Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами (1095049), страница 12
Текст из файла (страница 12)
2.4, сначала при вращении гибкой мещалки образуется воронка,которая при увеличении числа оборотов двигателя опускается к днищуаппарата (рис. 2.4) и затем замыкается, вытесняяРис. 2.2 Начало образования иолости при Z=24Экспериментальныеданныезатратмощностинаперемещиваниепредставленные в таблице 2.1. получены с использованием механическогометода измерений крутящего момента на валу двигателя мещалки припомощи известной системы мотор - весы.Полезная мощность, затрачиваемая на перемещивание, определена поформуле:^ - ^брутто ~^хх, где-^брутто.- полнаямеханическаямощность [Вт], N^ . мощность, расходуемая при холостом ходемещалки[Вт] (см.
рис. 2.1)Мощность, потребляемую на перемещивание, можно выразить какпроизведение угловой скорости мещалки ^ о на крутящий моментвозникающий на валу электродвигателя [31]:92^кр.,Рис. 2.3 Фото опускающейся к днищу аппарата воронки.Рис. 2.4 Фото рабочего режима неремещиванияпри сформировавщейся полости93Таблица 2.1Экспериментальные значения мощности N, (Вт)за вычетом затрат холостого хода842241612N,об/мин.лоп.лоп.лоп.лоп.лоплоп.501005144,2122,191,370,950,531506953482321322007871635149412501481351201069178300246222200174151129350375346306266230196400544501448385334284759691615533464389100993182272463152212631221107393182169716581536138712351047913450500550600Очевидно, что возникновение крутящего момента вызывается наличиемскоростного лага(разницы между скоростьюжидкости) и крутящиймешалки и скоростьюмомент равен моментусил гидравлическогосопротивления лопастей при их обтекании.N = M^^xoj,,где М^р- крутящий момент [Н 'м];вала [ с-I(2.1)0)Q _ угловая скорость вращения].(2.4)где Fcp.- усредненная сила, действующая на чашку весов [//]; /? - плечоприложения силы \м\.CD Q = 2я-« ,где П - частота вращения мешалки [с" ].94(2.5)Подставляя (2.4) и (2.5) в (2.3), получаем выражение для определениямощности:" Я -мX 2л:п =N=(2.6)При проведении экспериментов плечо приложения силы составляло/г = 0,1 Юл/.Результаты измерений затрат мощности с варьированием числалопастей представлены в графической форме на рис.
2.5.Затраты мощности на перемешиваниепри различном числе лопастей(за вычетом затрат холостого хода)1800160014001200j'ШI ч/А3 1000;II о^ 800С600•алжX•24 лоп !16 лоп!12 лоп8 лоп4 лоп2 лоп400 200. _„о•шт100200300400500 600N,BmРис. 2.5 Затраты мощности на иеремешивание в зависимости отчисла оборотов мещалки.95Таблица 2.2Значения мощности, рассчитанные по формуле (2.14) — числитель (Вт) иэкспериментальные значения - знаменатель (Вт)N расчет, ВтiV эксперимент, Вт8 лоп4 лоп.2 лопЯ,12 лоп24 лоп.16 лоп.об/мин•13665327249411007978 1,64% 731341502148 1,33% 1351,37% 63 4,54%125150,74% 120 4%511081063,77%21,85%30025024638262,4%13223222341207170,45% 200 3,38%317551761742652122271531,14% 151 1,33% 129 5,73%1195236613503753,4%3462660,38% 230 2,54% 196 0,51%400510И555544 1,98% 501774156911,47% 306 1,57%4732591,76% 448 5,28%6440293923855452822763401,79% 334 1,76% 284 0,7%12475411 3935337407249512,2%243,24%20200250450500550600615 4,5%0%759 1,94% 69161057 48859379251009 4,5% 931 0,64% 822 4,5%14 1119 4612071349864992910%11,1%0%4128078 2,56%464 2,32% 389 1,01%52756343631 0,47% 522 0,95%1068778281263 6,37% 1221 1,15% 1073 4,11% 931 2,1% 821 0,85% 697 1,45%1720 6215361433 4603212804518 88110651658 3,6% 15360% 1387 3,31% 1235 3,51% 1047 1,69% 913 3,62%Расчеты по прогностической формуле позволяют оценивать мощность сосредней погрешностью 3 - 5 % в до всем диапазоне рабочих скоростей ваппарате.96ПРИЛОЖЕНИЕ 33.1 Экспериментальные значения Kia онределенные при различномчисле лопастей.3.1.1 Описание сульфитной методикиПроцессы массопередачи в аппаратах с механическим перемешиваниемхарактеризуютсяТеоретическийнесовершенствакрайнейанализсложностьюэтихприменяемыхгидравлическойпроцессовметодик.серьезноПоэтомуобстановки.затруднениз-заэкспериментальныеисследования остаются на сегодня основным методомпри изучениимассообмена в аппаратах с механическим перемешиванием.Для экспериментальной оценки массообменных характеристик реакторамогут быть использованы известные методы исследования на модельныхсредах, а также методы, позволяющие определять данные характеристикинепосредственно на ферментационной среде.
