Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами (1095049)
Текст из файла
61:06-5/2314м о с к о в с к и й ГОСУДАРСТВЕППЫИ УПИВЕРСИТЕТИПЖЕПЕРПОЙ ЭКОЛОГИИПа правах рукописиПЕТРОВ ИГОРЬ АЛЕКСЕЕВИЧКУЛЬТИВИРОВАПИЕ ФОТОТРОФОВ В АППАРАТАХ С ГИБКИМИПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИСпециальность: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических техпологий;03.00.23 - БиотехнологияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукПаучные руководители:к. ф-м. н., с. н. с.
Казенин Дмитрий Александровичк. т. и. Жаворонков Владимир АлександровичМосква2006 гСОДЕРЖАНИЕстр.УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНР1Я5ВВЕДЕНИЕ8Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1 Фототрофы - продуценты биологически активных веществ (БАВ).111.2 Классификация современных фотобиореакторов231.3. Аппаратурное оформление процессакультивированияфототрофов.251.3.1. Культивирование в бассейнах открытого типа251.2.2. Производство в реакторах трубчатого типа.291.3.2 Тонкослойные и пластинчатые фотобиореакторы.331.3.3 Производство фототрофов с использованиемфотобиореакторов глубинного культивирования341.4 Сравнительная характеристика фотобиореакторов37ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ39Глава 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛОСТНБ1ХФОТОБИОРЕАКТОРОВ С ГИБКИМИ ПРЕРМЕШИВАЮЩИМИУСТРОЙСТВАМИ.2.1 Экспериментальная установка для проведения исследований38402.2 Поле скоростей в полостном аппарате432.3 Определение мощности, расходуемой на перемешивание45Глава 3.
РАСЧЕТ И ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕОБЪЕМНОГО КОЭФФИЦИЕНТА МАССООБМЕНА503.1. Расчет массообмена на границе полости.3.2 Визуальная оценка количества пузырьков и их поверхности.Несущественность вклада пузырьков в массообмен50533.3 Порядок определения коэффициента массопередачи по балансовомуспособу с определением скорости потребления сульфита в модельнойсистеме563.4 Данные массообменных испытаний фотобиореактора с гибкоймешалкой, рабочим объемом 90 л3.5. Некоторые предпосылки к рассмотрению газообмена как57лимитирующего фактора роста фототрофов.59Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО КУЛЬТИВРТРОВАПИЮ ФОТОТРОФОВВ АППАРАТАХ С ГИБКИМИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИУСТРОЙСТВАМИ.4.1 .Описание установки для культивирования фототрофов62624.2.
Культивирование снирулины в аппарате с гибкой мешалкой.654.3. Культивирование хлореллы в аппарате с гибкой мешалкой67Глава 5 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИКУЛБТВИРОВАНИЯ ФОТОТРОФОВ В АППАРАТАХ С ГИБКИМИПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИУСТРОЙСТВАМИ.705.1. Производительность установок705.2. Определение себестоимости продукта715.2.1. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установкахлоткового типа715.2.2. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установкахтрубчатого типа725.2.3.
Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой вфотобиореакторах с гибкими мешалками.73Практическая реализация работы76ОСНОВНЫЕ ВЫВ0ДБ1:76СПИСОК ИСПОЛБЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ78ПРИЛОЖЕНИЕ 1.861.1 Описание тарировочного стенда для определениякоэффициента трубки.861.2 Гидродинамические измерения окружной скорости88ПРИЛОЖЕНИЕ 2922.1 Измерения энергозатрат на перемешивание в режимах,образующих полость92ПРИЛОЖЕНИЕ 33.1 Экспериментальные значения KLU983.1.1 Описание сульфитной методики973.2 Определение значения АГ^а при различном числе оборотов1043.3. Статистическая обработка результатов эксперимента.106ПРИЛОЖЕНИЕ 4Методика инженерного расчета108УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯа - диаметр аппарата, м;Н— высота слоя жидкости, м;Н^ —длина заглубленной поверхности лопасти, м;V— рабочий объем аппарата, м^;Р— коэффициент массообмена, м1с;р„ — коэффициент массообмена на границе полости, ж/с;— коэффициент массообмена пузырьков, м1с;— коэффициент вихревой диффузии, м^ 1с;D - коэффициент молекулярной диффузии, м^ 1с\Кксп.
— время экспозиции, с;^в — площадь пузырьков в объеме, м^;^^„ — площадь полости, м ;М — удельная скорость роста микроорганизмов, чX —концентрация микроорганизмов, кг/м^ ,(г/лУ,К — безразмерная константа;V —кинематическая вязкость жидкости, л^ /с;// — динамическая вязкость жидкости.
