое перемешивание, струйный, пленочный и др.), на основе которых созданы промышленные биореакторы, обладающие различным «стрессовым» эффектом.

Известно, что для проведения процессов ферментации наиболее оптимальными являются биореакторы с механическим перемешиванием жидкости, которые позволяют обеспечить наибольшую производительность по биомассе. Однако применяемые в них типовые механические перемешивающие устройства создают в рабочей полости биореактора хаотичное, неорганизованное перемешивание, что способствует к возникновению слабого массообмена, недостаточного для жизнеобеспечения многих культур клеток и микроорганизмов. Это, в свою очередь, приводит к появлению эффекта «стрессового» воздействия на культуры. Поэтому назрела необходимость создания новых перемешивающих устройств, обладающих «мягким» перемешиванием.

Для решения данной задачи наиболее приемлемым вариантом является разработка нового перемешивающего устройства в виде ротора геликоидального типа. Данное перемешивающее устройство, установленное в биореакторе, позволит выполнять тщательное «мягкое» перемешивание (дгай/(х)-> 0), как по выращиванию биологического объекта, так и по приготовлению питательной среды различного химического состава в биотехнологическом производстве. К тому же, высокая гомогенизирующая и диспергирующая способность ротора геликоидального типа позволит обеспечить необходимый массообмен в рабочей полости биореактора и снизить до минимума влияние на рост биомассы неблагоприятных факторов, возникающих при работе механических пере-

мешивающих устройств. Вместе с тем концентрация значительного количества энергии и рациональное ее использование в рабочем объеме биореактора с ротором геликоидального типа при создании организованного потока ферментационной среды, обеспечит успешное применение этого вида перемешивающего устройства при выпуске конечного продукта высокого качества и с низкой себестоимостью.

Цель работы: Совершенствование газожидкостных биореакторов путем разработки роторов геликоидального типа, позволяющих интенсифицировать процесс ферментации биомассы мицелиальных культур.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

1. Разработать теоретические основы создания конструкции перемешивающего органа в виде ротора геликоидального типа (РГТ), обеспечивающей повышение продуктивности культивирования за счет улучшения гидродинамической обстановки и минимизации «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе.

2. Создать измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для получения, накопления и обработки в режиме on - line значений кинематических характеристик потоков рабочей жидкости в проточной полости ферментера.

3. Экспериментально исследовать газодинамические, массообменные и гидродинамические характеристики ротора геликоидального типа.

4. Определить влияние технологических и конструктивных параметров РГТ на повышение продуктивности процесса культивирования аэробных мицелиальных микроорганизмов на примере штамма Laetiporus sulphureus.

5. Разработать методику инженерного построения РГТ для газожидкостных биореакторов.

6. Оценить экономическую эффективность применения газожидкостного биореактора с РГТ в биотехнологическом производстве.

Предмет исследования — газодинамические, массообменные и гидродинамические параметры процесса культивирования в биореакторе с ротором геликоидального типа.

Объект исследования - перемешивающие устройства в виде роторов геликоидального типа, применительно к совершенствованию оборудования биотехнологических производств.

Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 03.01.06 -Биотехнология (в том числе бионанотехнологии) (п.4 - Изучение и разработка процессов и аппаратов микробиологического синтеза, включая физико-химическую кинетику, гидродинамику, массо- и теплообмены в аппаратах для ферментации, сгущения биомассы, разделения клеточных суспензий, сушки, грануляции, экстракции, выделения, фракционирования, очистки, контроля и хранения конечных целевых продуктов. Разработка теории моделирования, оптимизации и масштабирования процессов и аппаратов микробиологического синтеза) на защиту выносятся:

- разработанные научные основы построения ротора геликоидального различного типоразмерного ряда;

- эмпирические зависимости для расчета основных газодинамических, мас-сообменных и гидродинамических параметров в аппаратах с механическим перемешивающим устройством в виде ротора геликоидального типа;

- разработанный, смонтированный и отлаженный измерительно - вычислительный комплекс (ИВК) для гидродинамической диагностики эффективности работы аппаратов;

- установленные закономерности влияния технологических параметров работы биореактора с РГТ на выход продукта;

- методика инженерного расчета РГТ различного типоразмерного ряда.

Научная новизна работы:

Разработаны научные основы построения ротора геликоидального типа различного типоразмерного ряда.

Выявлены эмпирические зависимости для расчета основных газодинамических, массообменных и гидродинамических характеристик в биореакторах с роторами геликоидального типа.

Определены закономерности влияния технологических параметров на производительность биореактора с РГТ.

Впервые при культивировании аэробных мицелиальных микроорганизмов (.Laetiporus sulphureus) применено новое перемешивающее устройство в виде ротора геликоидального типа.

Достигнуто увеличение продуктивности биореактора с РГТ до 35 % (в сравнении с турбинной мешалкой) за счет улучшения гидродинамической обстановки в рабочей полости биореактора и минимизации «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе.

Практическая значимость работы.

Разработана принципиально новая конструкция перемешивающего устройства в виде ротора геликоидального типа, повышающая продуктивность биореактора до 35 % (на примере культивирования Laetiporus sulphureus).

Разработан измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для гидродинамического диагностирования эффективности работы различных по конструкции перемешивающих устройств.

Предложена методика инженерного расчета РГТ различного типоразмерного ряда, позволяющая разрабатывать РГТ для биореакторов, обеспечивая повышенную продуктивность.

Определена область применения разработанного биореактора с РГТ. Рекомендуется применять данный биореактор при ведении глубинных процессов ферментации мицелиальных форм микроорганизмов, обладающих дыхательной активностью q < 2 кг Ог/м3-ч.

Получен патент на изобретение (№2453589 РФ МПК С12М1/06, С12Т1/00. Аппарат дня выращивания мицелиальных форм микроорганизмов).

Подана заявка на патент № 2012146961 от 02.11.12 (находится на рассмотрении).

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международных научно-практических конференциях: «Наука и современность»

(Новосибирск, 2011), «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Новосибирск, 2011); всероссийских научно-практических конференциях: «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2011, 2012), «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2010).

Работа выполнялась по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации, финансируемому из средств федерального бюджета № 01201267254 (по теме «Теоретические основы процессов переработки растительного сырья в технологических машинах и аппаратах»).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ (из них автора 1,88 п.л.), в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК и 1 патент РФ.

Вклад автора: Разработка и изготовление лабораторного оборудования; планирование и проведение экспериментов по исследованию газодинамических, массообменных и гидродинамических параметров РГТ; обработка и анализ результатов; подготовка публикаций.

Объем и структура работы:

Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 24 таблицы, включает введение, пять глав, выводы, заключение и список использованных литературных источников в количестве 109 наименований.

Основное содержание работы

Во введении показана актуальность исследований по снижению влияния эффекта «стрессового» воздействия на рост биомассы микроорганизмов с целью повышения продуктивности процесса культивирования в биореакторах биотехнологического производства.

