История создания и результаты испытаний пилотного биореактора интенсивного массообмена g-1000 сербской фирмы «Goŝa»

УДК 573.6.086.83

С. Г. Мухачев, И. В. Чепегин, Р. И. Валеев,

Ш. Г. Еникеев, А. Джелинео ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПИЛОТНОГО БИОРЕАКТОРА ИНТЕНСИВНОГО МАССООБМЕНА G-1000 СЕРБСКОЙ ФИРМЫ «GOSA»

Ключевые слова: биореактор, массообмен, энергетическая эффективность, перфорированные мешалки, радиально-гофрированный диск, сульфитное число, пенный режим, газо-жидкостная среда.

Экспериментально доказана высокая энергетическая эффективность процесса массообмена кислорода в пилотном биореакторе с перемешивающим устройством, состоящим из радиально-гофрированных дисков. Многоярусное устройство перемешивания обеспечивает масштабируемость реактора, как массообменного аппарата, при соблюдении равенства ряда параметров. Показано, что оптимальный режим, соответствующий требованию энергосбережения, достигается при интенсивной аэрации, обеспечивающей переход к пенному состоянию газо-жидкостной среды.

Keywords: bioreactor, mass transfer, energy efficiency, perforated disc stirrer, radially corrugated disk, sulfite number, foaming mode,

gas-liquid medium.

High energy efficiency of the process of oxygen mass transfer in the pilot bioreactor with a stirring device consisting of radially corrugated disks was experimentally proved. Multilevel mixing device ensures scalability of a reactor as mass transfer device with invariability of several parameters. It was shown that the optimal mode, as regards energy saving, is achieved by intensive aeration leading to a foamy state ofgas-liquid medium.

В 1990 году одна из ведущих машиностроительных фирм Югославии (фирма «GOSA») приняла решение о развертывании производства биотехнологического оборудования. В том числе планировалась разработка биореакторов интенсивного действия, обеспечивающих использование плотных культур аэробных микроорганизмов. Испытательным полигоном для опытных образцов биореакторов должен был стать Трипольский биохимический завод (Украина), в планы развития которого входило создание цеха производства аминокислот медицинского назначения. Разработка пилотного биореактора была поручена Белградскому университету и Казанскому биоинженерному институту. Работа, к сожалению, была прервана из-за агрессии НАТО, повлекшей распад Югославии, из-за распада СССР и длительной остановки производства на Трипольском БХЗ. Тем не менее, до указанных событий, на площадке фирмы «GOSA» был построен отдельный корпус для спроектированного образца пилотного биореактора. При участии российских и югославских специалистов был создан реактор интенсивного массообмена и проведены его технические испытания.

Пилотный биореактор G-1000 («Биоденс») (рис.1) имел следующие геометрические и конструктивные параметры: диаметр внутренний 742 мм, высота 2400 мм, объем геометрический 1000 л при эллиптических крышке и днище.

Верхний привод мощностью 7,6 квт обеспечивал вращение вала перемешивающего устройства со скоростью до 600 мин -1. На днище вал был закреплен в опорном подшипнике скольжения. Дисковые перфорированные мешалки (рис.2) конструкции Казанского биоинженерного института [1] могли устанавливаться на любом уровне в количестве до 6 ярусов. Диаметр дисков - 500 мм.

Радиально-гофрированный диск состоял из 14 секторов, поверхности которых имели наклон 30° к горизонтальной плоскости. Толщина пластин секторов 2 мм. Диаметр отверстий перфорации - 3 мм. Конусность отверстий перфорации 90° с расширением в направлении, противоположном вращению мешалки.

Рис. 1 - Пилотный биореактор в-1000: 1 -привод, 2 - вал мешалки, 3 - корпус аппарата, 4 -перемешивающее устройство, 5 - отражательная перегородка (отбойник), 6 - барботер, 7 - опора

Рис. 2 - Принципиальная конструкция яруса перемешивающего устройства

Биореактор имел три люка на крышке, позволяющие менять расположение отражательных перегородок в радиальном направлении. Общая площадь трех перегородок, имеющих длину 1940 мм, практически совпадающую с длиной цилиндрической обечайки аппарата 2000 мм, составляла 0,35 м2.

Массообменные характеристики биореактора оценивались по сульфитной методике:

R = 60  (Цп  0,2095 -  С02)  32 / (22,4  Ц_), где R - сульфитное число, гО2/л.ч; Цп и цои -объемные расходы газовых потоков на входе и выходе из аппарата, приведенные к нормальным условиям, л/ч; С02 - объемная доля кислорода в выходном газовом потоке; - объем жидкой фазы (сульфитного раствора) в аппарате, л.

Входной поток воздуха измерялся с помощью расходомера Р151 (фирма АТМ, г. Загреб). Выходной газовый поток определялся на основе баланса потока азота, рассчитываемого по данным замеров концентрации кислорода в выходном газовом потоке с помощью газоанализатора АК-5 (Казанский опытный завод «Медфизприбор»): ^ = Цп'(1 - 0,2095)/(1 - С02).

Температура сульфитного раствора составляла 29,4 - 31,3 °С. Отвод тепла осуществлялся путем подачи охлаждающей воды в рубашку аппарата. При перепаде температур в 11,05 °С тепловая мощность системы охлаждения достигала 22,86 квт. Коэффициент теплопередачи при этом составлял 0,796 квт/м2 °С.

Вводимая в среду механическая энергия определялась как разность электрических мощностей двигателя в рабочем режиме и при вращении мешалки с той же скоростью в воздухе.

Газосодержание определялось приближенно по усредненному значению уровня газожидкостной среды в аппарате и достигало в интенсивных режимах перемешивания 40 ± 2,5 % объемных. При этом перфорированные диски перемешивающего устройства работали как диспергаторы газа.