Наибольшее распространениеввиду простоты и доступности получил сульфитный метод определенияскорости абсорбции кислорода на модельной среде сульфит натрия — вода[50].Сульфитный метод основан на каталитическом окислении сульфитанатрия кислородом воздуха в присутствии ионов меди. Применение вкачестве модельной среды водного раствора сульфита натрия объясняетсяследующим:1) по своим физико-химическим свойствам аэрированный раствор сульфитанатрия(сульфатанатрия)близоккаэрированнымсуспензияммикроорганизмов с содержанием сухого вещества до 2 %;2) сопротивление процессу массопередачи кислорода из газовой фазы враствор сульфита натрия сосредоточено в жидкой фазе, аналогичнопроцессу массопередачи из газовой фазы в культуральную жидкость;3) при определенных условиях (при концентрации катализатора CuSO^выше \Q~^кМоль Iм^ и концентрации сульфита натрия A^^j-iSO, в растворе97выше 0,03кМоль Iм^) кислород в массе жидкости находится в основном всвязанном состоянии; поэтому при расчетах коэффициента массопередачирабочая концентрация кислорода в жидкости Спринимается равнойнулю.Главным преимуш,еством сульфитной методики является равенствонулю, либо близость к нулю концентрации поглош;аемого компонента вжидкости, а также независимость скорости поглош;ения кислорода отконцентрации сульфита натрия в растворе.
Все это дает возможность четкоопределять движущую силу процесса и проводить опыты без протока пожидкой фазе. Поэтому опыты на этой системе велись без протока жидкостичерез аппарат (нестационарная методика).Даннаяаэробногометодикаприменяетсякультивированиядляширокогомикроорганизмов, т.к.классадлянихпроцессоввопросыкислородного снабжения клеток являются определяющими. В этом случаецелесообразно характеризоватьферментеры различного класса такимипоказателями, как объемный коэффициент массопередачи по кислороду(К^а)^скорость сорбции кислорода (-^о^ ~^ь^'^^),степеньегоУ ~Уиспользования ( ^о^ ~ ~^~ ) и обобщающим показателем затрат энергии наУкединицу переданного кислорода (^о^ -—) [57].
