Повышение производительности газожидкостных биореакторов с глубинным культивированием актиномицетов для защиты древесных насаждений

УДК 663.14.033

Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 115-119

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ БИОРЕАКТОРОВ С ГЛУБИННЫМ КУЛЬТИВИРОВАНИЕМ АКТИНОМИЦЕТОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ

А. П. Руденко, К. А. Иванов, Д. А. Иванов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в процессе конструирования современного биореактора с глубинным культивированием актиномицетов для защиты древесных насаждений. Задача повышения производительности разработанного биореактора вначале решалась посредством оснащения аппарата оригинальной конструкции геликоидальным ротором. Затем следующим шагом было выполнено совместное профилирование основных корпусных элементов и ротора геликоидального типа. Данные разработки позволили гарантировано обеспечить получение актиномицетов требуемого качества при минимальных энергозатратах.

Ключевые слова: биореактор; профилирование; геликоидальный ротор; замкнутый контур; застойная зона; степень циркуляции.

Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 115-119

IMPROVING THE PERFORMANCE OF GAS-LIQUID BIOREACTORS WITH SUBMERGED CULTIVATION OF ACTINOMYCETES FOR THE PROTECTION OF WOOD PLANTINGS

A. P. Rudenko, K. A. Ivanov, D. A. Ivanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation tolyrudenko@yandex.ru

The article presents the results of theoretical and experimental studies, made in the process of constructing the modern bioreactor with submerged cultivation of aktinomycetes for the protection of wood plantings. The task improving the performance of the developed bioreactor was initially solved by equipping the apparatus with helicoids rotor developed by the author. Then the next step was to make joint profiling of the main hull elements and of the rotor helicoids type. These developments allowed to provide the required quality of aktinomycet with minimal energy consumption.

Keywords: bioreactor; profiling; helicoids rotor; closed loop; stagnant zone ; the degree of circulation.

ВВЕДЕНИЕ

Используя литературные и полученные авторами сведения теоретического и экспериментального характера в области знаний о перемешивании различных суспензий волокнисто-порошкового композиционного состава [1; 2; 7], было практически реализовано решение задачи по созданию прогрессивных перемешивающих аппаратов различного функционального назначения и, в частности, биореакторов.

На первом этапе решения поставленной задачи в качестве перемешивающего органа был использован разработанный авторами ротор геликоидального типа, который позволил определенным образом организовать существование гидродинамической картины движения потока рабочей жидкости в проточной об-

ласти перемешивающих аппаратов. Результаты анализа теоретических и экспериментальных исследований, полученных на первом этапе, были опубликованы авторами в научном журнале [4; 5].

Успешное решение поставленной задачи на первом этапе позволило продолжить исследования в рамках реализации действий на втором, включающим разработку теоретических основ и методику профилирования основных конструктивных формообразующих корпусных элементов перемешивающих аппаратов совместно с пространственной геометрией построения составных частей полученного ранее ротора геликоидального типа. Данные разработки должны были в максимальной степени способствовать созданию условий, совмещающих, наряду с уве-

* Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.

личением степени циркуляции потока рабочей суспензии в проточной полости перемешивающих аппаратов, эффективное уменьшение энергопотребления с получением, в конечном счете, продукта требуемого качества.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПОСТРОЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ

КОРПУСА ПРИНЦИПИАЛЬНО

НОВОГО ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО

АППАРАТА

Теоретическое построение конструкции корпуса перемешивающего аппарата осуществлялось посредством компьютерного моделирования с использованием программы Solid Works с приложением Flow Simulation [2; 3].

Проведенные в программе Solid Works гидродинамические исследования для аппарата с цилиндрическим корпусом показали [7; 8], что наличие вертикальных отражательных планок, как и предполагалось, позволяет исключить эффект образования центральной воронки, но при этом они создают большие гидравлические потери при движении жидкости, что отрицательно сказывается на качестве перемешивания, увеличивая при этом энергопотребление.