Первая глава посвящена литературному обзору биореакторов и перемешивающих устройств. Дана оценка в дифференцированном порядке положительных и отрицательных сторон эксплуатации устройств, используемых в биотехнологическом производстве. Установлено, что использование перемешивающих устройств типовой конструкции приводит к повышению эффекта «стрессового» воздействия при культивировании микроорганизмов. Приведены условия, обеспечивающие интенсификацию процесса культивирования микроорганизмов: осуществление «мягкого», безударного воздействия перемешивающего устройства на микроорганизмы; организация движения потока в проточной полости аппарата снизу вверх в меридиональной плоскости, что способствует наличию касательных напряжений в суспензии, которые, являясь по абсолютной величине в два раза меньше нормальных, с меньшей интенсивностью оказывают влияние на конгломератный состав культуральной жидкости; минимизация статических застойных зон во всей проточной полости биореактора; создание одинаковой гидродинамической обстановки в любом микрообъеме культуральной жидкости независимо от его месторасположения в проточной

полости биореактора, что, в свою очередь, будет являться гарантом равномерного обеспечении питательными веществами и кислородом биообъекта.

Обоснована перспективность разработки теоретических основ создания конструкции принципиально нового перемешивающего устройства в виде ротора геликоидального типа.

Анализ литературных источников позволил сформулировать цель и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ создания пространственной геометрической формы ротора геликоидального типа с целью снижения влияния «стрессового» воздействия, в частности физико-механического воздействия, на рост биокультуры. Разработка пространственной геометрической формы ротора геликоидального типа включает в себя изучение гидродинамических характеристик данного перемешивающего органа, основанного на определении приращения удельной энергии рабочей жидкости в области ротора по величине возмущения, вызываемого в поле скоростей ротором.

При этом пространственная геометрия ротора спроектирована таким образом, чтобы поток жидкости, сходя с ротора, обладал радиально - осевой скоростью, позволяющей направить поток вверх в меридиональной плоскости, что позволит увеличить степень циркуляции жидкости, снизить травматические гидродинамические удары в рабочей полости аппарата и повысить продуктивность биореактора.

Теоретические основы построения конструкции ротора геликоидального типа. Пространственное исполнение ротора геликоидального типа представляет собой тело 1, полученное путем вращения определенным образом заданной кривой вокруг неподвижной вертикальной оси. На тело по линии угла закрутки навиваются лопасти 2 перемен-1 - тело ротора; 2 - лопасть ротора ного сечения, расположенные на одина-

Рисунок 1 - Ротор геликоидального типа „„_________________ ______. .. ,

И ковом расстоянии друг от друга, форми-

рующие диффузорность межлопастного канала (рисунок 1).

Лопасть строится таким образом, чтобы сориентировать поток жидкости в меридиональной плоскости проточной полости аппарата и сообщить потоку энергию для увеличения скорости движения на величину необходимую на преодоление сопротивления по траектории движения потока, а также обеспечить безударное течение жидкости.

Одной из основных задач при проектировании ротора геликоидального типа является создание потенциального потока, получаемого путем формирования удовлетворительно обтекаемой формы лопасти перемешивающего органа, позволяющей снизить гидравлические потери и придать достаточную кинетическую энергию частицам жидкости, уменьшить нагрузки, приходящиеся на

лопастную систему, и обеспечить достижение оптимальной величины степени

циркуляции скорости.

Построение ротора геликоидального типа предполагает выполнение ряда

этапов.

Построение тела ротора основано на определении диаметров верхнего и нижнего его оснований по полученным в работе геометрическим симплексам подобия: Вт/й2=2,7+2,8; с!,/¿,=0,25-0,275; НапЛр =2-2,2, с последующим конфигурированием «каркаса» путем вращения кривой, описываемой уравнением у = ах2 + Ьх- с вокруг неподвижной вертикальной оси (рисунок 2).

180 ^Bi + Bi+1

180 V1

i=l

ДГ;,

(1)

где 9 - центральный угол,

Дг - приращение радиуса, м;

+ В,+1 - значение подынтегральной функции в начале и конце рассматриваемого участка.

Формирование угла закрутки контура лопасти 0 ротора основано на построении контура лопасти по точкам (рисунок 3), путем вычисления центрального угла в по формуле (1) (Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. JI.: Машиностроение, 1966. 364с.).

Предполагаем, что величина угла закрутки линии лопасти ротора

определяет эффективность перемешивания рабочей среды. Так с увеличением угла закрутки, увеличивается длина лопасти и время пребывания потока жидкости в межлопастном канале, что позволяет сообщить потоку больше энергии и на выходе с ротора в рабочую полость аппарата приобрести наибольшую скорость.

В результате таких построений теоретически был получен следующий ти-поразмерный ряд роторов геликоидального типа: роторы с углом закрутки линии лопасти 90°, 180° и 270° (РГТ-90, РГТ-180 и РГТ-270 соответственно) (рисунок 4).

90" 180" 270°

Рисунок 4 - Роторы с различными углами закрутки линии лопасти

Построение лопасти ротора включает в себя определение основных геометрических размеров лопасти ротора геликоидального типа (рисунок 5) и проведение гидродинамического расчета с построением планов скоростей на входе и выходе лопастной системы ротора с целью анализа влияния размеров ротора на кинематические характеристики потока лопастной системы, а также профилирование контура лопасти ротора с целью создания безотрывного движения ядра потока рабочей жидкости и формирование межлопастного канала, регламентированных принятием конечного числа лопастей ротора геликоидального типа с равным углом установки (рисунок 6).

di - диаметр верхнего основания РГТ, м; di -диаметр нижнего основания РГТ, м; dm -входной диаметр РГТ, м; dm - выходной параметр РГТ, м; ?icp - средний эффективный диаметр входа ротора, м; ricp - средний эффективный диаметр выхода ротора, м; Ь/ -ширина лопасти ротора на входе, м; - ширина лопасти ротора на выходе, м; hp - высота ротора, м.

Рисунок 5 - Геометрические размеры лопасти ротора геликоидального типа

Меглопасшнпй кпиол

ОА - плоскость меридианного сечения; р -угол между относительной и окружной скоростями; г - радиус нижнего основания ротора, м; Г/ - радиус верхнего основания ротора, м; I - шаг лопасти ротора; V - абсолютная скорость, м/с; \т - меридианная составляющая относительной скорости, м/с; V/ - относительная скорость, м/с; м>т - меридианная составляющая относительной скорости, м/с; и - окружная скорость, м/с; со - угловая скорость, с'

Рисунок 6 — Построение плана скоростей в произвольной точке области ротора

Выполнение выше представленных этапов позволяет спроектировать ротор геликоидального типа, обеспечивающий минимизацию потерь на трение и вих-реобразование установившегося относительного движения. Реализация данных

Рисунок 7 - Траектория циркуляции

условий достигается за счет снижения сопротивления диффузорности, обеспечения достаточности кинетической энергии частиц жидкости, а также постоянства циркуляции потока, т.е. снижение поверхности разрыва сплошности потока жидкости, являющейся источником вихреобразования.

Из ранее сделанных в работе предпосылок для условий рационального проектирования геометрии ротора и использования предлагаемой методики построения, следует, что в априори наибольшую ценность в проведении процессов перемешивания и культивирования микроорганизмов потенциально должен иметь ротор с углом закрутки линии лопасти 270°.

Предложена физическая модель движения культуральной жидкости в биореакторе с ротором геликоидального типа. Согласно данной модели, поток, движущийся в полости биореактора, образует замкнутый круг циркуляции: ротор—»нижняя часть аппарата—»стенка корпуса—»верхняя часть аппарата—»ротор (рисунок 7).

Поток жидкости поступает в лопасть ротора под углом атаки равной практически нескольким градусам, что не оказывает отрицательного воздействия на безударное поступление потока в лопасть перемешивающего устройства, снижая механическое повреждение микроорганизмов. С увеличением же угла закрутки линии лопасти и частоты вращения ротора происходит интенсификация кратности циркуляции культуральной жидкости, в результате чего повышается ее гомогенная структура.

