Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения (1095123), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработка осветительной системы полостных фотобиореакторов.Показано, что для освещения биомассы из серийно выпускаемых ламп общего и специального назначения по величине светового потока и спектральному составу света можно рекомендовать металлогалогенные, галогенные и натриевые лампы высокого давления.Проведена экспериментальная оценка степени перегрева натриевых лампвысокого давления в неохлаждаемой защитной оболочке из кварцевого стекла.Показана необходимость их принудительного охлаждения.Для водяного охлаждения источника света, его защиты от загрязнения культуральной жидкостью, а также для регулирования спектрального состава светав инфракрасной области разработано теплообменное устройство из кварцевогостекла (водяной холодильник).
Изготовлен и испытан его экспериментальныйобразец для охлаждения одной лампы ДНат – 400 в фотобиореакторе объемом0,01 м3. Экспериментально установлен температурный режим работы осветительной системы, обеспечивающий ее надежность и приемлемый для высокопроизводительных термофильных штаммов хлореллы. Определено значениеудельного теплового потока q1 через внутреннюю стенку холодильника, соответствующее этому режиму.Исследована динамика падения освещенности по толщине слоя культуральной жидкости при изменении концентрации биомассы в процессе роста; обосновано применение условия постоянства освещенности поверхности светопоглощения для масштабирования полостного фотобиореактора; представленрасчет диаметра газовой полости.Для осветительной системы лабораторной модели полостного аппарата определены значения фотометрических характеристик и разработана методикаоценки мощности осветительной системы на основе модульного принципа еекомпоновки.При расчете мощности на освещение поверхности светопоглощения полостного фотобиореактора принято допущение, что из-за больших значений ускорения на поверхности газовой полости, ее форму можно считать цилиндрической.
Тогда диаметр газовой полости связан с диаметром реактора соотношением:d П = DР ·(1 − k )12(1)На основании анализа литературных данных, а также результатов культивирования хлореллы в лабораторном образце полостного фотобиореактора принятрасчетный интервал рабочих освещенностей ЕР поверхности светопоглощения.5В ходе фотометрических исследований экспериментального образца осветительной системы (лампа + водяной холодильник) определено расстояние l1,накотором распределение освещенности по высоте газовой полости соответствуетустановленному рабочему интервалу ЕР, т.е. получены основные фотометрические параметры осветительного модуля (рис.2). Получены данные для кварцево-галогенных и натриевых ламп высокого давления.Для обеспечения установленной величины ЕР на поверхности светопоглощенияи постоянства величины l1 лампы располагаются вдоль внутренней стенки водяного холодильника по окружности диаметром D с некоторым шагом r, величина которого устанавливается экспериментально.
Падение максимальногозначения ЕР между колбами соседних ламп при этом не должно превышать25%. В зависимости от высоты реактора лампы устанавливаются в один или несколько ярусов.Таким образом, общая электрическая мощность осветительного блока определяется в ходе конструктивного расчета по уравнению:N ОСВ =πr[⋅ WЛ ⋅ v ⋅ DP ·(1 − k )12]− 2(l1 + s + 0,5d Л + δ )(2)где ν – число ярусов в ламповом блоке; ν= f (DP /LЛ ).80-3Nосв·10 ,70Вт605040302010001k=0,72k=0,634V, мk=0,5Рис.3 Мощность, расходуемая на освещениеРис.2. Схема осветительного модуляВ качестве примера рассмотрен вариант компоновки осветительного блокаполостного фотобиореактора V = 0,1 ÷ 3,2 м3 из газоразрядных натриевых ламп6ДНат-400.
Зависимость мощности, расходуемой на освещение, от объема реактора (рис.3) в этом случае может быть представлена в степенной форме:N ОСВ = (40,3 − 36k )V 0,95(3)Уравнение (3) удовлетворительно описывает расчетные значения со среднеквадратичным отклонением 17%Удельный тепловой поток, через внутреннюю стенку водяного холодильника, является параметром, значение которого ограничивает ряд объемов полостных фотобиореакторов, подлежащих конструкторской разработке. Условие работоспособности водяного холодильника:q=K T · N ОСВ(π ·b·DP · DP (1 − k ) − 2l112)≤ q1(4)Расчет q по уравнению (4) (рис.
5) показывает, что водяной холодильникрассматриваемой конструкции обеспечивает соблюдение теплового режима работы осветительного блока на основе ДНат -400 для k =0,5 и 0,6 в пределах V =0,1÷0,5м3, а для k = 0,7 – при V = 0,1÷1,2 м3q, 10кВт/м2864200,511,522,533,5V, м3k = 0,5k = 0,6k = 0,7q = 7,25Рис.4. Изменение удельного теплового потока через стенку водяного холодильника при масштабировании фотобиореактора.Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостныхфотобиореакторов.Целью гидродинамических исследований являлось определение удельноймощности NV, расходуемой на перемешивание суспензии микроводорослей и7используемой в качестве параметра масштабного перехода при расчете геометрически подобных реакторов. Конструкция полостного фотобиореактора требует использования мешалок сравнительно большого диаметра (dм ~ 0,7Dр). Значения их окружной скорости в экспериментах достигает 10 – 11 м/с, что существенно превышает скорости, рекомендуемые для традиционных мешалок.
