Способ определения эффективности массообменных аппаратов
METHOD FOR DETERMINING MASS-EXCHANGE APPARATUS EFFICIENCY

Изобретение относится к способам определения эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием и может найти применение в микробиологической, фармацевтической и смежных отраслях промышленности.
Определение эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием позволяет осуществлять предварительный выбор биореактора с его гидродинамическими и массообменными характеристиками для реализации аэробного процесса биосинтеза биологически активных веществ, а также провести оптимизацию на основе математических моделей и алгоритмов оптимального управления.
La
Определить эффективность массообменных аппаратов можно при проведении технологического процесса культивирования клеток какого-либо микроорганизма. Зная количество подаваемого кислорода воздуха и состав отходящей газовой фазы, концентрацию растворенного кислорода в культуральной среде, количество элементов питательной и минеральной среды, количество получаемой биомассы, то при составлении материального баланса по газовой фазе можно вычислить объемный коэффициент массопередачи K.
Недостатком данного способа является то, что если культура микроорганизмов находится не в экспоненциальной фазе роста, то значения коэффициента массопередачи будут неверными, кроме того этот способ требует большого количества приборов КИП и А.
La
Наиболее известный способ определения эффективности массообменных аппаратов это модельный процесс абсорбции кислорода раствором сульфита натрия, который традиционно используется для сравнительных оценок массообменных характеристик биореакторов /1-4/ с помощью которого определяется не сам объемный коэффициент абсорбции кислорода K, а так называемое сульфитное число - М:
La
М=K×Ср,
где Ср - равновесная концентрация кислорода в жидкости, находящейся в равновесии с газовой фазой.
В основе сульфитного метода лежит реакция окисления сульфита натрия в присутствии катализатора - ионов меди или кобальта в сульфат натрия.
Избыток остающегося сульфита определяется обратным йодометрическим титрованием или колориметрическим путем. Концентрации сульфита применяются от 0,2 н. до 1 н.
Недостатком указанного способа является то, что:
- скорость химической реакции окисления сульфита значительно выше скорости абсорбции, поэтому общая скорость процесса определяется скоростью абсорбции. Определяемый этим методом сульфитный коэффициент (сульфитное число) М характеризует скорость абсорбции кислорода в данном аппарате. М определяется физико-химическими свойствами раствора сульфита и гидродинамическими параметрами системы, поэтому данный коэффициент может быть использован лишь для относительного сравнения массообменных возможностей аппаратов. При переходе к аэрации культуральной жидкости скорость абсорбции кислорода может быть совсем иной,
La
- обычно величина K, определенная сульфитным методом, выше найденной прямыми методами. Кроме того, механизм реакции окисления сульфита изучен недостаточно. Известно лишь то, что эта реакция очень чувствительна к катализу и ингибированию. Даже весьма незначительные отличия в качестве сульфита или наличие следов поверхностно-активных веществ могут существенно изменить значение М. Все это существенно ограничивает возможности применения сульфитного метода для оценки массообменных характеристик ферментационного оборудования,
- процесс биосорбции (потребление кислорода клеткой) и хемосорбции очень сильно разнятся,
- применение этого метода для крупнотоннажного оборудования потребует много сульфита натрия и как следствие больших финансовых затрат. В связи с этим этот метод применим для лабораторных и пилотных аппаратов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (прототипом) является определение объемного коэффициента массопередачи по эмпирическим уравнениям /5/, которые представлены в виде:
La
v
n
m
K=А*N*ϕ; /1/
v
где: N - удельная мощность, Вт/кг; ϕ - газосодержание, %; A, n, m - коэффициенты, свойственные для данного вида аппарата.
Недостатком указанного способа является большая недостоверность определения удельно - вводимой мощности и как следствие - объемного коэффициента массопередачи. Объясняется тот факт следующим. Для привода перемешивающего устройства, например, мешалки используют асинхронные двигатели, которые для осуществления плавности регулировки скорости оборотов в широком диапазоне оснащают преобразователем частоты. КПД двигателя зависит от нагрузки и может колебаться от 75 до 96% и потому для различных скоростей оборотов мешалки непосредственное измерение потребляемой мощности будет не корректным. Что касается газосодержания, то оно легко определяется как соотношение объема газовой фазы к объему газожидкостной смеси.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является высокая достоверность определения объемного коэффициента массопередачи в широком диапазоне скорости оборотов мешалки простота и быстрота определения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является повышение точности и уменьшение времени определения объемного коэффициента массопередачи.
Согласно современным научным представлениям, энергия - это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. В случае механического перемешивания жидкости в ферментере происходит ее нагрев, т.е. происходит переход механической формы энергии за счет вращения привода мешалки электродвигателем в тепловую энергию. На этом принципе и основано данное изобретение при расчете удельной мощности для определения эффективности массообменных аппаратов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе определения эффективности массообменных аппаратов удельная мощность пошедшая на перемешивание среды в аппарате определяется по формуле:
v
1
2
N=C*(t-t)/Δτ, /2/
1
2
где: С - удельная теплоемкость жидкости, Вт ч / кг °C; t-t - разница температуры жидкости за время определения, °C; Δτ - время определения, час.,
а определение объемного коэффициента массопередачи по эмпирическому уравнению /1/.
Способ осуществляется следующим образом.
1
2
В аппарат наливают рабочее количество воды при температуре равной окружающей температуре воздуха. Устанавливают нужный режим оборотов мешалки и подачи воздуха, включают секундомер. Аппарат на время проведения исследования лучше временно теплоизолировать подручными материалами. Через некоторое время (5-10 минут) зафиксировать на сколько градусов нагрелась вода в аппарате. По формуле /2/ вычислить удельную мощность. Для определения газосодержания в аппарате можно воспользоваться обычной линейкой. Делается два измерения: одно это уровень жидкости без аэрации и перемешивания (h) другое измерение это верхний уровень жидкости при рабочем режиме (h). Газосодержание определяется из соотношения:
2
1
2
ϕ=h-h/h, % /3/
далее по формуле /1/ вычислить объемный коэффициент массопередачи для данного типа ферментера.
Простота этого способа заключается в элементарных средствах измерения - это секундомер и линейка, термопара или градусник которые обычно штатно входят в комплект ферментера. Количеством тепла пошедшего на нагревание самого аппарата можно пренебречь, поскольку вес аппарата обычно в 2-3 раза меньше веса рабочей жидкости в аппарате, а теплоемкость металла из которого изготовлен аппарат почти на порядок меньше теплоемкости воды.
Примеры осуществления способа.
Далее в таблице представлены результаты определения объемного коэффициента массопередачи ферментера с двухярусной мешалкой рабочим объемом 10 литров и удельной подачей воздуха 100 л на 1 литр рабочего объема в час.