В третьей главе представлены методики исследований, описание экспериментальных установок и обработки результатов экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментов были изготовлены роторы геликоидального типа типоразмерного ряда с углом закрутки линии лопасти 90°, 180°, 270° и лабораторный перемешивающий аппарат с цилиндрическим корпусом.

Изучение эффективности работы роторов геликоидального типа в биореакторе предполагает исследование трех основных этапов. Первый этап -исследование газодинамических (газосодержание q> и средне-поверхностный диаметр пузырька dn) и массообменных (коэффициент массопередачи KLa) характеристик РГТ. Второй этап - исследование гидродинамических характеристик РГТ (определение окружной, осевой и радиальной составляющей абсолютной скорости движения ферментационной среды). Третий этап -исследование роста мицелия серно-желтого трутовика LS-F982 Laetiporus sulphureus.

Основные исследования проводились в Сибирском государственном технологическом университете в лаборатории гидродинамики на кафедре «Технологии конструкционных материалов и машиностроения». Отдельные

специфические исследования проводились в учебно-научных лабораториях кафедр «Машины и аппараты промышленных технологий» и «Химическая технология древесины и биотехнология» СибГТУ.

Исследование газодинамики, создаваемой ротором геликоидального типа, включало в себя определением газосодержания ср в рабочем объеме аппарата и средне - поверхностного диаметра пузырька dn в водной жидкой среде. Исследования проводились в аппарате цилиндрической формы. Коэффициент заполнения аппарата H/D = 1. Средне - расходная скорость воздуха иг варьировалась от 0,02 м/с до 0,04 м/с.

Исследование массообменных характеристик роторов геликоидального типов включало в себя определение коэффициента массопередачи KLa и проводилось при тех же условиях, что и исследование газодинамики, создаваемой ротором геликоидального типа.

Исследование гидродинамических характеристик роторов геликоидального типа выполнялись на гидродинамическом стенде, включающем экспериментальную перемешивающую установку с ротором геликоидального типа и измерительно-вычислительный комплекс (ИВК). Изготовление ИВК основывалось на рекомендациях Санкт - Петербургского университета растительных полимеров. Принципиальная схема установки и ИВК представлены на рисунке 8.

ИВК позволяет производить в режиме on-line измерение, накопление и первичную обработку кинематических характеристик потоков рабочей жидкости с последующим построением эпюр абсолютной скорости и ее составляющих в любой точке проектируемого перемешивающего аппарата с целью определения гидродинамической картины, создаваемой в рабочей полости исследуемого аппарата, а также проводить гидродинамическую диагностику эксплуатируемых аппаратов.

Эксперименты проводились при использовании РГТ-270 с плавным регулированием частоты вращения ротора. В качестве рабочей жидкости использовалась ферментационная среда.

Исследование роста биомассы мицелия серно-желтого трутовика при его глубинном культивировании в биореакторе с ротором геликоидального типа проводилось на жидкой крахмало-аммонийной среде с использование стационарного лабораторного биореактора марки Gellankamp Controlled environment culture apparatus Се Ca - 650. Общая продолжительность культивирования равнялось 54 ч. В качестве перемешивающего устройств использовался РГТ - 270

1 - емкостной аппарат цилиндрической формы; 2 -ротор геликоидального типа; 3 -электродвигатель; 4 - вертикальные отражательные планки; 5 - шаровой зонд; б - контрольно-измерительный стенд с датчиками давления; 7 - компьютер; 8 - пятиходо-вой распределитель (коллектор). Рисунок 8 - Принципиальная схема лабораторной установки и ИВК

и типовая турбинная мешалка. Принципиальная схема установки биореактора

показана на рисунке 9.

Систематическое положение серно-желтого трутовика представлено следующим образом: царство Fungi, отдел Basidiomycota, класс Basidiomycetes, порядок -Aphyllophorales, семейство Polyporaceae. Род: Трутовик -Laetiporus. Вид: Трутовик серно-желтый - Laetiporus sulphureus.

Планирование экспериментальных исследований. С целью повышения эффективности проведения экспериментальных исследований осуществлено планирование эксперимента. Так для изучения процессов газодинамики и массообмена использовался полный активный многофакторный план; гидродинамики потоков культуральной жидкости - план Бокса-Бенкена; роста биомассы мицелия сер-но-желтого трутовика - полный активный однофакторный план.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования по изучению влияния конструктивных и технолошческих параметров РГТ на газодинамические, массообменные, гидродинамические и ферментационные процессы.

Исследование газодинамических характеристик ротора геликоидального типа. Газосодержание. В результате обработки экспериментальных данных были получены эмпирические зависимости для расчета газосодержания в биореакторе с РГТ от частоты вращения ротора, средне - расходной скорости газа и угла закрутки линий лопасти роторов геликоидального типа. По полученным эмпирическим выражениям построены графики изменение газосодержания в биореакторе с ротором геликоидального типа (рисунок 10).

Наиболее интенсивное насыщение среды газом осуществляется при использовании ротора с большим углом раскрытия линии лопасти (за счет увеличения пребывания пузырьков газа в жидкой фазе вследствие большей длины закрутки линии лопасти), затрачивая, при этом, меньше энергии. Так, например, при иг = 0,03 м/с значение газосодержания равное 15 % достигается ротором с

б

1 - корпус биореактора; 2 - ротор геликоидального типа; 3 - вертикальные отражательные планки; 4 - вал; 5 - муфта; 6 - электродвигатель; 7 - барботер; 8 - фильтр стерилизации воздуха; 9 - манометр; 10-осевой насос; 11 - теплообменник; 12 - термопара; 13 - регистратор температуры; 14 - датчик кислорода - 15 - фильтр; 16- насос; 17 - газоанализатор на кислород; 18 - резервуары для субстрата, питательной среды и солей аммония; 19 - перистальтический насос; 20 - пробоотборник; 21 - вентили. Рисунок 9 - Принципиальная схема лабораторного биореактора СеСа - 650

углом закрутки линии лопасти 270° при частоте вращения п = 200 об/мин, в то время как такое же значение газосодержания ротором с углом закрутки линии

0,150 0,140 0,130 h 0,120 0,110 0,100

А а i

J Л £ и J

г

1 3

0,170 0,165 0,160 0,155 0,150 0,145 0,140 0,135

Л

> Л

Á и МП

и p ы

i

< p К;

100 200 300 400 500 600 700 D, об/мИН

иг=0,02 м/с 0,190

100 200 300 400 500 600 700 п, об/мин

Иг=0,03 м/с

0,180 0,170 0,160 0,150 0,140

i

¿Í f rd >

Л

f и Р л?

ьз

0 100 200 300 400 500 600 700 п, об/мин иг = 0,04 м/с

Экспериментальные точки (1 - 3): 1 - РГТ-90; 2 - РГТ-180; 3 - РГТ-270.

Рисунок 10 - Изменение газосодержания в цилиндрическом аппарате в зависимости от частоты вращения перемешивающего органа п и угла закрутки линии лопасти роторов геликоидального типа при различной средне-расходной скорости газа и? №D=1

лопасти 90° достигается только при n ~ 400 об/мин. При этом динамические нагрузки в среде увеличиваются в квадрате (Ek=mv2/2), значительно повышая механическое воздействие на клетки биообъекта.