Однако, сведений о максимальной технологически допустимой величине NV впроцессе выращивания хлореллы не имеется. Это связано с округлой формойклеток и высокой прочностью клеточной стенки хлореллы, делающей ее нечувствительной к повышенным значениям сдвиговых напряжений, возникающихпри интенсивном перемешивании.Для проведения гидродинамических и массообменных исследований полостного биореактора V = 0,01 м3 использовалась экспериментальная установка(рис.
7) при отключенной осветительной системе. Фотобиореактор (1) исследовался в вариантах рис. 1а и 1б. Перемешивающее устройство приводилось вовращение шунтовым электродвигателем постоянного тока со стробоскопическим тахометром (10). Во время массообменных исследований термостатирование модельной жидкости осуществлялось ультратермостатом (7).Измерения мощности, потребляемой системой перемешивания, производились электрическим способом при загрузке реактора водой.Мощность, расходуемая на перемешивание, определялась для значений k=0,5, 0,6 и 0,7 и угловых скоростей вращения мешалки ω = 37,7÷125,7 с-1(рис.5).а)-324320NV ·10Вт/мб)-3NV·101403Вт/м1612322243816480030k = 0,5507090k = 0,6110ω , 1/с30k = 0,7k = 0,5507090k = 0,6110 130ω, 1/сk = 0,7Рис.5 Удельная мощность, потребляемая системой перемешивания а) при R =0; б) при k = 0,5 (1), k = 0,6 (2), k = 0,7 (3) и R = 0,05; 0,08 и 0,13 для каждого k.Минимальные затраты мощности на перемешивание получены при максимальном коэффициенте заполнения реактора (k = 0,7).
Это объясняется тем, чтопри большем рабочем объеме реактора гибкие перемешивающие элементывращаются в кольцевом потоке жидкости на большей глубине. Величина вол8нового сопротивления при этом минимальна и значение суммарного коэффициента сопротивления мешалки снижено.Для исследования влияния конструктивных изменений реактора на затратымощности и массообмен использован фактор оребрения R = JB/DP. В цилиндрической части корпуса реактора вплотную к стенке устанавливались 4 вертикальные перегородки, ширина которых меньше обычно используемой в реакторах с перемешиванием.
Были выбраны 3 варианта перегородок В = (0,013÷0,033)DР при значении R = 0,05; 0,08 и 0,13. Зависимость NV (ω) для k = 0,5; 0,6и 0,7 при R = 0 показана на рис. 5а, а при R = 0,05, 0,08 и 0,13 для указанныхзначений k – на рис. 5б.В модернизированном реакторе при значениях ω < 90 с-1 влияние как R, так иk на величину вводимой мощности незначительно.
При значениях ω > 90 с-1 определяющей является величина k, в то время как значение величины фактораоребрения невелико.Для расчета удельной мощности, расходуемой на перемешивание суспензиихлореллы в полостном реакторе V = 0,01 м3 с демпферной клетьевой мешалкойдля 0 ≤ R ≤ 0,13 и k = 0, 5 ÷ 0,7 при рабочих значениях ω ≤ 80 с-1предлагаетсявыражение:N V = (24 R + 13 )·10 −6 ·ω 3(5)Уравнение (5) удовлетворительно описывает данные эксперимента со среднеквадратичным отклонением 18%.При наименее энергоемком заполнении (k = 0,7) модернизация реактораприводит к увеличению мощности на перемешивание в среднем при R = 0,05 на 7 %, R = 0,08 - на 13 % и R = 0,13 - на 24 % для исследуемых пределов изменения ω.Оценка массообменных характеристик полостных реакторов по кислороду(величины М и KL) проводилась по модифицированной сульфитной методике сиспользованием датчика рО2, широко применяемой для моделирования аэробных процессов.
В автотрофном процессе культивирования хлореллы выделяющийся кислород должен интенсивно десорбироваться из культуральной жидкости, во избежание ингибирования фотосинтеза. В гетеротрофном - происходитассимиляция органических компонентов среды, с потреблением растворенногокислорода. Полостной фотобиореактор предназначен для проведения в замкнутой экологической системе жизнеобеспечения как автотрофного, так и гетеротрофного процессов.
Поэтому высокие значения массообменных характеристикреактора по кислороду важны в обоих случаях.Визуальное исследование течения в прозрачном полостном фотобиореакторепоказало наличие некоторого количества пузырьков, имеющих кавитационнуюприроду. Суммарная площадь их поверхности оценивалась величиной на полтора порядка меньше, чем площадь поверхности полости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
