Содержание к диссертации
Введение
1. Аппаратурно-технологическое оформление основных методов культивирования фототрофных микроорганизмов
1.1. Методы получения биомассы спирулины на современном этапе 16
1.2. Морфологические и метаболические особенности цианобактерии Spirulina
1.2.1. Влияние температуры 20
1.2.2. Влияние освещенности 20
1.2.3. Влияние солей и других химических соединений 21
1.3. Химический состав и его изменение в зависимости от внешних условий культивирования
1.4. Описание методов культивирования цианобактерии Spirulina 28
1.4.1. Культивирование в бассейнах открытого типа 28
1.4.2. Производство в реакторах трубчатого типа 31
1.4.3. Тонкослойные и пластинчатые фотобиореакторы 36
1.4.4. Производство спирулины с использованием фотобиореакторов 39
глубинного культивирования
2. Теоретическое обоснование выбора аппаратурного оформления процесса культивирования цианобактерии spirulina
2.1. Новые конструкции фотобиореакторов для культивирования спирулины
2.2. Теоретические основы расчета фотобиореакторов для культивирования фототрофов с механолабиль-ной структурой клеток
3. Гидродинамические и массообменные испытания аппаратов с гибкими мешалками
3.1. Экспериментальная установка для гидродинамических и массообменных испытаний и методика проведения опытов
3.2. Испытания экспериментальной установки
3.2.1. Гидродинамические испытания аппаратов с жесткими и гибкими мешалками
3.2.2. Определение мощности на перемешивание 71
3.2.3. Определение критерия мощности и коэффициента сопротивления гибких мешалок
3.2.4. Массообменные испытания аппаратов с жесткими и гибкими мешалками и определение объемного коэффициента массопередачи
3.2.5. Сравнение значений объемного коэффициента массопередачи 93
КLa , полученных опытным и теоретически?/! путем
4. Технологические испытания аппаратов с гибкими мешалками для культивирования цианобактерии spirul1na
4.1. Методика проведения технологических испытаний 101
4.2. Технология промышленного производства спирулины
4.2.1. Блок-схема технологического процесса ПО
4.2.2. Технологическая схема установки полупромышленного типа 110
5. Экономическое обоснование разрабатываемого способа культивирования
5.1. Производительность установок 113
5.2. Понятие приведенных затрат 114
5.3. Определение себестоимости продукта 114
5.4. О коэффициенте заполнения объема производственных помещений 118
Основные результаты и выводы 120
Список литературы
- Морфологические и метаболические особенности цианобактерии Spirulina
- Теоретические основы расчета фотобиореакторов для культивирования фототрофов с механолабиль-ной структурой клеток
- Гидродинамические испытания аппаратов с жесткими и гибкими мешалками
- Технология промышленного производства спирулины
Введение к работе
Разработка и создание новой эффективной аппаратуры для культивирования фототрофов имеет важное научно-техническое и экономическое значение, т.к. на мировом и российском рынке существует потребность в получении сравнительно недорогой и в то же время высококачественной биомассы, содержащей ряд ценных, незаменимых органических веществ, используемых в различных отраслях народного хозяйства. Перспективным объектом изучения является представитель семейства цианобактерий рода Spirulina. Данная работа направлена на разработку технологий производства пищевой спирулины высокого качества в условиях нашего климата. С середины семидесятых к этой цианобактерий наблюдается необычайно живой интерес со стороны ученых всего мира. Он особенно возрос в последние годы. Спирулина действительно обладает рядом ценнейших качеств, что позволяет называть ее "микроводорослью будущего". Свойства и состав спирулины в настоящее время изучены достаточно хорошо. Полученные в результате анализов данные позволяют сделать вывод о высокой пищевой ценности и прекрасной усвояемости этой водоросли организмом человека и животных. В ее клетках содержатся очень важные и нужные человеческому организму вещества, начиная от большого количества растительных белков и заканчивая целым комплексом разнообразных витаминов и микроэлементов. По данным организаций FAO и ВОЗ биохимический состав клеток спирулины наилучшим образом соответствует потребностям человеческого организма по сравнению с основными традиционными источниками белка.
Употребление спирулины в пищу рекомендовано как здоровым людям, начиная от младенческого возраста и заканчивая преклонным, так и людям, страдающим различными острыми и хроническими заболеваниями, т.к. спирулина не обладает токсичными свойствами, не имеет противопоказаний и обладает общеукрепляющим оздоровительным эффектом. По данным ВОЗ она является защитным профилактическим средством против 70% известных болезней.
Итак, необходимость производства биомассы спирулины очевидна. Возникает вопрос, каковы же реальные потребности в этом продукте на сегодня?
Как показывают проведенные американскими специалистами маркетинговые исследования, начиная с 1995 года, вследствие все возрастающего спроса на мировом рынке наблюдается наиболее интенсивный рост производства биомассы спирулины.
Очевидно, что разработка и пуск наиболее перспективных и коммерчески выгодных установок по промышленному производству этой цианобактерии позволят решить многие проблемы по обеспечению населения планеты, и в частности России, высококачественными продуктами пищевого и медицинского назначения.
К сожалению, методы получения биомассы спирулины на
современном этапе далеки от совершенства и не позволяют
получить экологически чистый и одновременно
конкурентоспособный по цене продукт. Перед массовым производством фототрофных микроорганизмов стоит проблема организации управляемого, контролируемого и асептического процесса культивирования, т.е. получения продукта с заданным биохимическим составом, который в большой степени зависит от условий освещения. Кроме того, применяемые сегодня в большинстве стран (Индия, Китай, Мексика, Вьетнам, Таиланд) методы культивирования в открытых бассейнах требуют благоприятного климата, что невозможно в умеренных широтах.
Наконец, немаловажное значение имеет повышение продуктивности биомассы микроорганизмов, т.е. интенсификация процессов массопереноса и светоподвода, что для микроорганизмов типа спирулины осложняется механолабильной нитчатой структурой клеток.
Таким образом, создание фотобиореакторов для культивирования таких фотосинтезирующих микроорганизмов, как спирулина и усовершенствование уже имеющихся конструкций является актуальной задачей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание принципиально новых и усовершенствование уже существующих аппаратов для реализации интенсивных процессов культивирования фототрофных микроорганизмов с механолабильной структурой клеток в закрытых условиях и с искусственным освещением.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На основе изучения современных методов промышленного культивирования и анализа существующих
з конструкций фотобиореакторов предложены принципиально новые схемы организации потоков в аппарате с использованием гибких мешалок различной геометрии. В результате проведенных экспериментов разработан новый способ перемешивания жидкости. Предложена расчетная модель, позволяющая сделать количественную оценку как коэффициента массоотдачи частицы в сдвиговом потоке, так и касательного напряжения на поверхности частицы в сдвиговом потоке. Определен критерий оценки скорости диссипации турбулентной энергии, найдено его пороговое значение, при котором сохраняется целостность мембранных оболочек микроорганизмов при интенсивном перемешивании культуральной жидкости. Предложен интегральный критерий оценки эффективности установок для культивирования фототрофов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные зависимости для расчета продуктивности фотобиореакторов могут быть использованы для сравнения различных конструкций в плане оценки эффективности использования удельной энергии на перемешивание. Разработанная расчетная модель позволяет сделать оценку возможности применения того или иного метода перемешивания для микроорганизмов с механолабильной структурой клеток. Предложенная модель для расчета скорости диссипации турбулентной энергии может быть использована для создания методики инженерного расчета оптимального режима перемешивания механолабильных культур. На основе проведенных лабораторных испытаний фотобиореакторов с погружными источниками света и полостного типа созданы две конструкции полупромышленных аппаратов с рабочим объемом 100 литров. Разработанные фотобиореакторы с рабочим объемом 6 литров используются в ИМБП (Институт медико-биологических проблем) и в институте ВНИИ Биотехника. Получены образцы биомассы высококачественной спирулины с высоким содержанием пигмента фикоцианина, который является важным критерием оценки качества продукта.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы обсуждались на II Международном Аэрокосмическом Конгрессе, проходившем 5-12 сентября 1997 г. в Москве; на научно-технических конференциях МГАХМ в 1997 г. "Труды МГАХМ, Выпуск 2"; на IV Международной Конференции ІТ+МЕ'98 "Новые информационные технологии в медицине и экологии", проходившей
в Крыму 26 мая - 4 июня 1998 г.; VII Международной конференции IT+ME'99 "Новые информационные технологии в медицине и экологии", проходившей в Крыму 31 мая - 11 июня 1999 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ. Подана заявка на выдачу патента на способ перемешивания.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация изложена на 129 страницах, состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Содержит 31 рисунок и 30 таблиц.
Морфологические и метаболические особенности цианобактерии Spirulina
Производство биомассы спирулины налажено во многих странах мира: как в развивающихся, таких как Индия, Мексика, Китай, Корея, страны Африки, так и в высокоразвитых, таких как США, Франция, Испания, Израиль, Япония и т.д. В нашей стране получение этой цианобактерии пока затруднено, т.к. в СССР спирулину получали в основном в республиках с теплым климатом и длительным солнечным периодом (Таджикистан, Туркменистан). Сейчас же приходится закупать биомассу за рубежом. Сложности производства возникают в основном из-за того, что спирулина требует обеспечения определенных условий культивирования (высокая температура, продолжительный световой день и т.п.), которые доступны в странах с теплым климатом, где ее довольно просто получают методами культивирования в открытых бассейнах. В нашей стране такие методы неприемлемы и необходимо создание аппаратов закрытого типа с искусственным освещением. Существующие фотобиореакторы различных типов и конструкций обладают низкой производительностью и, как следствие, низкой степенью использования в коммерческих целях и требуют существенной доработки и совершенствования. Классификация современных фотобиореакторов по принципу действия того или иного аппарата приведена в работе [2]. Согласно этой классификации все реакторы можно разделить на несколько групп: - по организации светопринимающей поверхности: 1) аппараты с фиксированной поверхностью светоподвода; 2) аппараты с поверхностью, образованной в результате движения. - по общности зон абсорбции и светоподвода: 1) аппараты с единой зоной абсорбции и светоподвода; 2) аппараты с разобщенными зонами абсорбции и светоподвода. - по способу организации реакционного слоя: 1) тонкослойные; 2) пленочные; 3) глубинные; 4) аппараты со слоем суспензии, образованным за счет центробежных сил. - по способу подвода энергии на перемешивание: 1) с подводом энергии через газовую фазу (барботажные и эрлифтные); 2) с подводом энергии через жидкую фазу (с самовсасывающими мешалками, с механическими перемешивающими устройствами, с инжекторными системами, с внешними циркуляционными контурами); 3) аппараты с комбинированным подводом энергии на перемешивание (барботер и мешалка).
Данная классификация основана на критерии разделения аппаратов по общности светоподвода и абсорбции, вытекающем из анализа кинетики реакций фотосинтеза. Но, исходя из критерия оценки по коммерческой выгодности того или иного типа аппаратов, все фотобиореакторы можно разделить по другому принципу. Этот подход включает в себя изучение современных методов получения биомассы спирулины, эксплуатирующих различные конструкции фотобиореакторов. Основными критериями оценки в данном случае являются простота изготовления и эксплуатации, высокая производительность, также немаловажным фактором является применимость метода в той или иной местности и условиях окружающей среды.
Существующие аппараты для получения биомассы спирулины могут быть разделены на: бассейны открытого типа (используются в странах с жарким климатом: Мексика, Чили, Индия, Бирма, страны Африки); трубчатые реакторы (Туркменистан, Таджикистан, Франция, Испания, Израиль); тонкослойные реакторы (Италия, Израиль); аппараты глубинного культивирования (Франция, Италия, Россия, Индия). Рассмотрим целесообразность коммерческого использования этих реакторов для культивирования спирулины. Но прежде всего для сравнения аппаратов по указанному принципу необходимо привести некоторые специфические особенности этой цианобактерии.
В морфологическом отношении спирулина обладает сложной нитчатой структурой. Она относится к многоклеточным микроорганизмам и состоит из клеток, соединенных между собой микроплазмодесмами, т.е. тонкими каналами, проходящими через поперечные клеточные стенки. Такие многоклеточные нити носят название трихомов. К тому же трихомы имеют форму закручивающейся спирали, что отчетливо видно при увеличении под микроскопом (рис. 1.1) [3]. Диаметр трихомов колеблется от 8 до 9 мкм. Трихомы состоят из вегетативных клеток, которые не покрыты чехлом, как у некоторых других микроводорослей этого вида, и не ветвятся. Спирулина способна к скользящему движению по твердой поверхности, она проявляет способность к фотокинезису, т.е. изменению скорости движения в зависимости от интенсивности света. У нее обнаружена фотофобная реакция, которая выражается в нарушении линейного поступательного движения клеток при изменении интенсивности света. Кроме того, наблюдается фототаксис (перемещение параллельно лучам света) и хемотаксис. Размножение спирулины связано с разрывом трихомов и образованием фрагментов из двух - трех и большего числа клеток. Эти фрагменты называют гормогониями, они способны к движению. [3]. Спирулина имеет ригидную клеточную стенку, которая состоит из внутреннего слоя, образованного пептидогликаном (муреином), и внешней мембраны. В состав внешней мембраны входят белки, липополисахариды с антигенной активностью и липиды. Разрыв трихомов у спирулины платенсис происходит вследствие нарушения целостности белково-липидной мембраны, что вызывает гибель клеток [1].
В природной среде обитания спирулина является обычным живым организмом, подверженным воздействию физических и химических факторов окружающей среды: интенсивности солнечного света, концентрации солей в водоеме, температуры, пониженной влажности, недостатка питательных веществ и т.д. Поэтому, чтобы выжить в условиях резких колебаний различных природных факторов, спирулина, как и всякий другой организм, должна быстро адаптироваться к ним. Ее реакция на стрессовые ситуации отражается на изменениях в общем метаболизме и генной структуре.
Многие исследователи сходятся во мнении, что главной причиной, препятствующей развитию промышленного производства биомассы спирулины, является сравнительно низкий выход продукта. Они считают, что внешние воздействия могут стать одним из факторов, при помощи которого можно влиять на выход биохмассы. Поэтому одним из путей для увеличения производительности существующих установок и снижения производственных затрат является изучение реакции цианобактерии на лимитирующие факторы, посредством которых можно контролировать производство в жидкой культуральной среде: интенсивность освещения, температуру и концентрацию солей.
В результате длительного изучения поведения спирулины в лабораторных условиях культивирования была определена оптимальная температура роста. Она составила 33 - 35С. Некоторые штаммы были способны развиваться при температурах вплоть до 42 С, более высокие температуры были губительны. При ограничении освещенности и увеличении температуры культивирования наблюдается повышенное образование углеводов и липидов в клетках [I].
Теоретические основы расчета фотобиореакторов для культивирования фототрофов с механолабиль-ной структурой клеток
схеме показан цилиндрический аппарат 1 рабочим объемом 3,0 литра, установленный на станине 2. Внутрь аппарата помещены источники света 16 — 6 ламп ТБЦ-9 мощностью 9 Вт каждая. Т.к. процесс культивирования стерилен, то контакт с окружающим воздухом осуществляется через гидрозатвор 9. В качестве мешалки были использованы гибкие петлеобразные элементы. размещенные на валу электропривода 4, расположенного в нижней части и приводимого во вращение при помощи электродвигателя постоянного тока П-11 мощностью 300 Вт, обозначенного на схеме под номером 3, через клиноременную передачу 5. Блок электропривода 6 включал в себя измерительные приборы, для регулирования частоты вращения вала перемешивающего устройства. После загрузки инокулята в аппарат подавалась питательная среда, газовоздушная смесь, получаемая при смешивании технологических газов из баллонов со сжатым газом 7 и 8. Расход газов измерялся при помощи ротаметров 10 и 11, для регулировки использовались вентили 12, 13. Кислотность среды измерялась при помощи двух электродов рН-датчика 18, а при отклонениях ее от нормы дозатор 19 при помощи насоса 20 перекачивал из емкости 21 необходимое количество титрующего агента (в данном случае это была азотная кислота). Для создания оптимальной температуры процесса использовался трубчатый теплообменник 14, который приводился в действие при включении контактного термометра 15.
Некоторое время на начальном этапе культивирования наблюдался слабый рост микроорганизмов, но затем культура приходила в угнетенное состояние и погибала. Анализ причин гибели культуры привели к выводу о необходимости изоляции суспензии от непосредственного контакта с источниками света, т.к. происходил локальный перегрев на поверхности ламп. После этого лампы были помещены в стеклянные защитные корпуса с возможностью их воздушного охлаждения. Эта мера помогла избежать недостатков предыдущей конструкции, т.к. появилась возможность регулировать температуру на корпусах. При интенсивном перемешивании локальный перегрев отсутствует, однако корпуса необходимы для предотвращения гибели популяции микроорганизмов при возможной разгерметизации осветительных ламп, которые зачастую содержат различные ядовитые вещества.
Следующим опытом из этой серии было испытание полостного реактора объемом 5,0 л. Схема установки представлена на рис. 2.2. Она аналогична вышеописанной по принципу действия. Основным отличием ее является аппарат, примененный для культивирования. Он представляет собой сферообразную обечайку с встроенным теплообменником. Мешалка типа «беличьего колеса» приводится в действие двигателем постоянного тока, образует полость, в которую помещают мощный источник света (400 - 600 Вт). В данном случае поверхность образуемой полости является рабочей: на ней происходит фото- и газоабсорбция.
Проведенный опыт показал, что культура растет, но со временем источник света покрывается налетом из капель суспензии («зарастает») и наблюдается снижение освещенности. Как выход из создавшейся ситуации, была разработана специальная конструкция кожуха осветительного блока с функциями теплообменника, что позволило избежать нарастания биомассы на стенках ламп.
В итоге всех этих исследований были предложены две усовершенствованные конструкции фотобиореакторов {рис. 2.3 и 2.5), а также предложен новый способ перемешивания жидкостей с помощью мешалок, изготовленных из современных пластичных материалов. За основу, в качестве прототипов новых аппаратов, были взяты известные конструкции реактора с погружными источниками света и реактора с полостью, образуемой в результате вращения «беличьего колеса». Существенным отличием предложенных аппаратов является то, что в качестве лопастей мешалок в них установлены гибкие перемешивающие элементы различных конфигураций.
Устройство фотобиореактора с погружными источниками света является типичным для реакторов глубинного типа, используемых в биотехнологических процессах. Он выполнен в виде цилиндрического сосуда с рабочим объемом 100 литров. Источниками света служат люминисцентные лампы, помещенные в профилированные прозрачные кожухи, вертикально расположенные параллельно оси аппарата. Профиль осветительных блоков близок по форме к форме лопасти турбины. Такой профиль удобен с точки зрения лучшего обтекания и создания минимального сопротивления потоку жидкости. Важно также учитывать и расположение осветительных блоков: они установлены под определенным углом к оси аппарата, который был определен в результате специальных модельных испытаний. Термостатирующая жидкость
Схема фотобиореактора с погружными источниками света Было разработано устройство (рис. 2.4) для определения оптимального угла установки осветительных блоков, чтобы избежать основного недостатка реакторов с погружными источниками света, который заключается в нарастании (налипании) биомассы спирулины на стенках осветительных устройств из-за образования застойных зон. Данное устройство позволяет осветительным блокам свободно ориентироваться в потоке жидкости под действием пульсаций самой жидкости. В данном случае сопротивление потоку минимально, а, следовательно, возникновение застойных явлений также маловероятно.
Отличительной особенностью конструкции является использование теплового излучения от ламп для поддержания необходимого температурного режима культивирования. Дополнительно снаружи обечайки реактора установлен теплообменник, в который подается термостатирующая жидкость. Следующей особенностью данной конструкции является мешалка, выполненная из гибких, эластичных элементов, расположенных на жестком валу перемешивающего устройства. Для проведения испытаний разработанного аппарата использовалась мешалка, по форме напоминающая лопастную (рис. 2.5в). Для формирования жидкостного потока различного профиля также могут применяться мешалки других геометрических конфигураций. Некоторые из них показаны на рисунках 2.5 а - е. Мешалка, имеющая конфигурацию, показанную на рис. 2.5а, по характеру создаваемого ею потока аналогична лопастной жесткой мешалке, мешалка 2.56 — аналогична пропеллерной, а 2.5в — турбинной. Также на рис. 2.5г показана двойная мешалка, состоящая из двух гибких «лопастных». Может быть создана комбинированная мешалка, состоящая из нескольких «пропеллерных», «лопастных» или «турбинных» для получения нужного профиля потока, наиболее подходящего для того или иного процесса. Гибкие мешалки позволяют избежать главного недостатка жесткого перемешивания — их разрушительного воздействия на хрупкие нитчатые клетки спирулины. Кроме того, предложенный способ перемешивания позволяет достигать достаточно высоких массообменных характеристик при отсутствии циклических нагрузок на вал и вибраций в подшипниковых узлах. Гибкие элементы мешалки свободно ориентируются в потоке перемешиваемой жидкости, оказывая ему тем самым минимальное сопротивление. Гидродинамические испытания этой конструкции показали, что расход электроэнергии на перемешивание значительно снижается при сравнительно высокой интенсивности массообмена. Благоприятный режим перемешивания жидкости создает микропульсации в потоке, что прекрасно сказывается на эффективности перемешивания и турбулизации потока.
Гидродинамические испытания аппаратов с жесткими и гибкими мешалками
Главным преимуществом сульфитной методики является равенство нулю, либо близость к нулю концентрации поглощаемого компонента в жидкости, а также независимость скорости поглощения кислорода от концентрации сульфита натрия в растворе. Все это дает возможность четко определять движущую силу процесса и проводить опыты без протока по жидкой фазе. Поэтому опыты на этой системе велись без протока жидкости через аппарат (нестационарная методика).
Данная методика применяется для широкого класса процессов аэробного культивирования микроорганизмов, т.к. для них вопросы кислородного снабжения клеток являются определяющими. В этом случае целесообразно характеризовать ферментеры различного класса такими показателями, как объемный коэффициент массопередачи по кислороду (Kia), скорость сорбции Ун У к кислорода ( -о, KLa-kC\ степень его использования ( Ро2 = ) и обобщающим показателем затрат энергии на единицу переданного кислорода N { о, v А ) [57]. Спирулина не относится к аэробным микроорганизмам, а v Ао2 потребление кислорода для нее не является лимитирующим фактором. Однако сравнение традиционных мешалок и предложенных в данной работе может быть проведено с использованием основных принципов и характеристик, принятых для оценки аэробных процессов.
Важнейшей массообменной характеристикой биореакторов для оценки скорости происходящих в них биохимических реакций в присутствии микроорганизмов принято считать объемный коэффициент массопередачи KLa . Если принять сульфитную методику за основу, то для оценки массообменных характеристик аппаратов будут существенны следующие параметры [51]: осредненная по объему аппарата удельная скорость абсорбции dC ZS кислорода —г-, кг021 м ч и объемный коэффициент массопередачи К La , ч , ат где: а — удельная поверхность фазового контакта, м }; КL —поверхностный коэффициент массопередачи, міч. Применение объемного коэффициента массопередачи К La вместо поверхностного КL связано со сложностью определения удельной поверхности фазового контакта а в аппаратах с диспергированием газовой фазы. В предположении неизменности и равнодоступности поверхности барботируемых пузырей, дифференциальное уравнение абсорбционного газообмена барботируемого через аппарат воздуха с перемешиваемой в объеме аппарата культуральной жидкостью имеет вид: С = СН при Г = 0, (3.14) отвечающее тому факту, что согласно основной идее сульфитной методики, в начальный момент времени значительная часть кислорода, присутствовавшего ранее в жидкости, оказывается связанной введенной порцией сульфита натрия, так что начальная концентрация кислорода в жидкости С н оказывается существенно меньше равновесной концентрации С . Тем самым создается движущая сила процесса поглощения кислорода жидкостью из барботируемого воздуха. С учетом С«0: dC — = KLa-C, (ЗЛ5) Используя представления о данной реакции, как хемосорбционном процесса, можно записать: где Е — коэффициент ускорения абсорбции кислорода за счет химической реакции, влияющей на распределение концентрации кислорода у поверхности раздела фаз.
Необходимо отметить, что эксперименты с поглощением кислорода воздуха раствором сульфита натрия приводят к значительному завышению объемных коэффициентов массопередачи по сравнению с измеряемыми при физической абсорбции. Причиной ускорения адсорбции является, наряду с ускоряющим влиянием быстрой реакции, обнаруживаемое в экспериментах значительное увеличение газосодержания и удельной поверхности контакта фаз, вызванное присутствием в растворе электролита. В настоящее время нет единого мнения о том, сохраняется ли пропорциональность между объемными коэффициентами массопередачи при окислении сульфита натрия и физической абсорбции кислорода водой в достаточно широком диапазоне условий перемешивания. Так, по данным работы [58], значение Е равно 3. Всесторонняя экспериментальная проверка, проведенная в работах [59, 60], показала, что при одинаковых значениях удельного газосодержания р отношение значений К La , измеренных при окислении сульфита и физической абсорбции кислорода, равно 3,0 - 3,3; значения КLa, измеренные в случаях физической абсорбции и десорбции кислорода при различных условиях перемешивания, практически совпадают [61].
Таким образом, применение сульфитной методики позволяет оценивать и сравнивать ферментационную аппаратуру по величине скорости сорбции на модельной среде, а также определять значение коэффициента массоотдачи по кислороду при физической абсорбции с учетом ускорения процесса химической реакцией.
Ряд экспериментальных методов основан на измерении концентрации растворенного в среде кислорода. Так, метод с барботажем газа заключается в измерении скорости изменения концентрации растворенного кислорода при аэрации после периода предварительного продувания азотом среды. В этом случае общее уравнение баланса имеет вид: где go, — скорость потребления кислорода клетками, кг Iм" с . При условии g0, = 0 уравнение принимает вид: Значение коэффициента КLa удобно получить графическим построением. Интегрируя выражение (3.18), с начальным условием С = 0 при т = 0, Тогда на графике в координатах 1п(С - С) 4- т тангенс угла наклона определит значение КLa . Интегральный метод предполагает постоянной величину скорости потребления кислорода клетками (g0,) в течение короткого промежутка времени. Расчетное выражение получается непосредственным интегрированием уравнения (3.17) с начальными условиями С = 0 при т = О : Однако нами была проведена серия опытов с использованием модифицированного динамического метода.
Разница состоит в том, что концентрация растворенного кислорода постоянно замеряется при помощи мембранного кислородного датчика. Барботаж осуществляется постоянно, т.е. модельная жидкость максимально насыщена кислородом. Затем в какой-то момент времени в нее помещается катализатор (сульфит меди) и определенное избыточное количество сульфита натрия. Происходит практически мгновенное связывание подаваемого в жидкость кислорода, а именно, в результате кратковременной химической
реакции 2Na2S03 + 02 = 2Na2S04 сульфит натрия окисляется растворенным кислородом до сульфата. Далее, в течение некоторого промежутка времени А т , пока не прореагирует весь введенный в жидкость сульфит, в растворе, несмотря на продолжающийся барботаж, поддерживается нулевая концентрация растворенного кислорода, а затем происходит обратный процесс — насыщение жидкости подаваемым при барботаже кислородом. Задача состоит в том, чтобы измерить этот промежуток времени. На рис. 3.5 показан схематичный график изменения концентрации растворенного кислорода за время проведения эксперимента.
Технология промышленного производства спирулины
Под производительностью здесь будем считать количество биомассы, снимаемой ежесуточно. Однако сразу нужно оговорить условие, состоящее в том, что удельная производительность в установках лоткового типа измеряется в граммах СБ (сухой биомассы) на квадратный метр освещенной поверхности культуральной жидкости, в то время как удельная производительность трубчатых и глубинных установок измеряется в граммах на кубический метр. Эта разница объясняется характером подвода к культуре лучистой энергии, которая является основным лимитирующим фактором, оказывающим влияние на скорость роста. Обычно производительность в лотковых установках колеблется в пределах от 3 до 9 г I м2 сут. (завод по производству спирулины в г. Анений Ной, Молдова). Для расчетов принимаем. среднее значение удельной производительности — 6 г м2 сут. В предложенных аппаратах она достигает 1 г I л ут. (1000 г I м3 сут.) и выше, что уже характеризует преимущество нового способа по сравнению с традиционными методами получения спирулмны.
Понятие приведенных затрат При расчете любого производства, в том числе и биотехнологического обычно принято определять приведенные затраты, которые можно найти по формуле: К3 + Э3-Ла Ш р , (5.1) р где ПЗ — приведенные затраты; КЗ — капитальные затраты; ЭЗ — эксплуатационные затраты; \ — коэффициент амортизации; р — расчетная производительность.
Как известно, капитальные затраты включают в себя затраты на строительство зданий и сооружений, прокладка коммуникаций (строительство водопроводов и канализации, отопительных и осветительных систем), изготовление и монтаж аппаратуры.
Под эксплуатационными затратами понимают энергозатраты на освещение и отопление, аренду производственных площадей, закупку сырья и комплектующих, обслуживание оборудования и технологического процесса (зарплата обслуживающего персонала).
Таким образом, приведенные затраты позволяют судить о себестоимости получаемого продукта, которая, в свою очередь, является главной характеристикой экономической эффективности того или иного производства.
Мировые цены на СБ спирулины колеблются в зависимости от альгологическои чистоты конечного продукта и его биохимического состава в пределах от 25$ до 850$ за кг [85]. Условно будем считать, что получаемый продукт во всех приведенных случаях имеет одинаковый состав и качество. Чтобы упростить расчет, будем считать, что капитальные затраты и затраты на обслуживание приблизительно одинаковы. Учтем только параметры, существенно влияющие на себестоимость — это затраты на электроэнергию (освещение культуральной жидкости) и аренду помещений.
Для расчета принимаем расчетную производительность (- р) равную 10000 кг/год. Посчитаем расход электроэнергии на освещение. Однако при расчете надо учесть способ подачи световой энергии. В лотковых аппаратах осуществляется освещение поверхности, поэтому считают расход удельной энергии на единицу площади. В аппаратах трубчатого и глубинного типа ведется расчет удельных затрат электроэнергии на единицу объема.
Для освещения лотков используются лампы мощностью 600 Вт, по одной лампе на 1 квадратный метр освещаемой площади лотков. Годовой расход электроэнергии на освещение составит:
Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установках трубчатого типа Для примерного расчета возьмем трубчатую установку, эксплуатируемую в ЗАО «Вета» (г. Москва). Там используется трубчатый реактор с рабочим объемом 5000 л, занимающий помещение с площадью 80 м . Для освещения указанного объема суспензии используется 1100 ламп мощностью 400 Вт каждая.
Как известно, важным элементом при проектировании новых производств является расчет площадей, занимаемых установкой. Особенно остро эта проблема встает в последнее время в связи с высокими ценами на арендуемую под производственные помещения площадь. Площадь в закрытых помещениях должна быть минимальной, что достигается только при компактности размещаемого на них оборудования. Для сравнения установок различного типа с предлагаемыми нами была предложена такая важная характеристика как коэффициент компактности: Ку=Гз У„ (5.3) где У І — суммарный объем, занимаемый всей установкой, а — собственный объем фотобиореактора.
Проведены оценочные расчеты для реакторов различного типа (тарельчатых, лотковых, открытых бассейнов, тонкослойных, трубчатых, с погружными источниками света и полостных) и установлено, что полостные реакторы превосходят все остальные не только по эффективности, но и по коэффициенту компактности. Это свидетельствует об экономической выгодности именно полостных фотобиореакторов для создания установок промышленного типа.
Для интегральной оценки важнейших характеристик фотобиореакторов был предложен коэффициент эффективности установки. Он представляет собой соотношение продуктивности, компактности и энергоемкости:
