Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами (1095049), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Это связано с тем, что применениефотобиореакторовпланируетсядлясозданиязамкнутыхсистемжизнеобеспечения, основным звеном которых будет являться цикл развитияфототрофных микроорганизмов, являющихся, как известно, продуцентамирастительнойпотребителямибелковойразличныхбиомассы,молекулярногоотходоворганического34кислородаипроисхождения.Планируется применение таких замкнутых экологических систем (CELSS) вдлительных космических полетах с участием человека.
Фототрофы могутслужить в такой системе в качестве пищи для различных моллюсков,планктона, которыми в свою очередь питаются рыбы, а также в качествепрекрасной пищевой добавки для самого человека. Выделяемый имикислород будет участвовать в естественном газообмене. Фототрофы могутутилизировать отходы человеческой жизнедеятельности, а это очень важно взамкнутых системах [19]. Принцип глубинного метода культивированиядовольно прост.
Суспензия микроорганизмов обрабатывается в замкнутомобъеме реактора с применением искусственного освещения. Массообменосуществляется за счет перемещивания с помощью различных конструкциймещалок. Освещение и перемещивание могут быть организованы поразному.Воздух + COjРаствор питательных сопейrТитрующий агентИсточники света_^ Охл. жидкость^OQ,. Охл.
жидкость\Воздух *С02\Слив суспензииРис. 1.3.6 Схема аппарата с погружными источниками света.На схеме (рис. 1.3.6) представленаконструкция одного из аппаратов спогружными источниками света [20].Он выполнен в виде цилиндрическойемкости с укрепленными на верхней крыщке прозрачными "стаканами", вкоторых размещаются источники света.35Подачавоздухавсмесисдиоксидомбарботерами, а перемешивание суспензииуглеродаосуществляетсяфототрофов —лопастноймешалкой.Американскими учеными в Мичиганском Университете (США) попрограмме создания замкнутых систем жизнеобеспечения в космосе (CELSS)был разработан компактный фотобиореактор, пригодный для использованияв обитаемых космических спутниках [21].Конструкция аппарата основана на использовании световодов в качествеисточников света и внешнем цикле газообмена для повышения газообмена вжидкой фазе [22].Известно, что весьма перспективным направление в создании аппаратовглубинного типа являются фотобиореакторы полостного типа [23].
В этомаппарате реализован принцип совмеш;ения зон светоподвода и абсорбциидиоксида углерода клетками фототрофных микроорганизмов.Это позволило избежать многих недостатков, присущих аппаратамглубинного типа. Такое техническое решение позволяет интенсифицироватьпроцесс культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов за счетвысокойкратностивозможностьобновленияпроводитьосвещенногокультивированиеслоясуспензии,при значительныхдаетрасходахгазовой фазы, с повышенной освещенностью, с подводом в реакционнуюзону лучистой энергии с различными спектральными характеристиками и т.д.Фотография полостного фотобиореактора представлена на рисунке 1.3.8Основным новшеством представленного реактора было применение в немдля перемешивания гибкой мешалки типа "Беличьего колеса".
Такаяконструкция мешалки позволяет обеспечить подвод световой энергии в зонуактивного массообмена и обновления освещенной поверхности. В полость,образуемую гибкой мешалкой при вращении, помещают источник света иподаютгазо-воздушную смесьнеобходимогосостава. Перемешиваниегибкой мешалкой обеспечивает высокую кратность обновления освещенного36(рабочего) слоя, соответственно увеличивая при этомскорость ростафототрофных микроорганизмов.Рис. 1.4.8 Фото действующего полупромышленного образцаполостного фотобиореактора с гнбкой мешалкойСкорость протекания фотосинтетических реакций в аппарате с гибкимпрермешивающимустройством,применяемомдлякультивированияфототрофов, таких как Spirulina placetis и Chlorella vulgaris, как показываютэкспериментальные данные, имеетвысокое значение, о чем говорят -результаты по выходу продукта — достигнута концентрация биомассы 3,0 4,0 г / л X сут.
