Характеристика газожидкостных биореакторов

04 Января в 14:58 1887 0


Несмотря на многообразие конструкций биореакторов, все они должны удовлетворять основным требованиям для поддержания эффективного процесса культивирования клеток, обеспечивая: подвод к каждой клетке в достаточном количестве всех питательных веществ; отвод от каждой клетки продуктов метаболизма; термостатирование микробной суспензии в каждой точке; поддержание оптимальных рабочих параметров; требуемый уровень аэрирования, перемешивания; высокий уровень автоматизации процесса культивирования, техники безопасности и условий труда операторов.

Для выполнения этих требований каждый ферментер должен быть снабжен следующими системами: подачи жидкостных (или сыпучих) потоков в аппарат; ввода и вывода газовых потоков; аэрирования ферментационной среды; перемешивания ферментационной среды; пеногашения; термостатирования; стерилизации ферментера и ферментационной среды; вывода потоков из аппарата; контроля и регулирования заданных параметров процесса.

Барботажные биореакторы. Наибольшее использование в предшествующие годы получили барботажные биореакторы с принудительным диспергированием газа (рис. 7.7). Они представляют собой вертикальную емкость, в основном цилиндрической формы, снабженную теплообменником, барботером и технологическими штуцерами. Характерным признаком работы барботажного реактора является неорганизованная и слабая циркуляция жидкости.

Барботажные биореакторы
Рис. 7.7. Барботажные биореакторы: 1 - корпус; 2 - рубашка; 3 - барботер; 4 -теплообменник; 5 - механическое перемешивающее устройство; 6 - ребра; 7 - решетка; 8 - подвижная насадка (гранулы); 9 - сепаратор; 10 - циркуляционный контур (рис. Н.А. Войнова)

Пропускная способность аппарата по газу лимитируется его приведенной скоростью, которая обычно не превышает 0,1 м/с. При более высоких скоростях значительно возрастает газосодержание, что приводит к неоправданному увеличению общего объема реактора. Возникают пульсации давления и вибрации аппарата. Газосодержание барботажного слоя изменяется как по высоте, так и по сечению аппарата. При наличии в жидкости поверхностно - активных веществ над барботажным слоем независимо от режима движения образуется слой стабильной пены, который оказывает отрицательное воздействие на процесс ферментации.

В аппаратах рассматриваемого типа количество кислорода, доставляемого в жидкую фазу, определяется величиной межфазной поверхности, развиваемой в результате массового прохождения пузырьков газа сквозь слой жидкости.

Однако скорость переноса кислорода в жидкой фазе так же, как и скорость отвода продуктов метаболизма, оказывается весьма низкой и не превышает 0,7 кг 02 /(м3ч), а расход воздуха в связи с этим достигает 50 м3/(м3ч). Применение реакторов с принудительным диспергированием газа большой высоты (10-25) м для увеличения степени насыщения культуральной жидкости газом (рис. 7.7, в), а также аппаратов с подвижной насадкой (рис. 7.7, б) требует больших энергозатрат на компремирование газа. Увеличить скорость переноса газового субстрата в аппаратах барботажного типа можно путем применения перемешивающих устройств (рис. 7.7, г).

Для этой цели используются различные типы мешалок, что не только увеличивает межфазную поверхность, но и обеспечивает дополнительную турбулизацию жидкой фазы. Эксплуатация аппаратов барботажного типа с мешалками показывает, что увеличение энергетических затрат не сопровождается адекватным повышением эффективности процесса. Лишь при подводимой удельной мощности, не превышающей 2-11 кВт/м , рост эффективности массопереноса в жидкой фазе имеет приблизительно линейный характер. Дальнейшее увеличение мощности не приводит к уменьшению диаметра пузырьков газа и росту межфазной поверхности.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к условиям проведения ферментации, является поддержание температуры в реакционной зоне на оптимальном уровне. Однако непрерывный отвод тепла из зоны реакции аппаратов барботажного типа с мешалками затруднен. Это обуславливает необходимость оснащения реакторов этого типа выносными теплообменниками, что приводит к еще большему увеличению энергозатрат.

Газлифтные биореакторы. Некоторое повышение тепло- и массообменных характеристик, по сравнению с барботажными аппаратами, достигается использованием газлифтных биореакторов (рис. 7.8), которые нашли наибольшее распространение в промышленной практике. Отличительной особенностью газлифтных аппаратов является наличие в аппарате циркуляционного контура в виде одного (рис. 7.8, а) или нескольких стаканов (рис. 7.8, б) или газлифтных труб (рис. 7.8, в, г), в полости которых поддерживается повышенное газосодержание (0,5 - 0,6), что позволяет обеспечить циркуляцию газожидкостной смеси со скоростью 0,1-0,6 м/с. Для таких аппаратов характерны интенсивное пенообразование и высокий удельный расход воздуха.



В газлифтных биореакторах объемный коэффициент массоотдачи составляет 200-400 ч-1, коэффициент теплоотдачи дрожжевой суспензии -  (2-3)10000Вт/(м2К). В промышленной практике выращивания кормовых дрожжей объем применяемых газлифтных аппаратов составляет 320-1 300 м , при диаметре 5,7-11,0 м и высоте 13,4-14,5 м. Во время работы воздух проходит в аппарат по центральной трубе в кювету, где из подаваемого сусла и жидкости, содержащейся в нижней части аппарата, образуется газожидкостная смесь, которая движется по внутреннему циркуляционному контуру.

Часть воздуха отделяется от пены и выходит из аппарата через отверстие в крышке, а другая часть вместе с пеной опускается по кольцевому зазору между диффузором и стенкой. Основной причиной низкой эффективности аппаратов системы Лефрансуа - Марийе (рис. 7.8, а), является слабое диспергирование воздуха в жидкость. При достижении расхода воздуха 45-50 м3 /(м2ч) перерабатывается питательная среда с редуцирующими веществами менее 1,5 %, при объеме аппарата 600 м3 производительность, не превышает 6-7 т сухих дрожжей в сутки, скорость переноса составляет 1,1-1,2 кг О2/(мч).

Газлифтные биореакторы системы Лефрансуа - Марийе
Рис. 7.8. Газлифтные биореакторы системы Лефрансуа - Марийе: 1 - корпус; 2 -циркуляционный стакан с рубашкой; 3 - система воздухораспределения; 4 - патрубок для подачи ферментативной среды (рис. Н.А. Войнова)

Несколько выше показатели газлифтных ферментаторов с многозонной системой воздухораспределения (рис. 7.8, в, г) в которых рабочий объем аппарата условно разделен на 4-8 зон, в каждой из которой находится циркуляционный контур. Однако и в этих аппаратах, вследствие низких коэффициентов массоотдачи и неравномерного распределения воздуха скорость переноса кислорода в жидкость не превышает 1,3 кг О2/(м -ч), что не позволяет получить высокую производительность, снизить затраты на очистку воздуха и отработанной жидкости.

Применение системы воздухораспределения (рис. 7.8, г) приводит к увеличению производительности на 15-20 % при удельном расходе воздуха 45-60 м3/(м2ч). Увеличение поверхности контакта фаз за счет уменьшения диаметра газовых пузырей и увеличения степени перемешивания предполагается получать в аппаратах с газлифтными трубами (рис. 7.9, а).

Установка в объеме аппарата труб диаметром до 0,1 м и высотой 6 м обеспечивает дробление газовых пузырей и приводит к увеличению скорости переноса кислорода в культуральную жидкость до 4,0-4,5 кг О2 /(м -ч) и объемный коэффициент массопереноса до 0,15 с-1, что позволяет при больших расходах воздуха перерабатывать ферментативные среды с редуцирующими веществами до 3 %. К достоинствам такого биореактора следует отнести развитую поверхность теплообмена и большую межфазную поверхность.

Коэффициент массопереноса вещества из газа в жидкость сохраняет максимальное значение при увеличении диаметра барботажной трубы. Попытка увеличения скорости транспорта кислорода за счет установки перемешивающего устройства в циркуляционном контуре приводит к резкому увеличению энергетических затрат (рис. 7.9, б).

Газлифтные биореакторы с пневматическим и механическим перемешиванием
Рис. 7.9. Газлифтные биореакторы с пневматическим и механическим перемешиванием: 1 - корпус; 2 - циркуляционный стакан; 3 - барботер; 4 - рубашка; 5 - механическое перемешивающее устройство; 6 - механический пеногаситель; 7 - ребро (рис. Н.А. Войнова)

Устойчивая работа мешалки определяется газосодержанием системы, предельная величина которого составляет ф = 0,4. Поэтому биореакторы с мешалкой в циркуляционном контуре применяются только для ферментативных сред, не образующих устойчивой пены с высоким газосодержанием. Расход энергии на единицу полученной биомассы в биореакторах с механическим перемешиванием составляет 2-3 кВт*ч/кг АСД, что значительно больше, чем в аппаратах других типов.

Увеличение энергозатрат объясняется тем, что хотя интенсивное перемешивание жидкости мешалками и способствует некоторому увеличению межфазной поверхности за счет дробления газовых пузырьков, течение жидкости между пузырьками газа остается преимущественно ламинарным и затраченная энергия не ведет к соответствующему повышению скорости транспорта кислорода в жидкой фазе.

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