Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами (1095049), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Аналог формулы Данквертса [82], в этом случае имеет вид(3.2)экспвремя экспозиции в рассматриваемом случае можно связать с временнымпромежутком между прохождением через жидкость двух следующих друг задругом лопастей, считая, что прохождение лопасти заменяет элемент жидкости,экспонируемый на поверхности свежим, т.е.__В исследованном нами диапазоне параметров Кксп. составляет несколькодесятых секунды.Таким образом, согласно, (3.1 - 3.3)Приведем пример расчета коэффициента массобмена на поверхностиполости для Z = 8 , ?7 = 600 об/мин (й?= 1 О/с)„ = o , 6 4" 3,14В биотехнологии [77]i0 , 0 1 6 = 2 , 10,205принято использовать так называемый объемныйкоэффициент массообмена ^ z, ^ .51Тогда объемный коэффициент массообмена на поверхности полостип- оценим как произведение коэффициента массообмена на границеполости на удельную поверхность полости --RrHуРп ,(3.5)где объем равен:a площадь поверхности полостиS^=2-7r-R^'H ,(3.7)Подсчитаем объемный коэффициент массопередачи{К, 'а)„ ='Д, =2,15-10 (м/с)= 0,186 - -3600 — = 6 6 8 - ^счасчасТаким образом, мы получаем расчетные значения объемного коэффициентамассопередачи приведенные в таблице 3.2.1.
и рассчитанные по значениямскоростных лагов, определенных по экспериментально измеренным полямскоростей (см. рис.2.2.2), с учетом экспериментально установленного факта,что скорость жидкости отстает от скорости мешалки на величину кратную 5 %от значения скорости мешалки. В таблице 1 также приведены значения К^а,определенные экспериментально с помощью сульфитной методики,(см.
Приложение 1, таблица 1.1).Экспериментальное определение объемного коэффициента массопередачиKi^a описано в разделе 3.352Таблица 1Расчетные значения объемного коэффициента маесопередачин P H Z = J{для различных режимов перемешиванияп,об/минN,Вт0)(1/с)(м/с)^ п расч .(1/с)м/с(м/с)(1/Ч)'30020,9131,44,296,4451 0,00740,0108174 0,01130,210,320,013840050060041,8952,3362,88,5810,7312,810,43385 0,0140,01447240,01450,02151235 0.02180,540,64(1/Ч)ПЭК.м/с0,0071200(1/с)3.2 Визуалъная оценка количества нузырьковНесущественность вклада пузырьков в массообмени0,0612200,0642300,0933350,0973500,1194280,124330,1254480,1254500,1856670,188611ихповерхности.Визуальные наблюдения за процессом показывают, что в аппарате при егоработе присутствует стабильное количество воздушных пузырьков примерноодинакового размера, образующих дополнительную межфазовую поверхность.Оценим ее вклад в общую интенсивность массообмена.В ходе исследований определено количество пузырьков возникающих ваппарате в процессе перемешивания при различном числе лопастей и приразной частоте вращения вала гибкой мешалки.
Количество пузырьковопределялосьметодомвизуальногоподсчетаколичествапузырьковпоцифровой фотографии, при известных параметрах фотосъемки.Съемки производились цифровой камерой Nikon - 421 на аппарате с рабочимобъемом 90л., заполненном водой, через прямоугольнуюпризму. Нафотографии выделялся объем соответствующий 1 л. Как можно видеть, на рис.533.1представлен единичный объем - 1 л. Здесь отчетливо видно пузырькивоздуха, которые легко подсчитать.В рассматриваемом случае массообмена принимаем по результатам подсчетаданных рис.