[24].1.4. Сравнительная характеристика фотобиореакторовПроведен сравнительный анализ работы реакторов различного типа прикультивировании наиболее известного из фототрофов - спирулины (лотковыхфотобиореакторов,открытыхбассейнов,погружнымиисточникамиустановлено,что полостные реакторыустройствамипревосходятсветатонкослойных,и полостныхфотобиореакторов)с гибкимивсе остальныетрубчатых, сиперемешивающимипо несколькимпоказателям(таблица 1.4.1). Они предпочтительнее других аппаратов с точки зрения ихвысокой продуктивностии с точкипроведение процесса культивирования.37зрения низких энергозатрат наОбычно производительностьв лотковыхустановкахколеблетсявпределах от 4 до 8 г1 м^ • сут.
(завод по производству спирулины в г.Николаев, Украина), по хлореллеВ трубчатых фотобиореакторах величина удельной производительностисоставляет не более 2,5 - 3 кг / м'^ - сут.Вполостныхаппаратахсгибкимимешалкамиудельнаяпроизводительность достигает 3 - 4г / л • сут. (3 кг I м^ • сут.) и выше, чтохарактеризует преимуш;ество этого способа культивирования по сравнению страдиционными методами получения спирулины. В приведенной нижетаблице 1.4.1 сведены данные по основным типа реакторов, применяемыхпри культивировании спирулины.Таблица 1.4.1.Сравнительные характеристики фотобиореакторовПоказатели№Тип аппаратаУдельныеэнергозатратыПродуктивностьЛитературныйисточниксут.кг1 м ^сут кВт-ч1 м'1Лотковый0,161,6x10'23,02,4x10'3ТрубчатыйаппаратПогружной1,60,155x10'4Полостной1,85Полостной2,0ЖаворонковБолсуновский идр., 19940,120x10'. Жаворонкови др., 1987Ворд, Миллер,1967, 1984«Технология...», 1984Огучи, 19910,120x10'Очевидно, что фотобиореактор с гибким перемешивающим устройством,наиболее предпочтителен для культивирования фототрофов по параметрам38продуктивностииудельныхэнергозатрат,всравнениисдругимиаппаратами, применяющимися на сегодняшний день в производстве.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИНа основе анализа существующегооборудования для производствафототрофов можно утверждать, что наиболее приемлемыми с учетомтребований по созданию интенсифицированного массообменного процесса, атакже с точки зрения обеспечения компактности разрабатываемых установокявляются полостные аппараты с механическим перемещиванием, но насегодняшний день не существует методики их расчета [20, 23].
Дляразработкиметодикирасчетатакихаппаратовнеобходиморешитьследующие задачи:- Сравнительныйанализсуществующихфотобиореакторов,применяемых в биотехнологии для культивирования фототрофов.- Исследоватьаппаратегидродинамическиеимассообменныес гибкими перемешивающимипроцессыустройствамисвцельюразработки расчетной методики.- Создатьинженернуюмассообменныхрасчетнуюмодельпроцессов в аппаратегидродинамическихии провести проверкуееадекватности.- Экспериментальноекультивированиефотобиореакторесгибкойаналогичнымирезультатами,фототрофовмешалкойсвцельюполученнымиполостномсравнениявсдругихфотобиореакторах.Основнойтемойданнойработыявляетсяисследованиегидродинамических и массообменных процессов в аппаратах с гибкимиперемешивающимиустройствамисцельюполучениярасчетныхзависимостей для этих аппаратов и разработки на их основе методикиинженерного расчета.39Глава 2.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОЛОСТНЫХФОТОБИОРЕАКТОРОВ С ГИБКИМИ НЕРЕМЕШИВАЮЩИМИУСТРОЙСТВАМИ2.1 Экспериментальная установка для проведения исследованийВ ряде исследовательских работ изучались пути снижения энергозатрат напроцесс перемешивания при культивировании фототрофов в аппаратахполостноготипасискусственнымиисточникамиосвещения-фотобиореакторов [34]. Известно, что использование гибких мешалок, посравнению с турбинными, позволяет снизить мощность, затрачиваемую наперемешивание в аппаратах на 15 - 20 % [90].Это объясняется особойгидродинамической структурой потока в аппарате, которая образуется приопределенных режимах работы.Экспериментальнаяустановкадлякультивированияфототрофовсостоит из фотобиореактора (1), который представляет собой обечайку свстроенным теплообменником. Гибкая мешалка (11) приводится в действиедвигателем постоянного тока (2), образует полость, в которую помещаютмощныйисточник света (70 - 400 Вт) (4).