Сопоставление полученных данных по газосодержанию для биореактора с РГТ и с турбинной мешалкой показали практически одинаковые результаты (порядка 10-18 % для биореактора с РГТ и 12-25 % - биореактор с турбинной мешалкой), что указывает на удовлетворительную удерживающую способность по газу роторов геликоидального типа.

Средне - поверхностный диаметр пузырька, полученный экспериментально в аппарате с РГТ, составил 2,5-6 мм в зависимости от средне-расходной скорости газа и частоты вращения ротора. Следует отметить, что для турбинных мешалок средне - поверхностный диаметр пузырька составляет 1,5 - 4 мм в зависимости от диссипации энергии.

Исследование массообменных характеристик ротора геликоидального типа. По итогам проведенных исследований получены экспериментальные данные по объемному коэффициенту массопередачи KLa для биореактора с РГТ, которые были сопоставлены с данными, полученными при использовании типовой лопастной и турбинной мешалок (рисунок 11).

700,0 600,0 _ 500,0 J 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0

0 200 400 600 800 1000 п, об/мин

иг = 0,02 м/с

700,0 600,0 - 500,0 я" 400,0 \¿ 300,0 200,0 100,0 0,0

0 200 400 600 800 1000 0 200 400,, 600 800 1000

п, об/мин 11, об/мин

иг= 0,03 м/с u¿= 0,04 м/с

Экспериментальные точки (1 - 5): 1 - РГТ-90; 2 - РГТ-180; 3 - РГТ-270; 4-лопастная мешалка: Dan = 0,375 м, dM- 0,110 м; 5 - турбинная мешалка: dM = 0,075 м, Da„ = 0,216 м, иг = 0,01 м/с.

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента массопередачи Kia от частоты вращения перемешивающего органа п и средне-расходной скорости газа иг при разных углах закрутки линии лопасти роторов геликоидального типа (HJD=1)

При анализе полученных данных установлено, что теоретические предположения о влиянии угла закрутки линии лопасти ротора геликоидального типа на степень перемешивания оказались верными для аппарата цилиндрической конструкции при п < 600 об/мин. Так, наиболее интенсивно газо-жидкостную среду перемешивает РГТ-270 (при ur < 0,02 м/с).

Это объясняется тем, что с увеличением длины лопасти и частоты вращения ротора повышается кратность циркуляции потока жидкости в рабочей полости аппарата, что оказывает влияние на рост площади межфазной поверхности и снижение толщины диффузионной стенки на границе раздела фаз и, как следствие, повышение коэффициента массопередачи KLa.

При сопоставлении PIT с типовыми мешалками (лопастной и турбинной) установлено, что роторы по своим массообменным характеристикам не уступают турбиной мешалке (при ur = 0,02 м/с), а в сравнении с лопастной мешалкой - превосходят ее в 1,5 - 2 раза.

Для расчета объемного коэффициента массоотдачи кислорода в водной среде, перемешиваемой в цилиндрическом аппарате с РГТ, при различных значениях средне - расходной скорости газа были получены критериальные уравнения объемного коэффициента массопередачи KLa от диссипации энергии М/У(таблица 1).

А г

OI

J vy ^ s ' D2

Ja > A3

ш. I 04

Ж5

У X * >

) OI

A*

04

/и и,и 600,0 - 500,0 «'400,0 М 300,0 200,0 100,0 0,0

' J. )

Ж/ ~ í

OI □ 2

ДЗ

04

Таблица 1 - Уравнения объемного коэффициента массопередачи KLa, ч"'

Удельный расход электроэнергии, E=N/V Угол закрутки линии лопасти ротора геликоидального типа, 8° Средне- расходная скорость газа иг, м/с

0,02 0,03 0,04

при Е<10 кВт/м3 90° К,а = 37Я0,5 К,а = 77Е°'г К,а = 35Я0,7

180° /О а = 46Я0,27 К,а = 72Я0,34 К,а = 104 Я0'22

270° К,а = 14Я0,97 К,а = 124Я0,1 К,а = 76Е°*

при Е>10 кВт/м3 90° К,а = 17-10"3Я3'9 К, а = 30 • 10"3Я3'76 К,а = 8-10~3Я4'3

180° К,а = 0,4 • 10~3Я5,3 К, а = 13 ■ 10"3Я41 К, а = 50 ■ 10"3£3'6

270° К, а —20- 10""3Я3,9 К, а = 0,23 Я3 К, а = 0,13 Я32

Полученные зависимости в дальнейшем предполагается использовать при разработке пилотного варианта биореактора с РГТ.

Для обобщения основных данных по массопередаче были получены значения критерия Шервуда Sh в зависимости от различных технологических режимов работы аппарата с роторами геликоидального типа (таблица 2).

Таблица 2 - Критерий Шервуда для различных режимов работы аппарата с РГТ

Угол закрутки линии лопасти РГТ,0° Средне-расходная скорость газа, м/с

0,02 0,03 0,04

90 Sh=2,8(mdn/v)u''Scu'3 (Sh=13164,6)* Sh=30,7(cod„/v)u'"Scu'3 (Sh=15669,2)* Sh=39,4((Bdn/v)u':'Scu':' (Sh=l 4680,5)*

180 Sh=5(codn/v)u'03Scup (Sh=16441,8)* Sh=10,4(codn/v)u'"Scu'5 (Sh=15753,9)* Sh=31 (todn/v)u',Scu':> (Sh=14046,l)*

270 Sh=24,7(cod„/v)u-i>Scu'3 (Sh=l 5622,5)* Sh=33,9(e)dn/v)u'0Scu'3 (Sh=l 3667,6)* Sh=43,9(ffldn/v)u"i:>Scu':' (Sh=12620,4)*

Примечание: со - угловая скорость, с"'; (!„ - средне-поверхностный диаметр пузыря, м ; V - кинетическая вязкость, м /с; Бс - критерий Шмидта ♦Результат расчета БЬ при частоте вращения ротора п = 600 об/мин

Найденные критерии Шервуда позволяют моделировать массообменные процессы как в действующих, так и в разрабатываемых биореакторах с РГТ различной производительности.

На основании полученных результатов можно утверждать, что для биореактора с РГТ наиболее приемлемым в культивировании микроорганизмов является использование РГТ-270, обеспечивающего интенсивное газонасыщение среды при низких удельных затратах электроэнергии, что существенным образом оказывает влияние на жизнедеятельность аэробных микроорганизмов и себестоимость продукта в целом.

Исследование гидродинамических характеристик ротора геликоидального типа. По экспериментальным данным были получены аналитические зависимости (2) - (5) и эпюры окружной, осевой и радиальной составляющей абсолютной скорости движения ферментационной среды с учетом частоты вращения ротора, и, об/мин; радиуса рассматриваемого сечения в аппарате, R, м и частоты рассматриваемого сечения в аппарате, Я, м (рисунок 12).

1, 2, 3, 4 - рассматриваемые сечения в аппарате. Зеленое поле - осевые скорости; красное поле - окружные скорости; желтое поле - радиальные скорости.