Энергетическая эффективность мешалки для каждой величины аэрации определялась как отношение разности значений сульфитного числа при вращающейся и неподвижной мешалке к величине вводимой в жидкость мощности.

Из-за сильного вспенивания жидкости, с целью исключения ее уноса в выходную газовую магистраль, пришлось ограничить объем жидкой фазы и основные характеристики снять при коэффициенте заполнения аппарата 0,42. При этом химические пеногасители не применялись.

Результаты испытаний представлены в табл. 1.

На рисунке 3 приведены данные по изменению концентрации кислорода в отработанном воздухе и значения объемного коэффициента массопередачи кислорода КСа при среднем расходе воздуха 630 нл/мин (1,5 нл/л-мин), рассчитанные из условия отсутствия свободного кислорода в сульфитном растворе. При этом энергетическая эффективность мешалки Е (гО2/вт-ч) для фиксированной скорости ее вращения линейно зависит от интенсивности

аэрации, т.е. расхода воздуха на входе в реактор (рис. 4).

Таблица 1 - Массообменные характеристики пилотного биореактора «Биоденс»

№ п/п Расход воздуха на входе в реактор Скорость вращения мешалки Мощность, вводимая мешалкой Газосодержание Сульфитное число Эффективность использования механической энергии

Л/щ п N Ф R Е

нл/мин мин-1 вт/л % об. г/л-ч г О2 вт-ч

Объем сульфитного раствора - 506 л

1 500 0 0 н/д 0,16 -

2 500 225 10,69 36,40 9,35 0,860

Объем сульфитного раствора - 420 л

3 420 0 0 2,28 0,60 -

4 420 250 13,78 37,80 11,86 0,817

5 630 0 0 6,01 1,30 -

6 630 60 0,24 7,93 1,95 2,708

7 630 150 2,88 26,55 9,54 2,861

8 630 200 6,73 38,12 14,70 1,991

9 630 250 13,37 40,40 16,78 1,158

10 840 0 0 10,85 2,04 -

11 840 150 2,87 31,28 11,98 3,463

12 840 200 6,70 38,26 16,94 2,224

13 840 250 12,16 40,93 20,97 1,557

14 1050 0 0 н/д 2,20 -

15 1050 250 10,65 42,58 24,66 2,109

Рис. 3 - Параметры процесса массопередачи кислорода в зависимости от величины вводимой

мощности №---С О 2 , % об.;-Ша • 10" 2,

час-1

Практически линейный вид зависимости, представленной на рисунке 4, позволяет прогнозировать увеличение скорости массопереноса кислорода и эффективности использования энергии при увеличении аэрации.

0 500 1000

Аэрация, нл/мин

1500

Рис. 4 - Энергетическая эффективность мешалки как функция интенсивности аэрации среды увх

Расчетные значения скорости массопереноса кислорода, полученные на основе данных испытаний лабораторного биореактора для соответствующего расхода воздуха, были на 10% ниже, чем полученные в пилотном эксперименте. Это объясняется более высоким парциальным давлением кислорода в газовых пузырьках вследствие влияния столба жидкости, отличающегося в пилотном эксперименте от лабораторных условий более, чем на порядок. Учет гидростатического давления приводит практически к полной идентичности результатов расчета сульфитного числа для пилотного и лабораторного аппаратов.

Интересным и важным результатом явилось и то, что при использовании полисекторального (радиально-гофрированного) диска в отличие от диска с двумя отогнутыми секторами [2, 3], энергетическая эффективность процесса массообмена кислорода возрастает примерно в 2 раза. Однако, вследствие различной окружной скорости и, соответственно, частоты пульсаций, генерируемых мешалками, вопрос энергетической эффективности требует дополнительных исследований на аппаратах различного объема.

Выводы

1. Многоярусная мешалка с полисекторальными перфорированными дисками обеспечивает масштабирование реактора, как массообменного аппарата, без перерасчета параметров по критериальным уравнениям.

2. Полисекторальные диски обеспечивают достаточно высокую энергетическую эффективность процесса массообмена кислорода.

3. Оптимальный режим, соответствующий требованию энергосбережения, достигается при интенсивной аэрации, обеспечивающей переход к пенному состоянию газо-жидкостной среды (режиму динамической пены).

Литература

1. Пат. РФ 2021849 (1991).

2. Р.Б. Хабибрахманов, С.Г. Мухачев, Вестник Казан. технол. ун-та. 11, 172-174 (2012).

3. Р.Б. Хабибрахманов, С.Г. Мухачев, Вестник Казан. технол. ун-та., 2, 140-143 (2014).

© С. Г. Мухачев - к.т.н., доц. каф. химичесой кибернетики КНИТУ, ksoes@mi.ru; И. В. Чепегин - к.т.н., проф. каф. промышленной безопасности КНИТУ, igor.chepegin@gmail.com; Р. И. Валеев - зав. лаб. Казан. биоинж. ин-та,

Ш. Г. Еникеев

- к.т.н., директор Казан. биоинж. ин-та, А- Джелинео - д.б.н., проф. Белградского ун-та (Сербия),

© S. G. Mukhachev - Ph.D., Associate Professor of the Department «Chemical cybernetics» of Kazan National Research Technological University, ksoes@mi.ru; I V. Chepegin - Ph.D., Professor of the Department «Industrial safety» of Kazan National Research Technological University, igor.chepegin@gmail.com; R. I. Valeev - Head of laboratory of Kazan Bioengineering Iinstitute,

Sh. G. Enikeev

University (Serbia).

Ph.D., Head of Kazan Bioengineering Institute, A. Djelineo - Ph.D., Professor of Belgrade Technological