3.1 в одном литре жидкости количество пузырей равно« 5 3 « c o n s t . Средний размер пузырька по тем же наблюдениям составилdgT^i \5-2S)мм.Какпоказываютнаблюденияза работойгибкогоперемешиваюпдегоустройства, при рабочем режиме аппарата количество пузырьков воздухастабильно и его легко можно подсчитать.Итак, число пузырьков в объеме аппарата стабильно, объем равенКоличество пузырьков в аппарате равно:п =53-90 = 4760Площадь пузырьков в объеме5. = ^ . „ , = М ± ^ ^ . 4 7 6 О =0.0149.ЧТО на порядок меньше площади полостиS^=2'7r'R, -Н =0Газообмен на поверхности пузырьков можно определить по формулемассообмена для сдвигового потока [46].5/2 = 0,461 •Pe"'^(3.2.1)где^^ ~~- критерий Пекле,и54(3.2.2)D(3.2.3)- число Шервуда,Рис. 3.1 Фотография объема жидкости равного 1 л.М: 2/1, п = 400 об/мин, 53 пузырька / 1 лПринимаякоэффициент диффузиидвухатомногогазавводе[82]и оценивая2л- - п.^o660_In - 600= 62,83 - \60получаем, согласно (3.2.1 - 3.2.3),= 0,461 • л]О'С0 = 0,461 • V2-10-^-62,83 =1,63( ^ , < = у 9 , А .
1,63.10-^ •= 7,72-10"'• / = 0,278- V0,278 - ) / = {К,аХ « (К,а)„ = 667 ) /Таким образом, влияние пузырьков на массообмен незначительно. Поэтомуполагаем, что55Таким образом, полагаем, что основная зона газообмена в полостномаппарате - это поверхность полости.Порядок определения коэффициента массопередачи по балансовому способус определением скорости потребления сульфита в модельной системе.1.
В аппарате приготавливается модельная жидкость (водопроводная вода).2. Включается перемешивание с заданным по программе экспериментарежимомивыдерживаетсянекотороевремя,концентрациирастворенногокислородастабилизируются.стабилизациинавторичномприборепокапоказанияустанавливаетсяПослезначениеконцентрации растворенного кислорода 100 %.3. Фиксируется температура и показания тахометра. Затем быстро всыпаетсяв аппарат определенное количество сульфита натрия с катализаторомСи SO^ и включается секундомер.4. Далее через определенные промежутки времени фиксируются значенияконцентраций растворенного кислорода.При достижении установившегося значения концентрации растворенногокислорода, равной 95 %: от равновесной концентрации, останавливаетсясекундомер, фиксируются еще раз параметры процесса: температура, числооборотов мешалки по показаниям тахометра, после чеговыключаетсяперемешивание и заканчивается эксперимент.Для измерения массообменных характеристик аппарата использовалсяанализатор растворенного кислорода МАРК-201 ТУ 4215-001-39232168-98,который позволяет измерять концентрацию растворенного кислорода итемпературу воды.Область применения - контроль поверхностных и сточных вод, контрольпитьевой воды, рыбоводство, технологическиепроцессы в химической,биотехнологической и пищевой промышленности, учебные процессы.Тип анализатора:56амперометрический; с внешним поляризуюш;им напряжением; с однимчувствительнымцифровымэлементом; дискретногоиндикатором;сдействия; двухдиапазонный;автоматическойкоррекциейстемпературнойхарактеристики; погружной.Основные параметры анализируемой прибором МАРК-201 жидкости:- температура измеряемой жидкости,С0 — 50- давление, Мпа, не более0,2-содержание солей, г/дм ^0 — 40-рН4-12-скорость движения жидкости относительно мембраны, см/с, не менее5Пределы допускаемой основной приведенной погрешности анализатора приизмерении концентрации растворенного кислорода ± 2,5 % от диапазонаизмерения (О -200 % от насыщения), дополнительнойприведеннойпогрешности ± 1 %.3.4 Данные массообменных испытаниймешалкой, рабочим объемом 90 лфотобиореактора сгибкойУсловия проведения опытов:UJSOJ= 2 г / Л — начальная концентрация сульфита натрия;o^ ~ 0,25 г /л — концентрация катализатора - сульфата меди;^с»2 ' ^ — содержание кислорода, взятое в процентах от равновесного;п, мин— частота вращения вала;t,° С —температура воды;т,с— время опыта.57Таблица 3.1Сравнение экснеримеитальных и теоретических зиачении Kj^a взависимости от удельных затрат мощности нри различном числе гибкихлонастей Z'^L^среднийп,Ki а „портсорNv,Nv,Вт/м^Вт/м^Nv,Вт/м^'^L^jKcmpf^lfl-jmcepf^lAjKcnepСреднийсреднийсредний300200^L ^ теорI^L а теорNv,Вт/м^'^L^jfcncapсредний500400600(об/мин)24лоп271380542615687270867 3792733 5506044 62011211 69012лоп.2303605466422307008 лоп.