Рисунок 12 - Схема эпюр скоростей в аппарате цилиндрической конструкции с РГТ-2 70

vaec = -0,359 + 31,027 • R + 16,703 • Н + 3,102 -10~6 • п2 --0,018 • п ■ Н - 312,482 • R2 - 59,26 ■ Я2,

»окр = -0,708 + 0,936 • 10"3 ■ п + 45,101 ■ R + 9,695 ■ Я -—551,279 • R2 - 136,459 -R H,

ирзд = 0,199 - 1,716 ■ 10~3 ■ п + 3,351 ■ R + 14,413 ■ Я + +4Д56 ■ 10"7 ■ п2 + 2,687 ■ Ю-3 ■ п ■ R + 0,017 ■ п ■ Я --58,438 ■ R2 + 22,266 -R-H- 94,696 ■ И2,

»осев = 0,741 - 0,003 • п - 5,693 ■ Н + 0,77 ■ 10"5 ■ п2 -—0,025 • п • Н + 224,815 ■ R ■ Н.

Известно, что на качество перемешивания важное влияние оказывают соотношения окружных и радиально-осевых скоростей. Так при преобладании окружной составляющей абсолютной скорости качество перемешивания снижается из-за уменьшения степени циркуляции потока жидкости в рабочей полости аппарата. При преобладании радиально-осевой составляющей, наоборот, качество перемешивания улучшается с повышением степени циркуляции.

При анализе эпюр установлено, что благодаря своей пространственной геометрии ротор геликоидального типа создает большие осевые скорости, прогрессирующие с увеличением частоты вращения ротора. Так, с увеличением частоты вращения ротора от п = 100 об/мин до п = 500 об/мин осевая скорость возросла в 2 раза (с 0,39 м/с до 0,79 м/с). При этом свое максимальное значение осевая скорость достигает у стенки аппарата, где располагаются вертикальные отражательные планки, и происходит трансформация окружной составляющей абсолютной скорости в осевую скорость, в результате чего поток жидкости поднимается вверх в меридиональной плоскости. Минимальный прирост скорости (в 1,1 раза) наблюдается у окружной скорости, радиальная скорость возросла в 1,2 раза. Такая гидродинамическая картина создает интенсивное перемешивание в проточной полости биореактора, обеспечивая условия для минимизации гидродинамических ударов и застойных зон, повышения абсорбции газа и равномерного распределения концентрации кислорода и питательных веществ в биореакторе. Кроме того, создание ротором осевых скоростей

(2)

(3)

(4)

(5)

позволяет трансформировать нормальные напряжения в касательные, снижая, таким образом, повреждение клеток биокультуры. Создание данных условий положительно скажется на увеличении выхода целевого продукта.

Сопоставление полученных нами результатов исследований гидродинамики потоков ферментационной среды в аппарате с РГТ с результатами, полученными в аппарате с лопастной мешалкой, показали, что лопастная мешалка, создает повышенное «стрессовое» воздействие на культуру в процессе ферментации, снижая выход продукта.

Экспериментальные исследования роста мицелия серно-желтого трутовика Laetiporus sulphureus при разных технологических режимах работы биореактора проводились с определением относительной величины XJXH (где Хн - начальная концентрация биомассы, г/л; Хк - конечная концентрация биомассы, г/л) (рисунок 13), показывающей прирост биомассы исследуемой культуры за 54 ч глубинного культивирования.

Из графика видно, что наилучшее перемешивание ферментационной среды наблюдается при использовании РГТ-270, п = 600 об/мин. При данных условиях градиенты концентрации питательных веществ и кислорода становится минимальным по всему объему аппарата (grad f(x) -» 0), что способствует к снижению эффекта «стрессового» воздействия на культуру гриба (выход продукта увеличился в 1,5 раза по сравнению с турбинной мешалкой). Данный результат достигается за счет более высокой степени гомогенизации культуральной среды и менее травматического воздействия на мицелий гриба при использовании ротора геликоидального типа (рисунок 14).

О 300 600 900 1200 п, об/мин

1 - РГТ - 270°; 2 - турбинная мешалка

Рисунок 13 - Прирост биомассы мицелия Ь. йи1рИигеи8 при различных режимах работы биореактора

шш

Лопастная дисковая мешалка Рисунок 14 - Фотографии штамма Ь. ЫрИигею в глубинной культуре с увеличение

х500

Также был определен один из основных технологических параметров работы биореактора - продуктивность по биомассе (¿х (рисунок 15). Прирост продуктивности биореактора с РГТ (1) составил до 35 % по сравнению с биореактором с турбинной мешалкой (2).

0,16 0,14 0,12 d одо

0,08 0,06

/ , N

и г--- К ♦1

/ > 1 .2

т

300

900

1200

600 n, об/мин

Рисунок 15 - Продуктивность биореактора

Qx

При практически равных массооб-менных характеристиках ротора геликоидального типа и турбинной мешалки, высокие показатели продуктивности и удельной скорости роста культуры при ферментации в биореакторе с РГТ указывают на то, что в экспериментальном биореакторе влияние «стрессового» воздействия на рост серно-желтого гриба за счет минимизации влияния механических и гидродинамических ударов снижается.

Из проведенных теоретических и

экспериментальных исследований следует, что применение РГТ создает реальную возможность снижения «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе и, что еще более важно, появляется инструмент для управления гидродинамической картиной движения потоков рабочей жидкости в проточной полости биореактора (за счет изменения частоты вращения вала и угла закрутки линии лопасти ротора). При этом создается такой характер движения потоков рабочей жидкости в проточной полости аппаратов биотехнологических производств, который способствует интенсивной абсорбции газа в жидкой среде и равномерному распределению концентрации кислорода и питательных веществ в биореакторе. Этому обстоятельству в значительной степени способствует безударное воздействие РГТ на биокультуру и максимальное увеличение степени циркуляции за счет подъема потока в меридиональной плоскости рабочей жидкости и минимизации вероятности появления застойных зон статического характера в проточной полости емкостного аппарата. Как следствие этого, повышается производительность биореактора при низком удельном энергопотреблении, что существенным образом способствует снижению себестоимости продукта в целом.

100 . | I | Исследование энергетических

затрат, потребляемых ротором геликоидального типа. | С целью определения энерге-

тических затрат, потребляемых при работе РГТ, была построена графическая зависимость критерия мощности KN от критерия Рейноль-дса Кец при перемешивании (рисунок 16). При определении KN принимался наибольший диаметр ро-

2

/

м

100 Re 10000

юооооо

1-РГТ - 270; 2 - турбинная мешалка. Рисунок 16 - Зависимость критерия мощность от критерия Рейнольдса при перемешивании

тора по кромкам лопаток нижнего основания равный 0,11 м. Как следует из графика, потребление энергии РГТ выгодно отличается от турбинной мешалки, обладающей большим потреблением электроэнергии.

В пятой главе представлена практическая реализация результатов работы.

Выполненный анализ технико-экономических показателей биореакторов различной конструкции подтвердил, что по своим технико-экономическим показателям биореактор с РГТ не уступает типовым конструкциям биореакторов. Вместе с тем, полученные результаты расчетного выхода биомассы различных штаммов мицелиальных микроорганизмов при глубинном культивировании в биореакторе с РГТ и в биореакторе типовых конструкций показал, что разработанный биореактор с РГТ рекомендуется применять при ведении глубинных процессов ферментации мицелиальных форм микроорганизмов, обладающих сравнительно низкой дыхательной активностью (q < 2 кг 02/м3-ч).

Экономическая оценка применения биореактора с РГТ с рабочим объемом 3 м при условии выпуска продукции в виде кормового белка представлена в сводной таблице 3.