Па • с;V — скорость потока, м/с;Ь — коэффициент сопротивления;О) — угловая скорость мешалки, с"';р•**-1 — радиус полости, м;;^2 —радиус аппарата внутренний ( ^dJ2), м;So- центробежное ускорение, м/с ^;Р — плотность культуральной жидкости, кг/м";N—мощность на перемешивание, Л т ;^брутто - измеряемая мощность на валу, Вт;XX - мощность ХОЛОСТОГО хода (при вращении мешалки в пустомаппарате) Вт;п — частота вращения мешалки, об. с"';Z — число лопастей;"л — диаметр лопасти, м;^1 - линейная скорость, жидкости на границе полости м/,с;^м — площадь миделева сечения лопасти, м^';Ср —равновесная концентрация кислорода, растворенного в жидкости, г/л;— скорость потребления кислорода клетками, кгIм^ -с .л.
— концентрация сульфита натрия, растворенного в жидкости, г/л;t —время, с;dj^ — диаметр мешалки, м;"фKiP — объемный коэффициент массопередачи, ч~а — удельная поверхность фазового контакта, м~ ;dC^1 —удельная скорость абсорбции кислорода,Т—время, ч\Т— постоянная времени, с; Тч;ВВЕДЕНИЕПроблема несбалансированного, неполноценного питаниячеловека вРоссии, становится все более актуальной и необходимость ее решенияочевидна.
Один из возможных путей - биотехнологическое производствопиш;евых добавок на основе фототрофных микроорганизмов среди которыхнаиболее известны спирулина и хлорелла.Биологически активные добавки на основе этихфотосинтезирующихмикроорганизмов позволяют проводить профилактику и лечение многихтрудноизлечимых болезней человека, таких как атеросклероз, рак, стенокардия,пневмония, тромбофлебит, рак и др.Известно, что на мировом и российском рынке суш,ествует потребность вполучении сравнительно недорогой и в то же время высококачественнойбиомассы фотосинтезируюших микроорганизмов, содержаш,ей ряд ценных,незаменимыхорганических веш,еств, используемых в различных отрасляхнародного хозяйства.Фототрофные микроорганизмы широко производятсяво многих странах,прежде всего, в Нидерландах, Франции, Бельгии.
Испании, Израиле, в странахюго-восточной Азии, Африке, Индии, Китае, США и др.Известны и находят все более широкое применение для культивированияфототрофов полостные аппараты с гибкими перемешивающими устройствами,разработанные В.А. Жаворонковым [1], [3], [16], которые в настоящее времяеще мало исследованы.В ряде работ были предприняты попытки разработать методику расчетафотобиореакторов с гибкими мешалками, но до настоящего времени такойметодики, нет, и задача разработки такой методики является весьма актуальной.Основной темой данной работы является исследование гидродинамики имассообмена в фотобиореактрах с гибкими мешалками, а также разработкаполуэмпирическойметодикирасчетааппаратовдлякультивированияразличных фотосинтезирующих микроорганизмов (фототрофов) на основевышеуказанных исследований.Цель работы.
Исследование гидродинамических и массообменных процессовв аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами с целью получениярасчетных зависимостей для этих аппаратов и разработки на их основеметодики инженерного расчета.Основные задачи работы-Сравнительный анализ существующих фотобиореакторов применяемыхв биотехнологии для синтеза фототрофов,- Исследованиегидродинамическихи массообменныхпроцессов ваппарате с гибким перемешивающим устройством с целью разработкирасчетной методики.-Создание инженерной расчетной модели и проверка ее адекватности.-Экспериментальноекультивированиегибкими перемешивающимифототрофовустройствамиваппаратахсс целью сравнения саналогичными результатами, полученными в других фотобиореакторахНАУЧНАЯ НОВИЗНА-Исследованы особенностипроцессовв аппаратахгидродинамическихполостногои массообменныхтипа с гибкимимешалкамиполупромышленного масштаба.-Экспериментально определена в широком диапазоне чисел Рейнольдсазависимостьпараметровмощности,затрачиваемойнаперемешиваниепроцесса (числа лопастей, числа оборотовотмешалки,вязкости перемешиваемой жидкости)-Полученыкритериальныезависимости,позволяющиепровестипрогностический расчет энергетических характеристик мешалки дляламинарного и турбулентного режимов течения.-Экспериментально определено радиальное распределение окружныхскоростейиполученосоотношение,обобщающееэтиэкспериментальные данные для различной частоты вращения мешалки.Оценено значение скоростного лага-Разработана концепция определяющего влияния скоростного лага анкоэффициент вихревой диффузии и характерное время обновленияповерхности контакта фаз.