Кроме того, в рабочей полости аппарата были обнаружены застойные зоны динамического характера, которые в отличие от зон статического типа располагаются не в пристенной зоне, а во внутренней полости, что усложняет возможность снижения их отрицательного эффекта.

Наличие динамических застойных зон указывает на то, что ротор геликоидального типа при установке в аппарат цилиндрической конструкции не в полной мере справляется с задачей организации потоков рабочей жидкости необходимым образом.

Поэтому возникает необходимость осуществление такой коррекции при конструировании корпуса цилиндрического аппарата [6], чтобы поток, сходя с ротора, двигался по кратчайшему замкнутому контуру снизу вверх и затем сверху вниз, попадая снова в ротор.

При этом траектория движения потока все время должна быть ограничена корпусными элементами аппарата для предотвращения возникновения свободного движения и, таким образом, изолирована от соприкосновения с внешней окружающей средой со всех сторон.

В этом случае, поток во всех его составляющих элементах должен быть:

а) заключен во внутренней проточной полости в полном объеме корпусными элементами аппарата;

б) находиться под постоянным контролем, обеспечивая при этом прогнозирование и, в случае необходимости, коррекционное управление его движением.

Выполнение таких гидродинамических условий является решением проведения управляемого процесса перемешивания рабочей жидкости, позволяющего в перемешивающем аппарате выполнить рациональным образом потребление подводимой извне энергии. С целью минимизации динамических застойных зон был разработан перемешивающий аппарат принципи-

ально новой конструкции с профилированными элементами корпуса (рис. 1).

Построение корпуса осуществлялось с использованием полученных в результате моделирования эпюр осевых скоростей, построенных для шести сечений по высоте аппарата (рис. 2) [6; 7].

Рис. 1. Аппарат профилированного корпуса с ротором геликоидального типа:

1 - профилированный корпус; 2 - отражательная планка; 3 - ротор геликоидального типа

1 J -

1

к—

Рис. 2. Схема расположения сечений по высоте аппарата:

1-1-е сечение; 2-2-е сечение; 3-3-е сечение; 4-4-е сечение; 5-5-е сечение; 6-6-е сечение

При анализе эпюр осевых скоростей потока рабочей жидкости обнаруживаются экстремумы кривых, указывающие на максимальную скорость потока, т. е. поток вдоль траектории своего движения встречается с наименьшим сопротивлением. Уменьшение сопротивления при движении рабочей жидкости позволяет максимально повысить интенсивность циркуляции, а, следовательно, и степень перемешивания, что, в свою очередь, приводит к снижению влияния динамических застойных зон, уменьшению удельных энергозатрат и повышению, в конечном счете, производительности перемешивающего аппарата в процессе эксплуатации.

Рассматривая эпюры с осевыми скоростями, необходимо отметить, что максимумы кривых располагаются в определенной последовательности. При соединении максимумов линией получаем определенную

кривую, которая представляет собой изолинию, вдоль которой поток рабочей жидкости обладает наибольшей осевой скоростью при движении в проточной полости аппарата снизу вверх. В первом приближении изолиния может быть представлена кривой, описанной радиусом равным диаметру аппарата (рис. 3).

удалении друг от друга. Далее рассчитываются значения векторов абсолютной скорости по аналитическим выражениям, полученных с применением программы Solid Works [7]. Предполагая, что поток сходит с ротора параллельно днищу аппарата, первый вектор скорости откладывается горизонтально. Каждый последующий вектор строится от предыдущего с изменением направления угла атаки на величину максимального его значения равного 15° для рабочих суспензий, что способствует минимизации нахождения потока в области сопрягаемых поверхностей.

Аналогичным образом выполняется построение сопряжения в верхней части боковой поверхности и крышки аппарата (рис. 4, б).

Vc&5

йбй

Рис. 3. Схема построения изолинии по максимумам

полученных кривых эпюр осевых скоростей:

1-1; 2-2; 3-3; 4-4; 5-5; 6-6 - сечения по высоте аппарата

Основываясь на данном предположении, было выполнено построение модели корпуса принципиально нового перемешивающего аппарата следующим образом. Боковая поверхность аппарата выполняется в первом приближении по дуге радиусом Лдуги = Бап.

Выполнив профилирование боковой поверхности аппарата, производится геометрическое построение перехода от боковой поверхности аппарата к его донной и верхней частям. Данные три элемента должны быть сопрягаемы по поверхности, обеспечивающей безотрывное движение потока рабочей жидкости от перемешивающего ротора до входа в отражательные планки и от отражательных планок снова в перемешивающий ротор.

Безотрывное движение потока рабочей жидкости происходит при углах атаки близких к 15° для рабочих жидкостей [9]. Основываясь на этом, было выполнено построение линий сопряжения в нижней и верхней части аппарата новой конструкции, которая представляет собой совокупность точек приложения векторов абсолютной скорости (рис. 4, а, б).

Для выполнения построения сопряжения в аппарате новой конструкции, например, в его нижней части (рис. 4, а) производится построение n сечений, которые располагаются от уровня дна аппарата на равном

4gg

aöci

ой

an

б

Рис. 4. Построение линии сопряжения в нижней (а) и верхней (б) частях аппарата

Анализируя результаты таких построений, приходим к выводу, что наиболее оптимальным вариантом выполнения поверхности данных сопряжений является в первом приближении фрагмент параболоида, полученного при вращении в вертикальной плоскости параболы вида х2 = 2Ру, в достаточной степени удачно заканчивающий конструктивное исполнение нижней и верхней частей аппарата.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОГО ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО АППАРАТА

При компьютерном исследовании разработанного аппарата были получены траектории движения потока жидкости (рис. 5) и аналитические выражения (1)-(4),

а

позволяющие выполнять построение эпюр скоростей всех составляющих абсолютной скорости для любого рассматриваемого сечения в проточной полости аппарата.

мм

1Г7

I

I ran

Ц. ок.

Ir

б

шт

д

Рис. 5. Траектория движения жидкости в рабочей полости профилированного аппарата а - 100 об/мин; б - 200 об/мин; в - 300 об/мин; г - 400 об/мин; д - 500 об/мин

Анализируя траекторию движения жидкости, необходимо сделать следующие выводы: а) в рабочей полости профилированного корпуса в основном преобладают осевые скорости даже при малых частотах вращения ротора, а также происходит минимизация объема застойных зон динамического характера;

б) в верхней части проточной полости аппарата с увеличением частоты вращения перемешивающего органа наблюдается смещение траектории движения от оси ротора к периферии при течении потока рабочей жидкости сверху вниз. Такое смещение приводит к увеличению пути движения потока и снижению степени циркуляции, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на интенсификации самого процесса перемешивании и приводит к повышению энергопотребления.

Из анализа эпюр скоростей следует, что абсолютная скорость потока в аппарате с профилированным корпусом по сравнению с аппаратом с цилиндрическим корпусом имеет тенденцию к увеличению. При этом наиболее высокий прирост скорости наблюдается при частоте вращения п = 100 об/мин и составляет около 20 %. Прирост осевой составляющей абсолютной скорости составил около 55 % (при п = 400 об/мин).

ВЫВОДЫ

На основании полученных результатов необходимо отметить, что аппарат с профилированным корпусом, как и предполагалось, позволяет максимально увеличить степень циркуляции рабочей жидкости в проточной полости, за счет увеличения осевой составляющей абсолютной скорости (от 15 до 55 %), даже при малых числах частоты вращения перемешивающего органа по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции. Увеличение степени циркуляции приводит к более равномерному распределению концентрации рабочей жидкости по всему объему аппарата и, как следствие, снижению удельных затрат электроэнергии с сохранением качества перемешивания рабочей жидкости. При этом в проточной полости аппарата имеет место ситуация, способствующая минимальному образованию застойных зон, что положительно отражается на коэффициенте полезного действия и работе аппарата в целом.

В практическом плане используя результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований, авторами были сделаны конструктивные проработки биореакторов с профилированием основных корпусных элементов, которые получили положительную экспертную оценку и были защищены патентами Российской Федерации [10-13].

Таким образом, в результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований становится вполне реально разрешимой задача по конструированию современных биореакторов с глубинным культивированием актиномицетов для защиты древесных насаждений.

иабс = 1,843 + 0,0027n - 62,257R -- 11,797H - 3,7 • 10-6n2 - 0,0092nH + + 397,665R2 + 248,319RH,

иокр = 1,79 +0,003n - 62,087R -

- 11,533H - 4,2 • 10-5n2 - 0,0098nH + ,2

+ 394,68R2 + 245,28RH,

ирад = -0,0174 + 0,00011n + 0,207R + + 0,191H - 3,931

10~V - 0,0017nR -

- 0,00024nH + 0,619R2 - 3,079RH - 0,587H2,

U,

= 0,093 - 5,354R - 2,323 • 10

V +

+ 0,0035nR - 0,00092nH + + 42,602R2 + 16,815RH - 2,807H2,

где п - частота вращения ротора, об/мин; Я - радиус рассматриваемого сечения в аппарате, м; Н - высота рассматриваемого сечения в аппарате, м.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Холланд Ф., Чапман Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов ; пер. с англ. под ред. Ф. М. Жорова. М. : Химия, 1974. 208 с.

2. Прохоренко В. П. Solid Works. Практическое руководство. М. : ООО «Бином-Пресс», 2004. 448 с.

3. Solid Works 2007/2008 Компьютерное моделирование в инженерной практике / А. А. Алямовский [и др.]. СПб. : БХВ-Петербург, 2008. 1040 с.

4. Иванов Д. А., Иванов К. А., Руденко А. П. О повышении продуктивности газожидкостных биореакторов // Проблемы и перспективы современной науки : научный журнал ISI (25.07.2016, г. Москва).

5. Ivanov K. A., Ivanov D. A., Rudenko A. P. The High-Technology bioreactors making ways with the Helicoid type rotor // European Journal of Natural History. 2012. № 2. P. 19-24.

6. Иванов Д. А., Иванов К. А., Руденко А. П. Создание многофункциональных емкостных аппаратов

6

а

г

с использованием имитационного моделирования // Химия растительного сырья. 2011. № 4. С. 319-324.

7. Иванов Д. А., Иванов К. А., Руденко А. П.

0 создании аппаратов для выращивания мицелиаль-ных форм микроорганизмов с использованием имитационного моделирования // Биотехнология. 2012. № 2. С. 80-86.

8. Иванов Д. А., Иванов К. А., Руденко А. П. Применение многофункционального аппарата с рабочей полостью профилированного сечения при культивировании микроорганизмов // Интеллектуальный потенциал ХХ1 века: ступени познания : сб. материалов V Междунар. студенческой науч.-практ. конф. Новосибирск, 2011. Ч. 2. С. 55-57.

9. Терентьев, О. А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве. М. : Лесная пром-сть, 1980. 248 с.

10. Пат. 2349375 Российская Федерация, МПК В

01 F 7/16 Емкостной аппарат непрерывного действия для перемешивания [Текст] / Руденко А. П., Еременко В. В.; заяв. и патентообладатель ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет». № 20061229075; заявл. 27.06.06; опубл. 20.03.09, Бюл. № 8. 5 с.; ил.

11. Пат. 2235584 Российская Федерация, МПК В 01 F 7/16 Емкостной аппарат непрерывного действия [Текст] / Руденко А. П., Еременко В. В.; заяв. и патентообладатель ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет». № 200312214415; заявл. 15.07.2003; опубл. 10.09.2004, Бюл. № 25. 6 с.: ил. 4

12. Пат. 2453589 Российская Федерация, МПК С12М 1/06, С12Т1/00.

13. Аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов [Текст] / Руденко А. П., Иванов Д. А., Иванов К. А.; заяв. и патентообладатель ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет». № 2011110842/10; заявл. 22.03.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17. 5 с.; ил. 5.

REFERENCES

1. Kholland F., Chapman F. Khimicheskiye reaktory i smesiteli dlya zhidkofaznykh protsessov ; per. s angl. pod red. F. M. Zhorova. M. : Khimiya, 1974. 208 s.

2. Prokhorenko V. P. Solid Works. Prakticheskoye rukovodstvo. M. : Binom-Press, 2004. 448 s.

3. Solid Works 2007/2008 Komp'yuternoye modeliro-vaniye v inzhenernoy praktike / A. A. Alyamovskiy [i dr.]. SPb. : BKHV-Peterburg, 2008. 1040 s.

4. Ivanov D. A., Ivanov K. A., Rudenko A. P. O povy-shenii produktivnosti gazozhidkostnykh bioreaktorov // Problemy i perspektivy sovremennoy nauki : nauchnyy zhurnal ISI (25.07.2016, g. Moskva).

5. Ivanov K. A., Ivanov D. A., Rudenko A. P. The High-Technology bioreactors making ways with the Helicoid type rotor // European Journal of Natural History. 2012. № 2. P. 19-24.

6. Ivanov D. A., Ivanov K. A., Rudenko A. P. Sozdaniye mnogofunktsional'nykh emkostnykh apparatov s ispol'zovaniyem imitatsionnogo modelirovaniya // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2011. № 4. S. 319-324.

7. Ivanov D. A., Ivanov K. A., Rudenko A. P. O sozdanii apparatov dlya vyrashchivaniya mitselial'nykh form mikroorganizmov s ispol'zovaniyem imitatsionnogo modelirovaniya // Biotekhnologiya. 2012. № 2. S. 80-86.

8. Ivanov D. A., Ivanov K. A., Rudenko A. P. Primeneniye mnogofunktsional'nogo apparata s rabochey polost'yu profilirovannogo secheniya pri kul'tivirovanii mikroorganizmov // Intellektual'nyy potentsial KHKHI veka: stupeni poznaniya : cb. materialov V Mezhdunar. studencheskoy nauch.-prakt. konf. Novosibirsk, 2011. Ch. 2. S. 55-57.

9. Terent'yev, O. A. Gidrodinamika voloknistykh suspenziy v tsellyulozno-bumazhnom proizvodstve. M. : Lesnaya prom-st', 1980. 248 s.

10. Pat. 2349375 Rossiyskaya Federatsiya, MPK V 01 F 7/16 Emkostnoy apparat nepreryvnogo deystviya dlya peremeshivaniya [Tekst] / Rudenko A. P., Eremenko V. V.; zayavitel' i patentoobladatel' GOU VPO "Sibirskiy gosudarstvennyy tekhnologicheskiy universitet". № 20061229075; zayavl. 27.06.06; opubl. 20.03.09, Byul. № 8. 5 s.; il.

11. Pat. 2235584 Rossiyskaya Federatsiya, MPK V 01 F 7/16 Emkostnoy apparat nepreryvnogo deystviya [Tekst] / Rudenko A. P., Eremenko V. V.; zayavitel' i patentoobladatel' GOU VPO "Sibirskiy gosudarstvennyy tekhnologicheskiy universitet". № 200312214415; zayavl. 15.07.2003; opubl. 10.09.2004, Byul. № 25. 6 s.: il. 4

12. Pat. 2453589 Rossiyskaya Federatsiya, MPK S12M 1/06, S12T1/00.

13. Apparat dlya vyrashchivaniya mitselial'nykh form mikroorganizmov [Tekst] / Rudenko A. P., Ivanov D. A., Ivanov K. A.; zayavitel' i patentoobladatel' GOU VPO "Sibirskiy gosudarstvennyy tekhnologicheskiy universitet". № 2011110842/10; zayavl. 22.03.2011; opubl. 20.06.2012, Byul. № 17. 5 s.; il. 5.

© Руденко А. П., Иванов К. А., Иванов Д. А., 2017

Поступила в редакцию 14.07.2017 Принята к печати 20.11.2017