Таблица 3 - Основные технико-экономические показатели

Показатель Значение

базовый вариант модернизованный вариант

1 Годовая производительность оборудования, т/г 40,37 55,3

2 Списочный состав рабочих, чел.: 17 17

- основные 10 10

- вспомогательные 4 4

3 Сумма капитальных затрат, тыс. руб. 8302,99 8425,72

4 Годовой фонд зарплаты, тыс. руб. 2530,05 2530,05

5 Себестоимость обработки единицы продукции, тыс. руб. 180,15 131,75

6 Затраты на ремонт оборудования, тыс. руб. 1245,45 1263,85

7. Амортизационные отчисления, тыс. руб. 830,29 842,57

8 Удельный расход энергоресурсов, тыс. руб./т 6,43 4,7

9 Среднемесячная зарплата одного рабочего, тыс. руб. 12,4 12,4

10 Условно-годовая экономия, тыс. руб. ■ 2647,11

11 Экономия на условно-постоянных расходов, тыс. руб. 1600,08

12 Условный прирост прибыли, тыс. руб. 7465,0

13 Срок окупаемости капитальных затрат, лет - 3,2

Предлагаемый вариант биореакгора обеспечивает увеличение годовой производительности оборудования и снижение себестоимости производимого кормового белка, что дает условно-годовую экономию в размере 2647113,67 руб. Срок окупаемости модернизированного оборудования составляет 3,2 года.

Также в работе представлена методика инженерного построения РГТ, позволяющая проектировать РГТ с различной пространственной геометрией для биореакторов с требуемой производительностью.

Выводы:

1 Разработаны теоретические основы создания конструкции перемешивающего органа в виде ротора геликоидального типа, обеспечивающей повышение продуктивности культивирования за счет улучшения гидродинамической обстановки и минимизации «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе.

2 Создан юмерительно-вычислительный комплекс, позволяющий в режиме on-line получать, накапливать и обрабатывать значения кинематических характеристик потоков рабочей жидкости в проточной полости проектируемых ферментеров с последующим построением эпюр абсолютной скорости и ее составляющих, а также проводить гидродинамическое диагностирование действующих аппаратов.

3 В результате проведенных экспериментальных исследований определены газодинамические, массообменные и гидродинамические характеристики газожидкостного биореакгора с роторами геликоидального типа. Выявлено, что наиболее целесообразным для проведения процесса культивирования является использование биореактора с ротором, имеющим угол закрутки линии лопасти 270°.

4 Установлено влияние основных технологических и конструктивных параметров биореактора с ротором геликоидального типа на повышение продуктивности процесса культивирования аэробных микроорганизмов на примере штамма Laetiporus sulphureus. Применение ротора геликоидального типа позволяет увеличить продуктивность биореактора до 35 % по сравнению с типовой лопастной дисковой мешалкой.

5 Предложена методика инженерного построения ротора геликоидального типа, позволяющая проектировать биореакторы повышенной продуктивности.

6 Выполнена оценка экономической эффективности применения газожидкостного биореактора с ротором геликоидального типа при условии выпуска продукции в виде кормового белка. Предлагаемый вариант оборудования обеспечивает увеличение годовой производительности и снижение себестоимости производимого продукта на 27 % с получением условно-годовой экономии в размере 2647113,67 руб. Срок окупаемости модернизированного оборудования составляет 3,2 года.

Основное материалы диссертации изложены в следующих работах:

1 Иванов, Д. А. Создание многофункциональных емкостных аппаратов с использованием имитационного моделирования / Д. А. Иванов, К.А. Иванов, А.П. Руденко // Химия растительного сырья. - 2011. - № 4. - С. 319-324, автора - 0,1 пл.

2 Иванов. К. А. О создании аппаратов для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов с использованием имитационного моделирования / К. А. Иванов, ДА. Иванов, AJL Руденко // Биотехнология. - 2012. - № 2. - С. 80-86, автора - 0,24 пл.

3 Иванов, К А. К вопросу разработки роторов геликоидального типа для биохимических реакторов / К.А. Иванов, ДА Иванов, А.П. Руденко // Химия растительного сырья. - 2012. -№ 2. - С. 173-178, автора- 0,09 пл.

4 Ivanov. К. A. The High - Technology bioreactors making ways with the Helicoid type rotor / K. A. Ivanov, D. A. Ivanov, A. P. Rudenko // European Journal of Natural Histo-iy.-2012.-№2.-P. 19-24, автора - 0,31 пл.

5 Иванов. К. А. Построение пространственной геометрии ротора геликоиднош типа / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П Руденко // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. научн.-пракгач. конф. - Красноярск, 2010. -Т. П. - С. 78 - 80, автора - 0,07 пл.

6 Иванов. К. А. Применение многофункционального аппарата с ротором геликоидального типа при культивировании микроорганизмов / К. А. Иванов, Д А. Иванов,

А. П. Руденко // Интеллектуальный потенцнал XXI века: ступени познания: сб. материалов V междунар. студенческой науч.-практич. конф. - Новосибирск, 2011. - С. 5759, автора - 0,056 п.л.

7 Иванов, Д. А. Применение многофункционального аппарата с рабочей полостью профилированного сечения при культивировании микроорганизмов / Д. А. Иванов, К. А. Иванов. А. П. Руденко // Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания: сб. материалов V междунар. студенческой науч.-практич. конф. - Новосибирск, 2011.-С. 55-57, автора-0,06 п.л.

8 Иванов. К. А. Построение пространственной геометрии ротора геликоидного типа с различным функциональным назначением / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П. Руденко // Наука и современность - 2011: сб. материалов IX междунар. науч.-практич. конф. -Новосибирск, 2011. -С. 32-35, авгора-0,08 п.л.

9 Иванов, Д. А. Зондирование - как средство анализа работоспособности целлю-лозно - бумажного и биохимического оборудования / Д. А. Иванов, К. А. Иванов. А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. все-рос. науч.-практич. конф. - Красноярск, 2011. - Т. I. - С. 230-233, ангора - 0,09 п.л.

10 Иванов. К. А. Способы измерения скоростей в потоках жидких сред и методика работы с шаровым зондом / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. -Красноярск, 2011. - Т. I. - С. 233-237, автора - 0,12 пл.

11 Иванов, Д. А. Диагностика эффективности работы перемешивающих аппаратов с помощью измерительно-вычислительного комплекса / Д. А. Иванов, К. А. Иванов, А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. - Красноярск, 2012. - Т. П. - С. 46-50, автора - 0,11 пл.

12 Иванов, Д. А. Масштабирование аппаратов с профилированными элементами корпуса и с роторами геликоидального типа / Д. А. Иванов, К. А. Иванов. А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. -Красноярск, 2012. -Т. П. -С. 50-52, авгора-0,056 п.л.

13 Иванов. К. А. К вопросу об определении функциональной эффективности роторов геликоидального типа в аппаратах стандартной конструкции / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. - Красноярск, 2012. - Т. П. - С. 52-56, автора -0,12 пл.

14 Иванов. К. А. Методика построения ротора геликоидального типа / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. - Красноярск, 2012. - Т. II. - С. 56-61, автора-0,12 пл.

15 Пат. №2453589. Российская федерация. МПК С12М1/06, С12Т1/00. Аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов / А.П. Руденко, ДА. Иванов, К.А. Иванов - № 2011110842/10. Заявл. 22.03.2011; Опубл. 20.06.2012. Бюл. №17.-7 с, автора- 0,26 пл.