В рамках этой концепции для оценкикоэффициента массообмена на границе полости предложена формула вкоторой используется значение скоростного лага.Наосновеэкспериментоваппаратах спокультивированиюфототрофоввгибкими перемешивающими устройствами построеныкинетические кривые роста спирулины и хлореллы. Оценены основныекинетические параметры: скорость роста и предельно достижимаяконцентрация культуры в аппарате. Сравнение с известными излитературырезультатамипоказываетконкурентоспособностькультивирования фототрофов в полостных аппаратах в ряду другихспособов их выращиванияПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ- Впервые разработана методика инженерного расчета фотобиореакторовс гибкими перемешивающими устройствами.- Разработанлабораторныйспирулинана основерегламентполостногобиосинтезамикроводорослифотобиореакторас гибкимиперемешивающими устройствами.- Результаты диссертационной работы использованы при разработкеуниверсальнойучебно-исследовательскойкультивирования фототрофов по грантуустановкидляМинистерства образования инауки.- Разработанадействующаямодельустановкинаосновефотобиореактора с гибким перемешивающим устройством, отмеченнаядипломом участника Всероссийского форума «Образовательная среда 2004» .10АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:-Обоснование необходимости исследования гибких перемешивающихустройств.-Полученныекритериальныезависимости,позволяющиепровестипрогностический расчет энергетических характеристик мешалки дляламинарного и турбулентного режима течения.-Полученное соотношение, экспериментально измеренного радиальногораспределенияокружныхскоростейи.экспериментальные данные экстраполяцию дляобобщающуюэтиразличногочислаоборотов мешалки-Концепцию определяющего влияния скоростного лага на коэффициентвихревой диффузии и характерное время обновления поверхностиконтакта фаз и оригинальную формулу для оценки коэффициентамассообмена на границе полости, в которой используется значениескоростного лага.-Методикуинженерногорасчетаперемешивающими устройствами.фотобиореакторовсгибкимиГлава 1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1 Фототрофы - продуценты биологически активных веществ БАВПерспективными объектами культивированияChlorella, как наиболее широко известные изявляются Spirulina ифототрофов.
Интерес кспирулине, со стороны научного мира, возник с середины семидесятых и,особенно вырос в последние годы. В 1993 году под патронажем научноисследовательской группы всемирно известного океанолога Жака Ива Кустовыпущена монография Института океанографии в Монако ''Spirulina, algae oflife" ("Спирулина — водоросль жизни")[3].
Спирулина обладает рядомценнейшихкачеств,чтопозволяетназыватьее"микроводоросльюбудущего". Попытаемся кратко перечислить ее основные характеристики.Рис. 1.1. Трихомы микроводоросли спирулины.Свойства и состав спирулины достаточно хорошо изучены на сегодняшнийдень. Полученные в результате анализов данные позволяют сделать вывод овысокой пищевой ценности и прекрасной усвояемости этой водорослиорганизмом человека и животных. В ее клетках содержатся очень важные инужныечеловеческомуколичестварастительныхорганизмубелковвещества,и12начинаязаканчиваяцелымотбольшогокомплексомразнообразных витаминов и микроэлементов. В приведенной ниже таблице 1,дан краткий биохимический состав.Таблица 1.1Сравнительное содержание различных питательных веществ вфотосинтезирующих растеииях, употребляемых человеком в пищуSpirulinaChlorellaAphasicЯчмеиьПшеиицв%в%в%в%я в%Протеин65585825-4825Углеводы1823723-4054Жиры5962-54Минералы752315-2512Влага55655133405200 м.е.
6608 м.е.СоставВитамины (в мг па 10 г сух. Веса)Р-каротин2300 м.е.5550 м.е.м.е.Витамин С0,5153331Витамин Ё1 м.е.0,1 м.е.**3 м.е.Тиамин Bi0,310,170,030,130,10Рибофлавин В20,350,430,250,280,20Ниацин Вз1,462,380,651,060,75Витамин Вб80мкг140 мкг67 мкг30 мкг128 мкгВитамин Bi232 мкг13 мкг74 мкг*4,3 мкгФолацин1 мкг2,7 мкг*64 мкг108 мкгБнотин0,5 мкг19 мкг*4,8 мкг11 мкгПантотеновая к-та10 мкг130 мкг250 мкг240 мкгИнозитол6,4 мкг13,2 мкг**111521,65,7*Минеральные вещества (вмг на 10 г сух.
Веса)Кальций10022Железо1513140Л413Магний4032162220Натрий60007820Калий12090100888143Фосфор9090*6052Циик0,370,30,70,5Марганец0,5*0,30,61,0Медь120 мкг1060 мкг140 мкг140 мкгХром28мкг*60 мкг**Пигменты (вмг на 10 г сух. Веса)Фикоцианин1500Нет*нетНетХлорофилл11528030014955Каротиноиды37****Жирные кислоты и линиды (в мг на 10 г сух. Веса)у-линоленоваяк- 135НетНетнетНеттаГликолипиды200****Сульфолнниды4-10****Но мнению специалистов-диетологов одной из основных характеристиклюбого источника питания является наиболее полное соответствие егопитательных свойств потребностям человеческого организма. Это означает,что ценность состава пищевого продукта определяется тем, насколько тотспособен обеспечить необходимый для оптимального усвоения организмомаминокислотный состав.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