2202505674 лоп. 208210455365428222243349785503234085163201933 4104278 5202913924453001678 4003711 4505891336401842215411583804459013722522701153011633Зависимость коэффициента массопередачи отудельных затрат мощности700600500® 2 4 ЛОП• 12 ЛОП"^ 400• 8 ЛОПCO• 4лоп 130020010005101520Nv, кВт/мЗРис. 3.6.1 Зависимость объемпого коэффициепта массопередачи отудельпых затрат мощпости3.5.
Некоторые предпосылки к рассмотрепию газообмеиа каклимитирующего фактора роста фототрофов.Установлено, что интенсивность облучения суспензии микроорганизмовоказываетзначительноевлияниенаскоростьпротеканияпроцессовметаболизма в культуре. Это связано с тем, что длительность «световой», ^/, и«темновой», ^^, фаз фотосинтетического цикла существенно различаются.59Обычно ti «t^ и общая длительность цикла К ~ h "^ ^d ^ ^d (величинапорядка 10~^..Л0~'с).
Время акцепции клеткой диоксида углерода ^/величинапорядка10" с .Поэтомувидеалеобновление—освещеннойповерхности должно происходить с частотой, по величине соизмеримой сдлительностью световой фазы ^/ [32]. На практике достичь этого невозможнопо ряду объективных причин.Но, исходя из логики и здравого смысла, можно допустить предположение,что лимитирующейроли светоподводанет, так как при достижениинасыщающей освещенности повлиять на процесс фотосинтеза реально непредставляется возможным ни массообменными, ни гидродинамическимиметодами, поскольку ни в коей мере не сопоставимы временные и линейныемасштабы явлений.
Остается предположить, что при условиях наличияполноценной питательной среды и насыщающей освещенности, достаточнойдля инициирования световой фазы, лимитирующим фактором фотосинтезаявляется газообмен.Таким образом, одним из важнейших параметров для сравнения различныхпо типу фотобиореакторов можно считать их массообменные характеристики.60Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО КУЛЬТИВИРОВАППЮ ФОТОТРОФОВВ АППАРАТАХ С ГИБКИМИ ПЕРЕМЕШИИВАЮЩИМИУСТРОЙСТВАМИВ качестве фотобиореактора для проведения процесса культивированияиспользовалсяполостнойаппаратсгибкоймешалкой.Экспериментыпроводились на установке, оснащенной оборудованием для подачи газовоздушной смеси в аппарат. Установка была укомплектована блоком КИПа.4.1 Описание схемы эксиеримеитальной установки для культивированияфототрофовТехнологическая схема экспериментальной установки представлена на рис.4.1.
Она состоит из фотобиореактора (1), электродвигателя, приводящего вовращениемешалку(7). Для плавногопускамешалкииспользуетсятрансформатор (на схеме не показан). Установка снабжена баллоном дляабсорбционного газа (15), побудителемрасхода (4),воздуходувкой (18),ротаметрами (16), (И), вентилями (12), (13), Для поддержания нормальныхусловий жизнедеятельности культуры в установка оборудована системойтермостатирования, системой освещения..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