Подписано в печать 25.10.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 3/22. Заказ № 1895. Тираж 100 экз. Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 факс (391) 211-97-25, тел. (391) 227-69-90

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Иванов, Кирилл Александрович, Красноярск

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451571

ИВАНОВ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ БИОРЕАКТОРОВ НА ОСНОВЕ РОТОРОВ ГЕЛИКОИДАЛЬНОГО ТИПА

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., проф. Руденко А. П.

Красноярск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4

1 Анализ современного состояния технологического оборудования и процесса перемешивания в биотехнологической отрасли промышленности........................................................................7

1.1 Технико-экономический анализ основных типов биореакторов

с механическим перемешиванием...........................................................7

1.2 Обзор конструкций механических перемешивающих устройств, используемых в биотехнологии...........................................11

1.3 Кинематические параметры гидродинамики различных перемешивающих устройств....................................................................17

1.4 Распределение скоростей рабочей жидкости в аппаратах с перемешивающим органом......................................................................24

1.5 Способы измерения скоростей потоков жидкостей........................34

1.6 Постановка задач исследования........................................................37

2 Теория и методика расчета ротора геликоидального типа (РГТ)..........39

2.1 Теоретические основы построения конструкции РГТ....................39

2.2 Построение ротора..............................................................................45

2.3 Физическая модель движения культуральной жидкости в биореакторе с РГТ.....................................................................................59

3 Методическое описание экспериментальных исследований..............64

3.1 Методика исследования газодинамических характеристик ротором геликоидального типа................................................................65

3.2 Методика исследования массообменных характеристик ротором геликоидального типа................................................................67

3.3 Методика исследования гидродинамических характеристик ротором геликоидального типа................................................................70

3.4 Методика исследования роста биомассы мицелия серно-желтого трутовика {Ьаейрогш зъйркигет) при его глубинном культивировании в биореакторе с РГТ...................................................77

3.5 Планирование экспериментальных исследований..........................80

4 Экспериментальная часть........................................................................85

4.1 Исследование газодинамики, создаваемой в биореакторе

с РГТ...........................................................................................................85

4.2 Исследование массообменных характеристик РГТ.........................90

4.3 Исследование гидродинамических характеристик РГТ.................96

4.4 Исследование роста мицелия серно-желтого трутовика Laetiporus sulphur eus............................................................................102

4.5 Исследование энергетических затрат, потребляемых РГТ...........107

5 Практическая реализация результатов работы...................................109

5.1 Методика инженерного построения РГТ........................................109

5.2 Область применения биореактора с РГТ........................................109

5.3 Оценка экономической эффективности применения биореактора

с РГТ.........................................................................................................112

Общие выводы по работе.........................................................................128

Библиографический список.....................................................................129

Приложение А...........................................................................................140

Приложение Б............................................................................................142

Приложение В............................................................................................144

Приложение Г............................................................................................145

Приложение Д............................................................................................146

Приложение Е............................................................................................150

Введение

Перед биотехнологической промышленностью страны поставлены большие задачи по ускоренному развитию производств, базирующихся на микробиологическом синтезе, и обеспечению значительного роста выпуска продукции: ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как важнейшего белкового продукта, получение отдельных полезных веществ (препаратов), используемых в различных отраслях народного хозяйства и медицине. В связи с растущим с каждым годом спросом на данные продукции биотехнологических производств, актуальным является вопрос о повышении продуктивности существующих типов биореакторов.

Во многих биотехнологических производствах используют аэробные культуры, которые развиваются только в присутствии кислорода. Для таких культур жизненно необходимо создание требуемого массопереноса, чтобы исключить вероятность лимитирования продуктивности биотехнологических систем.

Кроме того, существенное значение на развитие культуры (особенно при культивировании растительных и животных тканевых клеток и мицелиаль-ных культур) оказывает влияние эффект «стрессового» воздействия на биомассу в аппарате. Это взаимодействие связано с физико-механическим повреждением клеток лопастями мешалок, температурными перепадами, наличием «бескислородных» зон в аппарате и др. Такие нежелательные эффекты значительно снижают рабочие показатели процесса эксплуатации биореактора [1,2].

В настоящее время разработано значительное количество способов обеспечения контакта газа жидкостью (барботажный, газлифтный, механическое перемешивание, струйный, пленочный и др.), на основе которых созданы промышленные биореакторы, обладающие различным «стрессовым» эффектом.

Согласно проведенному анализу показателей основных типов биореакторов для решения поставленных задач по совершенствованию биореакторов наиболее оптимальными являются биореакторы с механическим перемешиванием жидкости, которые позволяют обеспечить наибольшую производительность по биомассе. Однако применяемые в них типовые механические перемешивающие устройства создают в рабочей полости биореактора хаотичное, неорганизованное перемешивание, что приводит к возникновению слабого массообмена, недостаточного для жизнеобеспечения многих культур клеток и микроорганизмов и приводящие к «стрессовому» воздействию на культуры.

Поэтому назрела необходимость создания новых перемешивающих устройств, удовлетворяющих следующим требованиям:

- осуществлять «мягкое», безударное воздействие перемешивающего устройства на микроорганизмы;

- организовывать движение потока снизу вверх в меридиональной плоскости, что способствует наличию касательных напряжений суспензии, которые в два раза меньше нормальных при воздействии на конгломератный состав культуральной жидкости;

- минимизировать статические застойные зоны во всей проточной полости биореактора;

- создавать одинаковую обстановку в любом микрообъеме культуральной жидкости независимо от его месторасположения в проточной полости биореактора, что является гарантом равномерного обеспечении питательными веществами и кислородом биообъекта.

Для решения данной задачи наиболее оптимальным вариантом является разработка нового перемешивающего устройства в виде ротора геликоидального типа.

Данное перемешивающее устройство, установленное в биореакторе, позволит выполнять тщательное «мягкое» перемешивание (grad f(x) 0), как по выращиванию биологического объекта, так и по приготовлению куль-

туральной среды различного химического состава в биотехнологическом производстве. К тому же, высокая гомогенизирующая и диспергирующая способность позволит обеспечить необходимый массообмен в рабочей полости биореактора и снизить до минимума влияние «стрессового» воздействия на рост биомассы. Вместе с тем концентрация значительного количества энергии и рациональное ее использование в рабочем объеме биореактора с ротором геликоидального типа, создающей организованный поток ферментационной среды, обеспечит успешное применение этого вида перемешивающего устройства при выпуске конечного продукта высокого качества и с низкой себестоимостью.

1 Анализ современного состояния технологического оборудования и процесса перемешивания в биотехнологической отрасли промышленности

1.1 Технико-экономический анализ основных типов биореакторов с механическим перемешиванием

Большинство микробиологических производств используют аэробные культуры, которые развиваются только в присутствии кислорода. Это требует обеспечения необходимой концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе в течение всего процесса ферментации, причем потребность культуры в кислороде может меняться в разных фазах ее развития. Так, например, при большой плотности биомассы потребление кислорода может достигать 50 г/л, что вызывает необходимость пополнять среду растворенным кислородом, переводя его из газовой фазы в жидкую. Это слишком сложная задача в виду того, что растворимость кислорода в водной среде составляет всего лишь несколько миллиграмм на 1 литр при давлении воздуха 0,1 МПа [3].

