Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения (1095123), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поэтому, при значе-9ниях вязкости суспензии, близких к вязкости воды, вкладом диспергированнойгазовой фазы в общий газообмен реактора можно пренебречь.3KL·10м/с5040302010005101520-3R=0R = 0,08NV·10R = 0,05R = 0,133Вт/мРис.6. Зависимость коэффициента массопередачи от удельной мощности, вводимой на перемешиваниеТаким образом, в отличие от барботажных биореакторов с газораспределительными устройствами, в полостных аппаратах площадь поверхности фазового контакта легко оценить геометрическиFП = π ·DP2 (1 − k )12,(6)и применять для их массообменного расчета основное уравнение массопередачи, включающее поверхностный коэффициент массопередачи KLЗависимость KL(NV) определялась для энергосберегающего варианта заполнения биореактора – k = 0,7.
Для расчета KL предлагается степенная зависимость, являющаяся описанием экспериментальных кривых (рис.6) для 0 ≤ R ≤0,13:K L = (2,65 + 38,9 R )·10 −3 · N V0 , 65(7)Уравнение (7) удовлетворительно описывает данные экспериментов со среднеквадратичным отклонением 11%.101. Полостной фотобиореактор.2. Баллоны с СО2 и азотом.3. Газовый смеситель.4. Компрессор.5. Газоанализатор СО26. Компрессор для продувки газоанализатора.7. Термостат культуральной жидкости.8. Термостат для охлаждения источника света.9. Блок управления источником света.10.
Блок управления двигателем.11. Конденсатор.Рис. 7. Схема экспериментальной установки.Глава 6. Технологические исследования полостных фотобиореакторов.Исследована работа полостного фотобиореактора в процессе автотрофноговыращивания хлореллы на экспериментальной установке (рис. 7), разработанной для аппаратов объемом до 0,01 м3.а)X,г/лб)6105Концентрация СО2, %864243210002040600204060τ, чτ, чРис. 8.
Накопительное культивирование хлореллы.а) ростовые показатели; б) динамика утилизации CO2.Ростовые показатели процесса, а также динамика утилизации СО2 определялись в ходе накопительного культивирования в гладкостенном полостном аппарате V =0,0045 м3 а также в аппарате V = 0,01 м3 в гладкостенном и модернизированном (R = 0,08) вариантах с лампой КГМ 220-500 (ЕР = 130 клк) с водяным охлаждением.Двухконтурная система приготовления и циркуляции газовой смеси содержала баллоны с углекислым газом и азотом, смеситель, компрессор и газоанализатор СО2. Приготовление и подача очередной порции газовоздушной смесив циркуляционный контур производились вручную по мере естественного падения концентрации СО2. В ходе процессов культивирования контролировалисьскорость перемешивания, напряжение в цепи источника света, концентрациябиомассы, температура, рН и рО2 в культуральной жидкости, а также концентрация СО2 в газовом контуре. Температура культуральной жидкости поддерживалась автоматически.
Динамика роста биомассы до X =8,2 г СБ/л и потребления СО2 в реакторе V = 0,0045 м3 показана на рис.8. Максимальное значениепродуктивности реактора по биомассе G = 3,3 г СБ/л·сутки соответствует X =2,5 г СБ/л. Средняя производительность по поглощению СО2 – 3,4 л/л·сутки, по12выделению О2 - 4,6 л/л·сутки. Эти показатели использованы в качестве исходных данных для расчета системы освещения, а также объема, производительности и потребляемой мощности фотобиореактора для работы в составе замкнутой экологической системы жизнеобеспечения.Серия кратковременных экспериментов (рис.10) с фотосинтезирующейкультурой (хлорелла) поставлена с целью исследования скорости утилизацииСО2 при максимальном и пониженном начальном значении pO2 в культуральной жидкости при различных условиях ее перемешивания в реакторе V = 0,01м3.