Важнейшей массообменной характеристикой биореакторов для оценкискорости происходящих в них биохимических реакций в присутствиимикроорганизмовпринятосчитатьобъемныйкоэффициентмассопередачи ^^;^й!.Если принять сульфитнуюметодикуза основу, то для оценкимассообменных характеристик аппаратов будут существенны следующиепараметры [51]: осредненная по объему аппарата удельная98скорость3KZO.IMHdCабсорбциикислорода—;—,И объемныйкоэффициентатмассопередачи К-^а, ч~\ где:а — удельная поверхность фазового контакта, м "';К. 1^ — поверхностный коэффициент массопередачи, м I ч .Впредположенииполости,неизменностидифференциальноеи равнодоступностиуравнениеповерхностиабсорбционногогазообменаподаваемого в аппарат воздуха с перемешиваемой в объеме аппаратакультуральной жидкостью имеет вид:(3.1.1)=К,а-(С'-С),гдеС* — концентрациякислородав жидкости,равновеснаяпарциальному давлению кислорода в газовой фазе, кг / м^;С — концентрация растворенного в жидкости кислорода в некоторыймомент времени.Начальным условием для уравнения (3.1.1) является условие:C = C^^ при Г = 0 ,(3.1.2)отвечающее тому факту, что согласно основной идее сульфитнойметодики, в начальный момент времени значительная часть кислорода,присутствовавшего ранее в жидкости, оказывается связанной введеннойпорцией сульфита натрия, так что начальная концентрация кислорода вжидкости Cf^ оказывается суш;ественно меньше равновесной концентрацииС*.
Тем самым создается движущая сила процесса поглощения жидкостьюкислорода из воздуха. С учетом С « О :dC*- ^ = ^ L ^ ' ^•(3.1.3)Используя представления о данной реакции, как хемосорбционномпроцессе, можно записать:99^^aKCгдеК—,(3.1.4)коэффициент ускорения абсорбции кислорода за счетхимической реакции, влияющей на расиределение концентрации кислорода уповерхности раздела фаз.Необходимо отметить, что эксперименты с поглощением кислородавоздуха раствором сульфита натрия приводят к значительному завышениюобъемных коэффициентов массопередачи по сравнению с измеряемыми прифизической абсорбции.
Причиной ускорения адсорбции является, наряду сускоряющим влиянием быстрой реакции, обнаруживаемое в экспериментахзначительное увеличение газосодержания и удельной поверхности контактафаз, вызванное присутствием в растворе электролита. В настоящее время нетединого мнения о том, сохраняется ли величина К в достаточно широкомдиапазоне условий перемешивания. Так, по данным полученным М.Злокарником [61] для растворов электролитов, в том числе и сульфитанатрия, значение К зависит от концентрации раствора солей и зависимостькоэффициента усиления представляет собой S — образную кривую.
ЗначенияК изменяются от 1 до 10, а при концентрации сульфита равной 2 г/л, как этовыбрано в условиях нашего эксперимента К = 1,2.Таким образом, применение сульфитной методики позволяет оценивать исравнивать ферментационную аппаратуру по величине скорости сорбции намодельной среде, а также определять значение коэффициента массоотдачи покислородухимическойпри физической абсорбции с учетом ускорения процессареакцией.Рядэкспериментальныхметодовоснованнаизмерении концентрации растворенного в среде кислорода.
В этом случаеобщее уравнение баланса имеет вид:g^^,где Яоз — скорость потребления кислорода клетками, кгПри условии йо2 ~ ^ уравнение принимает вид:100(3.1.5)(3.1.6)K { C C )ЗначениекоэффициентаудобноК^^аполучитьграфическимпостроением. Интегрируя выражение (3.1.6), с начальным условием С = Опри г = О , получим:(3.1.7)\п{С* -С) = \пС* -К^^а-т.Тогда на графике в координатах 1п(С — С ) -ь г тангенс угла наклонаопределит значение t^i^a.Интегральный методпредполагаетпостоянной величинускоростипотребления кислорода клетками (йо^) в течение короткого промежуткавремени.Расчетноевыражениеполучаетсянепосредственныминтегрированием уравнения (3.5) с начальным условием С = О при г = О :In 1 -С* -goЭкспериментальные(3.1.8)IК,аисследованиямассобменапроводилисьвиспытуемом аппарате с использованием модифицированной динамическойсульфитной методики.В ходе эксперимента концентрация растворенного кислорода постоянноизмеряется при помощи мембранного кислородного датчика, помещенного ваппарат, и регистрируется анализатором растворенного кислорода (МАРК 201).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