Кроме того, существенное значение на развитие культуры (особенно при культивировании растительных и животных тканевых клеток и мицелиальных культур) оказывает влияние эффекта «стрессового» воздействия на биомассу в аппарате. Это взаимодействие связано с физико - механическим повреждением клеток лопастями мешалок, температурными перепадами, наличием «бескислородных» зон в аппарате и др. Такие нежелательные эффекты значительно снижают расчетные показатели процесса в ферментере [1, 2, 4].

В этой связи ферментационное оборудование подбирается таким образом, чтобы обеспечивался оптимальный массообмен (перенос кислорода из газовой фазы в жидкую) и осуществлялось минимальное влияние «стрессового» воздействия на рост биомассы. Тип биореактора, его массообменные и «стрессовые» характеристики значительно влияют на стоимость продукта,

определяемой производительностью процесса, а также текущие и капитальные затраты на процесс ферментации [2, 4, 5].

В настоящее время, как уже указывалось вше, разработано значительное количество способов обеспечения контакта газа с жидкостью (барботажный, газлифтный, механическое перемешивание, струйный, пленочный и др.), на основе которых созданы промышленные биореакторы, обладающие различным «стрессовым» эффектом. Анализ показателей основных типов биореакторов представлен в таблице 1.1 [1, 2, 6-18].

Таблица 1.1- Основные показатели биореакторов

Показатель Барботажный Газлифтный Струйный С механическим перемешиванием и барботажем Сса-мовса-сываю-ваю-щей мешалкой Пленочный

Скорость переноса кислорода, о кг/(м -ч) 1 -4 1,1-4,0 0,4 - 0,7 4-7 7 10

Объемный коэффициент массоотдачи, ч"1 180 - 500 270 - 1000 200- 350 450 - 2500 2000 15004000

Поверхностный коэффициент массоотдачи, м/с (1 -32)х хЮ4 0,5-4,0)х х10~4 (0,4 - 0,6)х х10~4 (5 - 6)-10"4 6-10"4 (2 - 5) х хЮ"2

Концентрация редуцирующих веществ, кг/м3 30 8-30 8 30 30 100

Уровень «стрессового» эффекта - минимальный максимальный разный максимальный максимальный

Удельный расход воздуха, м3/кг 19 30-50 10 34 29-43 0-10

Концентрация биомассы, кг/м3 10 4- 10.5 4 10 10 40-80

Коэффициент заполнения 0,33 0,33 0,33 0,7 0,4 0,8

Удельный расход энергии, кВтч/кг 0,6-0,7 0,8-1,75 0,4-0,5 2-3 3-4 0,6-1,4

В аппаратах барботажного типа количество газа, доставляемого в жидкую фазу, определяется, как известно, величиной межфазной поверхности, получаемой в результате массового прохождения пузырьков газа через слой жидкости, что является недостаточно эффективным. Кроме того, при высоких скоростях газа возникает эффект флотации биомассы и появляются крупномасштабные пульсации, вызывающие вибрацию корпуса аппарата. Следует указать, что в таких аппаратах уровень «стрессового» воздействия минимален.

Газлифтные аппараты, которые характеризуются повышенными тепло -и массообменными характеристиками, нашли наиболее широкое применение в производстве. Однако в таких аппаратах, несмотря на небольшой уровень «стрессового» воздействия, не удается получать высокую концентрацию микроорганизмов в жидкости, вследствие интенсивного пенообразования,

о

низкой скорости подвода газа равной 1,1-4 кг/(м -ч) и высокого удельного расхода воздуха.

В струйных биореакторах достигаются низкие удельные энергозатраты. Однако небольшая скорость переноса кислорода в жидкой фазе не позволяет перерабатывать в них концентрированные среды (допустимая концентрация редуцирующих веществ в субстрате, как правило, не превышает 0,8 %), что, в конечном счете, приводит к увеличению габаритов и повышению эксплуатационных расходов. Кроме того, в таких аппаратах не удается обеспечить равномерное распределение газа в объеме жидкости, что способствует повышению «стрессового» воздействия.

Для биореакторов с самовсасывающими мешалками, установленными в циркуляционном контуре, основным достоинством является отсутствие принудительной подачи газа в аппарат и высокая скорость транспортировки газа в жидкость до 7 кг/(м3-ч). К недостаткам аппаратов этой группы следует отнести трудность оптимизации и управления интенсивностью гидродинамических и массообменных процессов в связи с использованием принципа всасывания. Кроме того, такие аппараты обладают самым максимальным «стрессо-

вым» эффектом из-за больших физико-механических повреждений, в связи со срезами на концах лопастей мешалки.

Большие перспективы промышленного использования имеют пленочные биореакторы, характеризующиеся высокими тепло- массообменными показателями, достигаемыми за счет процессов переноса в тонких слоях пленки. В пленочных аппаратах достигается высокая массопередача кислорода - более

о

10 кг Ог/(м -ч) при минимальном уровне «стрессового» эффекта. Однако достаточно сложная внутренняя «начинка» аппаратов и неустойчивость пленочных режимов при изменении физико-химических свойств ферментационной среды, а также сравнительно высокие показатели удельной металлоемкости сдерживают создание конкурентоспособных промышленных ферментеров большого объема.

Наибольшее распространение получил биореактор с механической мешалкой (лопастные, турбинные, пропеллерные мешалки) и подводом воздуха через барботер, обладающий высокими показателями подвода газа (4-7 кг/(м3-ч)) при удельном расходе энергозатрат 2-3 кВт-ч/кг.

При механическом перемешивании достигается дополнительное диспергирование пузырьков воздуха и удлинение траектории их движения вследствие турбулизации жидкости. В данных условиях повышается интенсивность растворения кислорода в жидкой среде [19].

Величина «стрессового» воздействия в таком аппарате, в зависимости от типа применяемого перемешивающего устройства, может быть разной, что является потенциальной возможностью для увеличения продуктивности таких типов биореакторов за счет разработки новых перемешивающих устройств, обладающих высокими массообменными характеристиками с пониженным «стрессовым» воздействием на культуру.

Согласно данным таблицы 1.1 наилучшими массообменными характеристиками при минимальном уровне «стрессового» эффекта обладают аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Поэтому для решения поставленных задач по совершенствованию биореакторов на данном эта-

пе развития техники были приняты биореакторы с механическим перемешиванием жидкости, которые позволяют обеспечить наибольшую производительность по биомассе.

Обзор конструкций механических перемешивающих устройств, используемых в биореакторах биотехнологического производства, представлены в следующем параграфе.

1.2 Обзор конструкций механических перемешивающих устройств, используемых в биотехнологии

Биологическая продуктивность аэробных клеточных культур, использующихся в биотехнологии, как указывалось выше, зависит не только от наличия питательных веществ и физико-химических характеристик среды культивирования, но и от доступности клеток к кислороду и питательным веществам, или, другими словами, от эффективности газообмена и массопе-реноса в системах [6]. Это связано с тем, что биотехнологическая система ге-терогенна как структурно, так и функционально.

Для создания высокой скорости газо- и массообмена, обеспечивающих интенсивный рост биомассы, часто возникает необходимость в эффективном перемешивании дисперсной системы вода - воздух. В таких случаях используют механическое перемешивание.

Основная цель механического перемешивания сводится к увеличению скорости смешения фаз по сравнению с естественной конвекцией, которая обусловлена движением частиц свободно поднимающихся или опускающихся диспергированных фаз.

Принудительная конвенция позволяет:

- обеспечить более однородное диспергирование фаз, что особенно важно в тех случаях, когда культуральная среда содержит суспензию твердой или другой жидкой ф