Из-за отсутствия возможности отбора фотосинтетического кислорода из газового контура, производилась его продувка азотом перед приготовлением очередной порции газовой смеси.а)б)CO2 7% 6CO2 7% 65544332211000246108τ, ч223рО2 120%10046485τ, чрО2100%808060604040202000021462Газовая смесь:1 – Воздух + СО22 – Воздух + азот + СО208τ, ч2344658,τ чГазовая смесь: Воздух + азот + СО23 – n1 = 10 об/с,4 – n2 = 11 об/с, 5 – n3 = 13 об/сРис.10. Влияние фактора оребрения на скорость утилизации СО2 а) для R = 0;б) R = 0,08.131.
Гладкостенный фотобиореактор. (R = 0). Поглощение СО2 из газовоздушной смеси без предварительной продувки азотом. Скорость вращения мешалкиn = 10 об/с, (KL = 5·10-3м/с). В процессе культивирования рО2 ≥ 100 %. Динамика снижения концентрации СО2 в атмосфере реактора показана на рис.10а. Скорость утилизации СО2 уменьшается по мере его потребления, составляя в среднем - 0,68 л/ч2. Гладкостенный фотобиореактор. (R = 0).
Поглощение СО2 из газовоздушной смеси с пониженным начальным содержанием О2. При предварительнойпродувке газового контура азотом в культуральной жидкости устанавливализначение рО2 = 20 %. Скорость вращения мешалки n = 10 об/с (KL =5·10-3м/с).Дугообразная форма графика падения концентрации СО2 сохранялась, однакосредняя скорость утилизации СО2 увеличивалась за счет пониженных значенийрО2 в культуральной жидкости и достигала 0,85 л/ч.3.
Модернизированный фотобиореактор. (R = 0,08). Поглощение СО2 из газовоздушной смеси с пониженным начальным содержанием О2. Газовоздушнаясмесь с предварительной продувкой контура азотом до рО2 = 20 % в культуральной жидкости. Динамика снижения концентрации СО2 для скоростей вращения мешалки n1 = 10 об/с (KL = 12·10-3м/с); n2 = 11 об/с (KL = 14·10-3м/с) и n3 =13 об/с (KL = 16·10-3м/с) представлена на рис. 10б.
Скорость утилизации СО2становится постоянной. Для указанных n ее среднее значение составило 0,88л/ч.Таким образом, при работе реактора на малых концентрациях СО2 (1÷6,5%)снижение парциального давления кислорода в газовой смеси уменьшает ингибирующее действие фотосинтетического кислорода и увеличивает среднююскорость утилизации СО2 на 25 %. Наличие конструктивных изменений реактора в этих условиях мало влияет на процесс фотосинтеза, увеличивая среднююскорость утилизации СО2 на 3,5 %.
Однако, для фотобиореактора VP = 0,14 м3,работающего в системе жизнеобеспечения, увеличение суточного объема утилизации СО2 при этом также составит 3,5 %, что является важным показателемиз-за жестких требований к соответствию коэффициентов ассимиляции хлореллы и дыхания гетеротрофных составляющих системы.Кроме того, показано, что при работе гладкостенного полостного реакторана высоких концентрациях СО2 (до 100%) наблюдается сильное ингибированиероста хлореллы высокими значениями рО2, в культуральной жидкости, чтотакже обуславливает преимущественное применение модернизированного полостного фотобиореактора в системах жизнеобеспечения.Основные результаты и выводы.1.
Проведена модернизация конструкции и расчет полостного фотобиореактора,обеспечивающего повышение его массообменных и эксплуатационных характеристик.142. Разработана система искусственного освещения полостного фотобиореакторас принудительным водяным охлаждением, обеспечивающая сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодовкультивирования микроводорослей.3. Предложенная методика фотометрических исследований осветительной системы позволяет оценить необходимую мощность для освещения суспензии вреакторах различных объемов при использовании различных искусственныхисточников света.4.
Показано, что фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фотобиореакторов является конструкция и режим работы холодильника осветительного блока.5. При использовании в полостном фотобиореакторе оптимальной системы освещения на основе натриевых ламп, энергозатраты составляют в среднем - 82 %на освещение и 18 % на перемешивание.6. Предложенная конструктивная модернизация полостного фотобиореакторапозволяет улучшить его эксплуатационные характеристики, а также интенсифицировать массообмен по кислороду в 2–3 раза при увеличении энергозатратна перемешивание на 7-25 %.7.
На основании технологических исследований образца полостного фотобиореактора показано, что его суточная газообменная производительность при рабочем объеме 0,14 м3 соответствует потребностям одного человека. Прогнозируемая потребляемая мощность составляет 4,5 кВт, что в 6,5 раз ниже мощности, потребляемой трубчатым фотобиореактором аналогичного рабочего объема и производительности.Основные условные обозначения.В – ширина отражательной перегородки, м;b – коэффициент высоты водяного холодильника;DР – внутренний диаметр реактора, м ;EР – рабочая освещенность поверхности светопоглощения, лк;FП – площадь поверхности газовой полости, м2;J – количество отражательных перегородок;KL –коэффициент массопередачи, м/с;k – коэффициент заполнения реактора без учета объема осветительного блока;KT – коэффициент теплового действия источника света;LЛ ,dЛ - длина и диаметр колбы лампы, мм;М – удельная скорость сорбции кислорода, кг О2 /м3·чNV – удельная мощность, расходуемая на перемешивание, Вт/м3;NОСВ – мощность, расходуемая на освещение, Вт;q- удельный тепловой поток, Вт/м2;R – фактор оребрения;V – полный объем реактора, м3;15VР –рабочий объем реактора, м3;WЛ , - электрическая мощность лампы, Вт;X – концентрация сухой биомассы микроводорослей, г АСБ /л ;η – к.п.д.
источника света;ω – угловая скорость, с -1;Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:1. Gladyshev P.A., Karlov S.P., Kazenin D.A., Zhavoronkov V.A. A new type ofapparatus – cavity photobioreactor. // Mixing in chemical and bioreactors: Abstr.International symposium - Riga, 1992. - Р 19.2. Gladyshev P.A., Kazenin D.A., Shitikov E.S., Zhavoronkov V.A.. A specificcharacter of the transfer processes in the photobioreactors // Mixing in chemical andbioreactors: Abstr.
International symposium - Riga 1992. - Р. 18.3. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Карлов С.П., Гладышев П.А., Махоткина Т.А.Аппарат для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Патент SU1828660 АЗ С12М, А.с. № 842104 // Б.и. – 1992 № 26.4. Гладышев П.А., Крамм Э.А., Глушко С.Н. Установка для изучения гидравлических и массообменных характеристик пленочных фотобиореакторов.// Тез.Докл.XLVI науч.-техн. конфер.
МГАХМ. – М, 1995 - С. 32-33.5. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Карлов С.П., Шитиков Е.С., Глущук Л.П.,Гладышев П.А. Специфика процессов переноса в фотобиореакторах // Процессыи аппараты химической и биологической техники, вып.2:– Сб. трудов МГАХМ. –М, 1997. - С.59-66.6. Бондаренко Е.В., Гладышев П.А., Жаворонков В.А. Биорегенерация воздуха вискусственных экосистемах и системах жизнеобеспечения // Инженерная защитаокружающей среды: Тез. докл. V-й Междунар. конф. МГУИЭ. – М, 2003.
- С. 26.7. Бондаренко Е.В. Гладышев П.А. Жаворонков В.А. Казенин Д.А. Перспективыиспользования полостных фотобиореакторов в замкнутых системах жизнеобеспечения // Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии: Материалы 11-й Междунар. конф. - Ялта-Гурзуф, 2003. - С.225-226.8. Гладышев П. А., Казенин Д.А. Энергозатраты на перемешивание и модульнаяорганизация светоподвода в фотобиореакторах для замкнутых экосистем // Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XIX Междунар. науч.конф.
– Воронеж, 2006. - С. 50-52.9. Гладышев П.А., Бирюков В.В. Массообмен в полостных фотобиореакторах сотражательными перегородками. // Химическое и нефтегазовое машиностроение.– 2007. - №3. - С.7-8.16.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