В данном случае поверхностьобразуемойполостиявляется рабочей:на ней происходитфото- игазоабсорбция. Подача двуокиси углерода и воздуха осуществляется из черезспециальный штуцер непосредственно в полость. При проведении процессакультивированияфототрофовнеобходимотемпературныйрежимобеспечиваетсяс помощью теплообменника. В случаеосуществляетсякультуральнойподдерживатьподогревжидкостикультуральной(35жидкости-стабильный37^С), чтонеобходимостиэлектрическимнагревателем (на схеме не обозначены).Измерение затрат мощности на перемешивание в полостном аппаратеосуществлялось с помощью довольно распространенной в 60 годы прошлогостолетия системы «мотор - весы».40.БИБЛИОТЕКА~220V~220VРис.
2.1. Схема экснериментальной установки для культивированияютотрофовРис. 2.2 Фото экснериментальной установки для культивироваиияфототрофов с рабочим объемом 90 л41Принцип работы этой системы заключается в том, что момент,возникающий на валу двигателя, передается свободно закрепленному настойке статору электродвигателя (статор свободно вращается относительноротора в диапазоне » 45 °), и посредством системы блоков, соединенныхстальным тросом с лабораторнымивесами. Затем крутящий моментпередается на чашку лабораторных весов в виде тяглового усилия, котороеопределяетсяуравновешиваниемчашеквесовприпомощинабораразновесов. Далее уже путем вычислений, легко находится крутящий моментна валу. Данная система удобна для измерения динамических нагрузок и нарис.
2.1 она условно обозначена позицией (8).В верхней части аппарата был размещен датчик растворенногокислорода (3) который был постоянно погружен в жидкое кольцо полости. Спомощьюдатчикаизмерялосьпроцентноесодержаниерастворенногокислорода по отношению к равновесному в любой момент времени. Дляфиксации показаний датчика использовалось самопишущее устройство (5).Подвод смеси диоксида углерода и воздухав аппарат осуществлялся вверхней части аппарата через специальный щтуцер (на схеме не обозначен).Газо-воздушная смесь нагнеталась компрессором (6), при этом расходизмерялся при помощи поплавкового ротаметра (10) и регулировался взависимости от конкретных требований эксперимента.Данная установка была использована в первой серии экспериментовдля измерения затрат мощности на перемешивание. При этом основныепоказания снимались при помощи системы «мотор - весы». Число оборотовмещалки регистрировалось при помощи механического тахометра (9),который был тарирован стробоскопическим методом.Этот же экспериментальный стенд может быть использован и дляпроведенияопытовпоопределениюмассообменныххарактеристик(объемного коэффициента массообмена К^а) фотобиореактора с гибкимперемешивающимустройством.Опыты42пооценкеэффективностимассообмена в жидкой фазе проводились на системе 0,0027V водногораствора сернистокислого натрия (сульфита натрия) - воздух.2.2 Поле скоростей в иолостиом аппаратеДля установления характера течения в аппарате был применен методвизуализации течения с помощью малых частиц - меток, вводимых в поток, споследующим фотографированием треков аналогично [30].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
