Характеристика газожидкостных биореакторов. Струйные биореакторы

04 Января в 15:19 3249 0


Струйные биореакторы. В струйных биореакторах используется эффект инжекции воздуха струей культуральной жидкости, вытекающей из насадки (сопла) со скоростью 6-8 м/с (рис. 7.10). Проникая вместе со струей жидкости на глубину до одного метра, газ дробится на мелкие пузыри, образуя газожидкостную систему с развитой межфазной поверхностью.

Струйные биореакторы
Рис. 7.10. Струйные биореакторы: 1 - корпус; 2 - струйная насадка (эжектор); 3 - насос; 4 - циркуляционный стакан (труба); 5 - теплообменник; 6 - воздуховод  (рис. Н.А. Войнова)

Разработано около десятка конструкций струйных биореакторов со сплошной или кольцевой струей жидкости (сплошная струя образуется при истечении жидкости из цилиндрического патрубка, кольцевая - из кольцевого зазора, образованного патрубком и цилиндрической вставкой). При внедрении струи в жидкость происходит захват газа ее поверхностью и образование аэрируемой (барботажной) зоны. Поверхностный коэффициент массоотдачи в струйных насадках составляет (0,5-0,7)10-4 м/с, высота зоны аэрации 0,2-0,4 м, диаметр газовых пузырьков в жидкости 1,8-5,0 мм.

Величина объемного коэффициента массоотдачи в биореакторе со струйной насадкой не превышает 210 ч-1. Эксплуатация струйных биореакторов требует меньших (по сравнению с барботажными) удельных энергозатрат, однако небольшая скорость переноса кислорода в жидкой фазе не позволяет перерабатывать в них концентрированные среды (допустимая концентрация редуцирующих веществ в субстрате, как правило, не превышает 8 кг/м ), что приводит к увеличению габаритов и повышению эксплуатационных расходов. В струйных аппаратах, как и в аппаратах барботажного типа, ярко выражен эффект флотации биомассы, значительно снижающий интенсивность микробиологического синтеза.

Конструктивные особенности струйных биореакторов не дают возможности отводить тепло непосредственно из зоны реакции, что обуславливает необходимость использования выносного теплообменника для обеспечения оптимального температурного режима процесса. Одним из наиболее существенных недостатков струйных аппаратов является неравномерное распределение газа в объеме жидкости. Кроме того, для обеспечения оптимальной скорости течения струи необходима высота слоя жидкости, равная трем и более метров, что не позволяет обеспечить требуемое газосодержание.

Задача поддержания газосодержания по всему объему культуральной жидкости решена в струйном биореакторе с шахтным аэратором фирмы «Фогельбуш» (рис. 7.10, б). Равномерное распределение газо-жидкостной смеси достигается специальным насосом большой производительности, перекачивающим жидкость с высокой кратностью циркуляции (60-90 ч-1) из емкости для культивирования в насадки, где осуществляется насыщение культуральной жидкости кислородом, путем вовлечения воздуха струей жидкости, перетекающей через верхний торец шахтного устройства.

Большая высота устройства обеспечивает высокую скорость жидкости, что дополнительно интенсифицирует процесс. Попытка интенсифицировать процесс массообмена путем использования эжекторов (рис. 7.10, в) приводит к резкому увеличению энергозатрат из-за поддержания высокого давления в линии подачи жидкости.

К общим недостаткам струйных биореакторов относят также плохой отвод тепла, флотирование биомассы, невозможность масштабирования, наличие большого количества насадок в аппарате.

Низкая концентрация микроорганизмов в объеме аппарата обуславливает большие расходы свежей воды и отработанной жидкости, очистка которой сводит на нет экономию энергии, полученную за счет энергии струй.

Биореакторы с самовсасывающими мешалками. Подвод и циркуляция газа осуществляется механическими перемешивающими устройствами, что позволяет многократно использовать газовый субстрат в замкнутом контуре аппарата и интенсифицирует процесс абсорбции труднорастворимых газовых субстратов. Такие аппараты перспективны для проведения процессов ферментации, абсорбции, окисления, при культивировании микроорганизмов на взрывоопасной газовой смеси, а также в случаях, когда в жидкости, через которую барботируют газ, присутствуют мелкие твердые частицы во взвешенном состоянии, которые могут перекрыть входные отверстия барботеров.

Одним из вариантов самовсасывающих устройств является мешалка с полым валом и трубчатыми лопастями. Она проста в изготовлении, не требует больших энергозатрат и может найти применение в случаях, когда количество газа, которое она засасывает, достаточно для проведения процесса. В промышленном биореакторе объемом 800 м , разделенном на 12 секций (рис. 7.11, в), ферментационная среда последовательно проходит все секции и из последней выходит культуральная жидкость с минимальным содержанием редуцирующих веществ и максимальной концентрацией биомассы.

В каждой секции установлено перемешивающее и аэрирующее устройство - щелевая мешалка, состоящая из двух частей: узла для перемешивания жидкой фазы лопастями и интенсивного прохождения циркулирующей жидкости и узла для подвода газовой фазы. При вращении щелевой мешалки жидкость на выходе, обладая большой энергией, создает разряжение. В разряженную зону подсасывается воздух по трубопроводу, соединенному с полой частью этого узла. В зоне разряжения происходит интенсивное смешивание воздуха с жидкостью и ее насыщение кислородом.

Удельная мощность такого аппарата составляет 14,2 кВт/м3, приведенные энергозатраты на единицу абсолютно сухой биомассы - 4,0 кВт-ч/кг, расход воздуха на единицу рабочего объема - 113 м3/(м3ч). Вследствие создания вакуума ограничивается глубина погружения щелевой турбины в жидкость. Малая величина вакуума не позволяет устанавливать на линии подсоса воздуха фильтрующие элементы, что может отражаться на стерильности процесса ферментации.

Самовсасывающие мешалки как устройства для ввода газа в жидкость имеют невысокий энергетический коэффициент полезного действия. Однако хорошее дробление газа, обеспечивающее большую площадь поверхности контакта фаз, ставит эти мешалки по удельным энергозатратам на один уровень с высокоэффективными диспергирующими устройствами.

Биореакторы с самовсасывающей мешалкой
Рис. 7.11. Биореакторы с самовсасывающей мешалкой: (а) и (б): 1 - корпус; 2 -рубашка (теплообменник); 3 - полый вал с самовсасывающими мешалками; 4 - механический пеногаситель; 5 - циркуляционный стакан; (в): 1 - корпус; 2 - теплообменник; 3 - мешалка; 4 - опора; 5, 6 - штуцера; 7 - люк-лаз; 8, 9, 10 - коллекторы (рис. Н.А. Войнова)

Эффективность всасывающих устройств существенно зависит от глубины их размещения. Поскольку эта глубина обычно невелика, для обеспечения равномерного перемешивания в аппаратах с высоким уровнем жидкости, а иногда и большим объемом, на том же валу устанавливают дополнительную мешалку, т.е. наблюдается тенденция к созданию двух- и трехъярусных аэрирующих устройств (рис. 7.11, а), позволяющих более эффективно использовать газовую фазу.



Пленочные биореакторы. Большие перспективы имеют аппараты со стекающей турбулентной пленкой жидкости по внутренней поверхности трубы с винтовой шероховатостью (рис. 7.12). Скорость переноса кислорода в пленочных биореакторах достигает 10 кг/(м -ч) и более, поверхностный коэффициент массоотдачи - (2-5)-10~ м/с, что на порядок выше, чем в других биореакторах. Коэффициент теплоотдачи в турбулентной пленке, при высоких нагрузках по жидкости, в 2-3 раза превышает значения, полученные в барботажных и газлифтных аппаратах. В пленочных аппаратах достигается равномерное распределение температуры в объеме культуральной жидкости по причине пропускания всей ее массы через теплопередающую поверхность, что исключает образование застойных зон.

Схемы пленочных трубчатых биореакторов
Рис. 7.12. Схемы пленочных трубчатых биореакторов: 1 - корпус; 2 - контактная труба; 3 - газовый патрубок; 4 - камера для ввода газа; 5 - теплообменная секция; 6 - камера для культивирования; 7 - насос (материал и рисунки Н.А. Войнова)

При этом отвод тепла организуется непосредственно в зоне биохимической реакции, что не требует дополнительных конструктивных решений и не влияет на процесс интенсификации тепло- и массообмена.

В пленочном биореакторе исключается накапливание продуктов метаболизма, в частности CO2, в культуральной жидкости благодаря их интенсивному отводу из пленки и отсутствию циркулирующих пузырьков углекислого газа в объеме культуральной жидкости.

Проведение процесса ферментации в пленочных биореакторах возможно при низких расходах воздуха или чистого газа (02, Н2), так как в этих аппаратах газ не участвует в создании поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости. При этом снижаются потери газа в окружающую среду, вследствие его размещения в зоне контакта с пленкой. Из-за высокой скорости подвода кислорода, отвода тепла и продуктов метаболизма пленочные биореакторы способны перерабатывать концентрированные питательные среды (при концентрации редуцирующих веществ 10 % и более) и получать высокую производительность (x = 50-100 кг/м ). Это позволяет в несколько раз уменьшить габариты биореактора, снизить расход воды и газа, обеспечить их качественную очистку.

Небольшие габариты пленочного биореактора при высокой его производительности обеспечивают процесс ферментации при избыточном давлении, что увеличивает степень насыщения жидкости кислородом и позволяет легко изменять концентрацию газа в культуральной жидкости в процессе ферментации. В пленочном биореакторе исключается эффект флотации биомассы и пенообразования, что позволяет увеличить рабочий объем биореактора и обеспечить равномерное распределение микроорганизмов и питательной среды в аппарате.

Пленочные биореакторы по конструктивному оформлению можно разделить на одноступенчатые (рис. 7.12, а, в) и многоступенчатые (рис. 7.12, б). В многоступенчатом биореакторе на каждой ступени осуществляется насыщение жидкости газом и его исчерпывание микроорганизмами. Это позволяет уменьшить расход перекачиваемой жидкости через аппарат, разместить большее количество культуральной жидкости в рабочей зоне биореактора.

Газовихревые биореакторы. В биореакторе «Биок» (рис. 7.13) перемешивание суспензии бактериальных клеток осуществляется путем создания в рабочем объеме вращательного движения, генерируемого аэрирующим газовым субстратом, который подается в емкость над поверхностью суспензии клеток с одновременным его закручиванием в поток турбинкой.

При этом перепад давления в потоке аэрирующего газа между периферией и центром вихря поддерживается в пределах 10-2 000 Па. Благодаря такому закручиванию аэрирующего газа, за счет трения на границе раздела фаз и разницы давления между периферией и центром газового вихря, обеспечивается движение суспензии клеток в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением жидкости на периферии емкости и восходящим в приосевой зоне.

Аэрирующий газ взаимодействует с суспензией клеток только через свободную поверхность последней, не смешиваясь с ней. Энергия, необходимая для перемешивания суспензии клеток, подводится по всей поверхности жидкости, что позволяет реализовать режимы суспензионного культивирования культур, наиболее чувствительных к механическому воздействию. Газовихревой биореактор осуществляет мягкое перемешивание без образования пены, кавитации, высоко турбулентных и застойных зон.

Фотография и схема газовихревого биореактора
Рис. 7.13. Фотография и схема газовихревого биореактора: 1 - корпус; 2 - полый вал; 3 -турбинка; 4 - циркуляционная перегородка; 5, 6 - вывод и ввод газового субстрата; 7, 8 -штуцера (рис. Н.А. Войнова)

Мембранные ферментеры. Эти реакторы перспективны с позиции расширения возможностей исследования и управления процессом ферментации, в котором развитие популяции происходит в постоянно обновляемой среде.

Это достигается за счет использования полупроницаемой мембраны. В зависимости от типа мембраны различают три режима работы мембранных реакторов: режим диализа, режим ультрафильтрации и режим микрофильтрации. Две основные схемы организации работы мембранных реакторов (встроенной и вынесенной мембраной) приведены на рис. 7.14, а, б. Реактор со встроенной мембраной (рис. 7.14, а) выполняется обычно трубчатым, в нем поддерживается режим идеального вытеснения.

Аппарат на рис. 7.14, б содержит вынесенный мембранный контур, а в установке поддерживается режим идеального смешения. Субстрат с постоянным расходом, пропорциональным выходу продукта, подают в систему. Фермент, фактически иммобилизованный в контуре, задерживается мембраной, которая свободно пропускает продукты реакции. В случае снижения активности катализатора в систему добавляют его новую порцию для поддержания скорости реакции на необходимом уровне.

Схемы мембранных биореакторов
Рис. 7.14. Схемы мембранных биореакторов: 1, 2 - корпус; 3 мембрана; 4 - мешалка (насос); 5, 6, 7 - штуцера; 8, 9 - штуцера для газового субстрата; 10 - рубашка (рис. Н.А. Войнова)

Степень задержания мембраной фермента должна быть максимально высокой. Схема мембранного реактора для культивирования микроорганизмов «Елен-5» представлена на рис. 7.14, в. Преимущества мембранных реакторов состоит в достижении высокой концентрации клеток, в использовании как растворимых, так и не растворимых субстратов. Поток продуктов, выходящих из аппарата, свободен от клеток и других специфических материалов, что снижает стоимость их очистки.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы