СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕСМЕШИВАЕМЫХ ЖИДКИХ СРЕД РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТИ
METHOD FOR INTENSIFYING BIOLOGICAL AND CHEMICAL PROCESSES USING IMMISCIBLE LIQUID MEDIA OF VARIOUS VISCOSITIES

Изобретение относится к способам интенсификации биологических и химических процессов с использованием несмешиваемых жидких сред различной вязкости в вихревых реакторах, в частности, при культивировании клеток тканей, микроорганизмов, водорослей. Изобретение может найти применение в биотехнологии, в фармацевтике, в химической и пищевой промышленности, в сельском хозяйстве.
Вихревое перемешивание является распространённым способом интенсификации процессов в химических и биореакторах.
Из области техники известны способы проведения биохимических процессов с организацией вихревого движения жидких сред, осуществляемые в газожидкостных вихревых реакторах. В известных технических решениях перемешивание культуральной среды осуществляют с помощью концентрированного воздушного вихря, генерируемого активатором, установленным под крышкой биореактора над поверхностью культуральной среды. Перемешивание среды осуществляют путем создания в ней трехмерного движения типа «вращающегося вихревого кольца» - квазистационарного потока с осевым противотоком, генерируемого аэрирующим газовым вихрем за счет перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока на поверхности жидкости. Отсутствие механического перемешивающего элемента в жидкости обеспечивает неэнергозатратное, 0,06-0,1Вт/л, в сравнении с 1-4 Вт/л для биореакторов с механическим перемешивающим устройством и эрлифтных биореакторов, мягкое и эффективное перемешивание жидкостей, в том числе вязких, без образования пены и кавитации, гидроударов, высокотурбулентных и застойных зон, а также микрозон с высокой температурой.
,
Известны газо-вихревые биореакторы для проведения биохимических процессов [RU 2538170, 15.08.2011, C12N 1/00, C12M 1/04, C12M 1/06; RU 2299903,12.05.2004C12M 1/04, C12M 3/00, C13K 1/06]. Изобретения направлены на повышение эффективности перемешивания и ускорение биохимических процессов в жидких средах. Биохимические процессы в известных вихревых биореакторах осуществляют следующим образом. Биореактор заполняют питательной средой так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка (шайба) располагалась в питательной среде у ее поверхности. Затем устанавливают требуемый температурный режим и вводят посевную дозу клеток и включают привод вращения устройства для перемешивания среды, которое представляет собой лопастное колесо- активатор, горизонтально укрепленное на вертикальном валу, в верхней части емкости под крышкой. При вращении лопастного колеса над поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток создается интенсивный закрученный поток газа, который формирует в культуральной жидкости вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. Скорость движения газового вихря 3-6 м/с. Кольцевая перегородка - плавающая шайба вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на штанге и применяется для стабилизации границы раздела газ-жидкость.
В указанных технических решениях закручивающим устройством является воздух, воздух закручивает шайбу, находящуюся на поверхности жидкости. Плотности воздуха и жидкости отличаются на три порядка, в частности, воздух-вода - в 1000 раз. Передача вращения от воздуха по скорости порядка 100/1. Поэтому воздухом крутить жидкость не эффективно, а если крутить через шайбу с парусами, то возникает частичный контакт рабочей жидкости с твердой шайбой - это может приводить к травмированию клеток культуральной среды. Кроме того, наличие внутренних устройств (кольцевой перегородки, установленной на штанге - телескопической трубе) увеличивает потребляемую мощность на 10-20 %.
Известен газожидкостный вихревой реактор для проведения биохимических процессов [И.В. Наумов, С.Г. Скрипкин, Б.Р. Шарифуллин, В.Н. Штерн. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОГО ДВИЖЕНИЯ В ГАЗО-ЖИДКОСТНОМБИОРЕАКТОРЕ. Процессы в геосредах, № 3 (29), 2021].
–1
Биохимические процессы в известном газожидкостном вихревом биореакторе осуществляют следующим образом. Реактор заполнялся 65 % водным раствором глицерина. Лопаточным колесом (активатором) над поверхностью жидкой среды генерируют высокоскоростной закрученный поток газа типа «торнадо». Аэрирующий газ взаимодействует с жидкостью только через свободную поверхность, не смешиваясь с ней. За счет высокой скорости движения аэрирующего газа обеспечивается интенсификация межфазного массообмена и равномерное перемешивание суспензии без возникновения застойных зон. В указанном решении закручивающим устройством является активатор, закручивающий воздух, а закрученный поток воздуха закручивает жидкость. В работе показано, что скорость и перемешивание рабочей среды зависит от скорости вращения активатора. Оптимальный рабочий диапазон вращения активатора, при котором отсутствуют колебания границы раздела сред составляет 150 - 1800 мин.
Известно, что интенсификация процесса за счет увеличения частоты вращения перемешивающего устройства обычно сопровождается увеличением мощности, расходуемой на перемешивание.
Таким образом, указанное техническое решение, основанное на использовании в качестве закручивающего жидкую среду устройства воздуха, энергозатратно и при этом недостаточно эффективно.
В заявленном способе интенсификации биологических и химических процессов с использованием несмешиваемых жидких сред различной плотности и вязкости в вихревых реакторах скорость вращения диска (крышки реактора) на порядок, а именно, в 10 раз меньше, чем при закручивании мешалкой или воздухом, например, как в технических решениях ООО «Центр вихревые технологии» (сайт https://www.vortexreactor.com/).
Известен способ проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости в двухжидкостном вихревом реакторе [Б.Р. Шарифуллин, И.В. Наумов. Передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей. Теплофизика и аэромеханика, 2021, том 28, № 1. C.67-78], который выбран в качестве прототипа. Известный способ осуществляют следующим образом. Контейнер заполняют двумя несмешиваемыми жидкостями: 66-процентным водным раствором глицерина и подсолнечным или синтетическим маслом. Вихревое движение жидкостей генерируют верхним диском (крышкой контейнера), который вращается с угловой скоростью ω, в то время как другие стенки контейнера остаются неподвижными. При вращении диска на верхнюю, менее плотную, жидкость с ним контактирующую, действует центробежная сила, которая приводит к возникновению центробежной циркуляции верхней жидкости. Под действием центробежной силы происходит отток жидкости вдоль крышки от оси к периферии; затем жидкость, вращаясь, опускается вниз вдоль стенок цилиндра до границы раздела двух жидкостей и, разворачиваясь, сходится к оси, образуя центральный винтообразный вихрь с восходящим потоком у оси. Этот поток верхней жидкости переносит угловой момент от диска к границе раздела, тем самым закручивая нижнюю жидкость. При увеличении закрутки потока под действием центробежных сил под границей раздела возникает меридиональная циркуляция нижней жидкости.
В работе исследовалась передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей. Были выявлены закономерности формирования вихревого течения более плотной жидкости, расположенной под границей раздела и не имеющей прямого контакта с верхним вращающимся торцом цилиндрического контейнера.
В указанной работе не определялись условия и значения параметров получения оптимальной структуры течения для обеспечения интенсификации массообменных процессов.
Решаемая задача - создание простой высокоэффективной технологии интенсификации биологических и химических процессов в вихревых двухжидкостных реакторах с получением продукта высокого качества.
Технический результат - высокая эффективность интенсификации биологических и химических процессов в вихревых двухжидкостных реакторах.
Эффективность в рассматриваемом случае характеризуется следующим:
низкие энергозатраты на раскручивание и вращение жидкости, что достигается за счет малых угловых скоростей вращения крышки реактора, требуемых для закрутки среды;
2. интенсивность и равномерность перемешивания без образования пены и кавитации, гидроударов, микрозон с высокой температурой, высокотурбулентных и застойных зон;
3. высокая интенсивность массообмена, что достигается также за счет создания структуры течения, реализующей одновременно вихревое в приосевой и циркуляционное в меридиональной плоскости движение жидкости;
4. уменьшение длительности процесса, что является следствием п.3, так как движение более интенсивное.
5. высокое качество получаемого продукта, которое достигается:
- для культуральной среды - нетравматичностью, равномерностью перемешивания без образования пены и кавитации, гидроударов, высокотурбулентных и застойных зон, микрозон с высокой температурой;
- для химического процесса - более тщательным перемешиванием при малых скоростях без образования пены, отсутствием прямого контакта агрессивной среды непосредственно с закручивающим устройством, что приводит в том числе к его сохранности;
6. снижение эксплуатационных затрат на обслуживание реактора, что обусловлено конструкцией реактора и структурой генерируемого вихревого течения, исключающего зарастание внутренних стенок реактора биологическим материалом или осадком в результате химической реакции, а также отсутствием прямого контакта агрессивной среды непосредственно с закручивающим устройством.
Для решения указанной задачи предложен способ интенсификации биологических и химических процессов в двухжидкостных вихревых реакторах за счет создания структуры течения, реализующей одновременно вихревое в приосевой и циркуляционное в меридиональной плоскости движение жидкости.
Способ интенсификации биологических и химических процессов с использованием несмешиваемых жидких сред различной вязкости в вихревых реакторах включает следующие шаги:
1. заполнение цилиндрического реактора двумя жидкостями, не смешивая их, так, чтобы сверху располагалась жидкость с меньшей плотностью и большей кинематической вязкостью;
2. затем при неподвижных стенках реактора только вращением крышки реактора генерируют вихревое движение в слое верхней жидкости до распространения вихревого движения в слое нижней жидкости, без разрушения границы раздела жидкостей;
3. в ходе осуществляемого процесса посредством автоматизированной системы управления осуществляют управление процессом.
Согласно изобретению, реактор заполняют жидкостями с разницей в плотности 15 ÷ 20% и кинематической вязкости не менее чем в 2 раза.
h
h
h
h
h
D
h
D
D
o
min
o
max
min
max
Согласно изобретению, заполняют реактор так, чтобы высота слоя верхней жидкости  находилась в диапазоне < < , где > 0,02 - минимальная высота слоя верхней жидкости, < 0,3 – максимальная высота слоя верхней жидкости, выбранная из условия неразрушения границы раздела жидкостей при максимальной закрутке потока.,  - диаметр реактора.
Согласно изобретению, управление процессом включает следующие шаги:
периодическое измерение температуры среды датчиками температуры в одной и более контрольных фиксированных точках внутри камеры реактора, установленных на стенке реактора, с целью предотвращения возмущения ими течения внутри реактора;
передачу данных измерения в снабженный соответствующим программным обеспечением и базой полученных экспериментально эталонных значений температуры среды компьютер;
расчет и сравнение с заданной точностью полученных значений температуры среды с эталонными значениями;
передачу соответствующего сигнала приводящему в движение крышку реактора шаговому двигателю для корректировки угловой скорости вращения крышки реактора с учетом изменения кинематической вязкости в зависимости от температуры верхней жидкости, равной температуре среды (нижней жидкости).
Согласно изобретению, в ходе осуществления биологических и химических процессов температуру среды контролируют с точностью до 0,1°C.
Согласно изобретению, крышку реактора приводят в движение шаговым двигателем.
h
h
R
ω
o
g
Способ осуществляют в вихревом реакторе. Схема реактора и схема организации движения в нем показаны на фиг.1, где: 1 - вращающаяся крышка, имеющая форму диска; 2 - цилиндрический контейнер(корпус реактора); 3 - граница раздела жидкостей; H - высота контейнера;  - высота слоя верхней жидкости в состоянии покоя (в отсутствии вращения диска);  - высота слоя нижней жидкости;  - радиус цилиндрического контейнера;  - угловая скорость вращения крышки; Z - ось реактора.
Реактор состоит из установленной вертикально цилиндрического контейнера 2 с крышкой 1, выполненной в форме диска с возможностью вращения.
h = H/R
H
R
2
Режим течения в такой конфигурации [S.V. Alekseenko, P.A. Kuibin, V.L. Okulov, Theory of Concentrated Vortices: an Introduction (SpringerVerlag, Berlin and Heidelberg Gmb H&Co, 2007). V.N. Shtern, Counterflows (Cambridge UniversityPress, NewYork, 2012)] определяется двумя параметрами: относительным удлинением , где  - высота, а R - радиус цилиндрического контейнера, и числом Рейнольдса Re = ω/ν, где ω - угловая скорость вращения крышки, а ν - кинематическая вязкость верхней жидкости.
Реактор заполняют двумя жидкостями с разными плотностями и кинематическими вязкостями. Причем верхняя жидкость имеет меньшую плотность и большую кинематическую вязкость. Вихревое движение жидкостей генерируют крышкой реактора (диском), которая вращается с угловой скоростью ω, в то время как другие стенки контейнера неподвижны. Вращение крышки создают шаговым двигателем. У крышки центробежная сила толкает прилегающую жидкость (верхнюю жидкость) от оси к периферии, порождая меридиональную циркуляцию, т.е. жидкость опускается у боковой стенки до поверхности раздела, там спирально сходится к оси, где возвращается к окрестности крышки. Таким образом, слой верхней жидкости образует «жидкую вращающуюся крышку», которая закручивает слой нижней жидкости.
–1
.
При самом медленном вращении крышки реактора (150 мин) центробежная циркуляция (ЦЦ) вызывает в нижней жидкости антицентробежную циркуляцию (АЦ), т.е .нижняя жидкость сходится к оси у поверхности раздела, погружается у оси до дна, там спирально расходится к боковой стенке и поднимается вдоль стенки к поверхности раздела. Таким образом, сходящееся над границей раздела спиральное течение менее плотной верхней жидкости формирует под границей раздела расходящееся спиральное движение более плотной нижней жидкости (фиг. 2). Такая двухтороидальная вихревая структура уже благоприятная для качественного перемешивания среды
–1
Скорость самого медленного вращения крышки реактора (минимальную угловую скорость, которая обеспечивается при 150 мин) выбирают из условия, чтобы скорость закрутки среды была выше скорости зарастания внутренних стенок реактора биологическим материалом или осадком в результате химической реакции. Известно, что диапазон скоростей зарастания внутренних стенок реактора от 0,01 до 0,5 м/с [Штоль А.А., Мельников Е.С., Ковров Б.Г. Расчёт и конструирование культиваторов для одноклеточных водорослей. - Красноярск, 1976. - 96 с.].
С усилением вращения крышки происходит изменение структуры течения:
наблюдается скольжение, т.е. радиальная скорость на поверхности раздела испытывает скачок, меняя не только величину, но и направление;
В отличие от известных механизмов скольжения, например, в разреженном газе, на шероховатой поверхности или создаваемого поверхностно-активными веществами, в данном случае скольжение вызвано центробежной силой.
в обеих жидкостях (верхней и нижней) формируется торнадоподобная закрученная струя, а все течение принимает структуру миниатюрного двухэтажного торнадо (фиг.3);
В верхней жидкости центробежная циркуляция переносит угловой момент от вращающейся крышки вниз вдоль боковой стенки и потом к оси у поверхности раздела. В нижней жидкости центробежная циркуляция переносит угловой момент от вращающейся верхней жидкости вниз вдоль боковой стенки и потом к оси у дна. В обеих жидкостях сходящееся движение вызывает увеличение угловой скорости при приближении к оси и формируется торнадоподобная закрученная струя.
При дальнейшем усилении вращения крышки происходит деформация границы раздела (см. фиг. 4), возникают пульсации в потоке, разрушение границы раздела и перемешивание жидкостей. Следовательно, максимальную угловую скорость вращения крышки реактора следует выбирать из условия, чтобы скорость закрутки среды не превышала скорости разрушения границы раздела жидкостей, Re= 5000 [Carrión L., Naumov I.V., Sharifullin B.R., Herrada M.A., Shtern V.N. A mechanism of vortex-breakdown disappearance in a confined low // Journal of Engineering Thermophysics. 2020. Vol. 29. No.1. pp. 49-66].
Таким образом, получаемая структура течения способствует высокой равномерности перемешивания среды (нижней жидкости), интенсификации массообмена, снижению времени проведения процесса и улучшению качества получаемого продукта (мягкое нетравматичное перемешивание).
Низкие энергозатраты на раскручивание и вращение жидкости достигаются за счет малых угловых скоростей вращения крышки реактора, но при этом достаточных для формирования закрутки рабочей среды.
Экспериментально показано, что на скорость раскручивания и вращения среды влияют следующие параметры:
h = H/R
H
R
-
относительное удлинение реактора , где  - высота, а  радиус цилиндрического контейнера;
h,
Чем больше тем больше требуется приложить энергии для раскрутки жидкостей.
кинематическая вязкость верхней жидкости;
При большей кинематической вязкости верхней жидкости требуется приложить больше энергии для раскрутки жидкостей. Причем при больших значениях угловой скорости граница раздела двух жидкостей не разрушается и в нижней жидкости формируется более интенсивное циркуляционное и вихревое движение.
плотность верхней жидкости.
Чем меньше плотность верхней жидкости, тем большая скорость требуется, чтобы раскрутить нижнюю жидкость.
Закрутка потока и, соответственно, число Рейнольдса, определяется вязкостью прилегающей к вращающемуся диску жидкости. В работе [Б.Р. Шарифуллин, И.В. Наумов. Передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей. Теплофизика и аэромеханика, 2021, том 28, № 1, C.67-78] было получено, что разница в вязкости между двумя несмешиваемыми жидкостями существенно влияет на перенос углового момента от вращающегося диска к нижней более плотной жидкости. Показано, что сдвиг по числам Рейнольдса для нижней жидкости пропорционален отношению вязкостей двух несмешиваемых жидкостей.
Разница в плотности между жидкостями обеспечивает устойчивую границу раздела. В работе [Наумов И.В., Кашкарова М.В., Миккельсен Р.Ф. Окулов В.Л., Структура ограниченного закрученного течения при различных фазовых граничных условиях на неподвижном торце цилиндра // Теплофизика и аэромеханика, 2020. Vol. 27(1). С.93-98] было показано, что при увеличении числа Рейнольдса в верхней более легкой жидкости возникает распад вихря. Нижняя более плотная жидкость образует «жидкое» дно для верхней, что влияет на формирование зоны рециркуляции в верхней жидкости, смещая ее в область меньших чисел Рейнольдса и меньших относительных удлинений.
Условия выбора жидкостей, а именно, отличие плотностей на 15 ÷ 20 %, и отличие кинематических вязкостей не менее чем в 2 раза, определены экспериментально.
Таким образом, в каждом конкретном случае проведения химических, фармацевтических, биологических или других процессов требуется генерировать вихревое движение с определенными свойствами, что достигается путем варьирования параметрами, влияющими на структуру и степень закрутки потока [A. K. Gupta, D. G. Lilley, N. Syred, Swirlflows (AbacusPress, TunbridgeWells, England 1984). S.V. Alekseenko, P.A. Kuibin, V.L. Okulov, Theory of Concentrated Vortices: an Introduction (Springer Verlag, Berlin and Heidelberg GmbH & Co, 2007)].
Для обеспечения заданных физико-химических условий протекания процессов масосопереноса в реакторах, независимо от типа реактора, биологических или химических процессов строгого контроля требует значение температуры среды.
Мониторинг температуры среды и управление шаговым двигателем осуществляют посредством автоматизированной системы управления (АСУ), которая включает:
датчики температуры для измерения температуры среды (нижней жидкости);
контроллер для управления шаговым двигателем;
компьютер с установленным специальным программным обеспечением (ПО), предназначенным:
для расчета температуры среды, сравнения полученных значений с эталонным, расчета оптимальной угловой скорости вращения крышки реактора;
формирования и передачи управляющего сигнала контроллеру для управления шаговым двигателем.
Мониторинг температуры среды и управление шаговым двигателем включает:
1. периодическое измерение температуры среды датчиками температуры в одной и более контрольных фиксированных точках внутри камеры реактора, установленных на стенке реактора, с целью предотвращения возмущения ими течения внутри реактора;
2. передачу данных измерения в снабженный соответствующим программным обеспечением (ПО) и базой полученных экспериментально эталонных значений температуры среды компьютер;
3. расчет и сравнение полученных значений температуры среды с эталонными значениями;
4. передача соответствующего сигнала приводящему в движение крышку реактора шаговому двигателю для корректировки угловой скорости вращения крышки реактора с учетом изменения кинематической вязкости в зависимости от температуры верхней жидкости и температуры среды (нижней жидкости), которые одинаковы, в результате прямого контакта двух несмешиваемых жидкостей в реакторе.
В том случае, если температура оказывается выше или ниже эталонного значения, изменяют угловую скорость вращения крышки реактора так, чтобы обеспечить с заданной точностью необходимые значения скорости для обеспечения оптимального массопереноса в жидкости, сохраняя при этом ламинарный режим течения среды.
Эталонные значения температуры среды подбирают экспериментальным путем для разных жидкостей и хранят в базе данных эталонных значений. Значения температуры определяются в зависимости от кинематической вязкости конкретной жидкости
Были проведены эксперименты по исследованию закономерностей существования областей возникновения распада вихря в нижней жидкости. Область распада вихря характеризуется возникновением зоны возвратного течения на оси вихря и может служить признаком воспроизводимости свойств вихревой структуры при ее формировании с помощью различных завихрителей.
3
2
3
2
В качестве вихревого реактора использовали цилиндрический контейнер с вращающейся крышкой. Использовались рабочие жидкости: подсолнечное масло, выполняющее роль жидкой крышки, и 33% водный раствор глицерина, имитирующий рабочую жидкость, в которой происходит перемешивание ингредиентов: сахарный сироп или жидкость на основе молока - основную среду при производстве кремов или йогуртов. Плотность и кинематическая вязкость рабочих жидкостей при комнатной температуре (22,6°C) составляла 916 кг/м, 49 мм/с. и 1080 кг/м, 2,7 мм/с, соответственно.
Температура в ходе эксперимента измерялась и контролировалась с точностью 0,1°C.
2
Для исследования влияния слоя более легкой жидкости на возникновение и исчезновение области распада вихря пузыревидного типа в нижней жидкости были проведены визуальные наблюдения и измерения возникновения и исчезновения области рециркуляции и сравнение с известной диаграммой [M.P. Escudier, Exp. Fluids(4), 189 (1984)].
h
R
R
h
R,
R
.
o
g
В ходе экспериментального исследования высота слоя верхней жидкости варьировалась от 0,1 до 1,5, а высота слоя нижней жидкости была фиксирована = 1,5где  - радиус цилиндрического контейнераЧисло Рейнольдса считалось с вязкостью верхней жидкости, в то время как распад наблюдался в нижней.
h
R)
h
H/R
H
R
g
2
На фиг. 5 представлена полученная экспериментально карта существования пузыревидного распада вихря в нижней жидкости при фиксированной высоте слоя нижней жидкости ( = 1,5 и переменной высоте слоя верхней жидкости. Карта представлена в виде зависимости числа Рейнольдса от относительного удлинения корпуса цилиндрического контейнера (= , где  - высота,  - радиус цилиндрического контейнера). Для аппроксимации кривой возникновении распада вихря использовалась зависимость: y = 390,39x - 9,6517x + 45,555, а для исчезновения видимой области рециркуляции: y = 2081,4x - 106,49, выделенные жирной пунктирной линией на фиг. 5. Сравнение закономерностей существования областей возникновения распада вихря в основной жидкости показывает, что тенденция формирования распада определяется общим слоем жидкости (масло+глицерин), а закрутка потока и соответственно число Рейнольдса, определяется вязкостью прилегающей к вращающемуся диску жидкости.
Полученные результаты представляют интерес для технологических приложений, где наблюдаемая множественность ячеек и их расположение в вихревом «домино» усиливает перемешивание, что благоприятно для биологических и химических процессов. Таким образом, можно получить не только оптимальную структуру течения, но и оптимальную скорость вращения, обеспечивая мягкое и тщательное перемешивание ингредиентов без их прямого контакта с закручивающим устройством.