Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 10
1.1. Физико-химические закономерности процессов микробиологического синтеза 10
1.2. Аппаратурное оформление процессов микробиологического синтеза; типы биореакторов 41
1.3. Эффективность процесса микробиологического синтеза, лимитирующие факторы 47
1.4. Выбор объекта и постановка задач исследования 51
ГЛАВА 2. ДИНАМИКА ТЕЧЕНИЯ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ В ТРУБЧА ТЫХ РЕАКТОРАХ 54
2.1. Характер течения пленки жидкости в цилиндрических каналах с крупномасштабной шероховатостью 54
2.2. Физическая модель течения пленки жидкости в каналах с крупномасштабной шероховатостью 55
2.3. Результаты предшествующих исследований пленочного течения по шероховатой поверхности 57
2.4. Описание экспериментальной установки и методика измерений. 59
2.5. Результаты исследования пленочного течения жидкости в кана
лах с крупномасштабной шероховатостью 60
2.6. Влияние поверхностно-активных веществ на среднюю толщину пленки жидкости 65
2.7. Влияние вязкости жидкости на среднюю толщину пленки 67стр.
ГЛАВА 3. ОТВОД ТЕПЛА В ПЛЕНОЧНЫХ ТРУБЧАТЫХ РЕАКТОРАХ 70
3.1. Теплообмен между пленкой жидкости и стенкой канала, результаты предшествующих исследований 70
3.2. Описание экспериментальной установки и методика измерений. 70
3.3. Результаты исследования теплоотдачи между пленкой жидкости и стенкой канала с крупномасштабной шероховатостью 74
ГЛАВА 4. ТРАНСПОРТ КИСЛОРОДА И ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В ЖИД КОСТИ В ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ В КАНАЛАХ С КРУПНОМАСШТАБНОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ 78
4.1. Результаты предшествующих исследований 78
4.2. Описание экспериментальной установки и методики измерений. 78
4.3. Результаты измерения скорости транспорта кислорода в пленке воды 85
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДРОЖ
ЖЕЙ В ОПЫТНОМ ПЛЕНОЧНОМ БИОРЕАКТОРЕ 91
5.1. Расчет концентрации кислорода в пленке дрожжевой суспензи 91
5.2. Описание экспериментальной установки и методики измерений. 92
5.3. Исследование физических свойств культуральной среды 95
5.4. Результаты экспериментального исследования кинетики процесса культивирования дрожжей 103
5.5. Модель культивирования дрожжей в пленочном реакторе 104
ГЛАВА 6. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВАРИАНТОВ
ПЛЕНОЧНЫХ 108
6.1. Конструктивные варианты пленочных биореакторов 108
6.2. Технико-экономические показатели пленочных биореакторов .109
ГЛАВА 7. ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ КОР
МОВЫХ ДРОЖЖЕЙ 111
ВЫВОДЫ 115
- Физико-химические закономерности процессов микробиологического синтеза
- Характер течения пленки жидкости в цилиндрических каналах с крупномасштабной шероховатостью
- Теплообмен между пленкой жидкости и стенкой канала, результаты предшествующих исследований
Введение к работе
Актуальность работы Непрерывное увеличение потребности в продуктах микробиологического синтеза и, в частности белковых концентратах, необходимых для развития отечественного животноводства, определяет интенсивное развитие этих процессов.
В настоящее время доминирующее распространение в процессах микробиологического синтеза получили напорные барботажные реакторы, которые, как показал опыт их эксплуатации, обладают очень высоким эксплуатационными затратами и не обеспечивают необходимое качество технологического процесса..
Низкая скорость транспорта кислорода и двуокиси углерода в жидкой фазе, а также развитие эффекта флотации биомассы, определяет высокие расходы воздуха, достигающие 50 кубометров на 1кг. целевого продукта при коэффициенте использования кислорода воздуха, не превышающего 15%.
Большие расходы воздуха исключают его качественную биологическую очистку после выхода из реактора, что может вызывать острые респираторные заболевания у персонала и жителей прилегающих районов.
В связи с этим актуальной задачей является разработка эффективных биореакторов , обеспечивающих высокую скорость транспорта кислорода и двуокиси углерода в жидкости, что позволит резко сократить расход воздуха и создать безопасные производства, работающие по замкнутому циклу.
Как показал технико-экономический анализ работы различных типов биореакторов , наиболее перспективными являются реакторы ,пленочного типа , поскольку турбулентное пленочное течение жидкости позволяет увеличить (в несколько раз ) коэффициенты массопереноса в жидкой фазе по сравнению с режимом барботажа.
Однако промышленная реализация реакторов пленочного типа в значительной степени сдерживается отсутствием экспериментальных данных, по-
зволяющих разработать научно-обоснованную методику их расчета и проектирования.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является экспериментальное исследование динамики пленочного течения жидкой фазы, тепло- и массообмена, кинетики роста биомассы в пленочных трубчатых биореакторах, а также разработка на их основе экологически чистого процесса получения кормовых дрожжей.
В непосредственные задачи исследования входили:
создание научно-обоснованной методики расчета и проектирования биореакторов со стекающей пленкой жидкости на основе экспериментального исследования закономерностей, характерных для пленочных реакторов, в том числе:
динамики пленочного течения в контактных элементах реактора;
теплообмена между стекающей пленкой жидкости и хладоагентом;
скорости транспорта кислорода и двуокиси углерода в стекающей пленке жидкости и оценка влияния на процесс массопереноса физико-химических свойств жидкой фазы;
кинетики роста биомассы в опытном биореакторе;
разработка конструкций пленочных биореакторов, обеспечивающих максимальную эффективность процесса ферментации при низких эксплуатационных затратах;
создание экологически чистого процесса получения кормовых дрожжей с использованием пленочного биореактора.
Научная новизна работы. Впервые экспериментально исследованы основные закономерности процесса аэробной ферментации в трубчатых контактных элементах реактора со стекающей пленкой жидкости по поверхности с крупномасштабной шероховатостью:
- динамика пленочного течения жидкости по стенке цилиндрического ка
нала с крупномасштабной шероховатостью; определены оптимальные
геометрические размеры выступов шероховатости, обеспечивающие максимальную удерживающую способность контактных элементов по жидкой фазе, а также влияние на удерживающую способность вязкости жидкости и поверхностно-активных веществ;
теплоперенос от стекающей пленки жидкости к стенке канала с крупномасштабной шероховатостью;
скорость транспорта кислорода и двуокиси углерода в стекающей пленке жидкости, выявлены оптимальные условия проведения процесса и влияние на скорость транспорта кислорода и двуокиси углерода поверхностно-активных веществ;
кинетика роста биомассы в опытном трубчатом реакторе и получены соотношения, описывающие процесс ферментации в пленке жидкости.
Представлена научно-обоснованная методика расчета реакторов со стекающей пленкой и разработаны технологические схемы экологически чистого процесса получения кормовых дрожжей с применением биореактора со стекающей пленкой жидкости.
Практическое значение работы. На основе комплекса проведенных экспериментальных исследований выявлены оптимальные условия процесса ферментации и разработана конструкция трубчатого пленочного реактора, обладающего высокой эффективностью и низкими эксплуатационными затратами.
Результаты работы были использованы при проектировании промышленного реактора, предназначенного для получения дрожжевой суспензии на основе гидролиза древесины производительностью 100 м3/ч и пленочного ферментера для получения чистой культуры дрожжевого цеха Красноярского биохимзавода.
На защиту выносятся:
результаты экспериментального исследования закономерностей пленочного течения жидкости по стенке трубчатых контактных элементов с крупномасштабной шероховатостью;
теплообмена между стекающей пленкой жидкости и стенкой канала, скорости транспорта кислорода и двуокиси углерода в жидкой фазе и кинетики роста биомассы;
конструкции реакторов, оснащенных трубчатыми контактными элементами с крупномасштабной шероховатостью стенки, обеспечивающей высокую эффективность процесса ферментации при низких эксплуатационных затратах;
экологически чистый технологический процесс промышленного получения кормовых дрожжей.
Личное участие. Все результаты работы получены лично автором под руководством д.т.н., профессора Емельянова В.М. и д.т.н. профессора Вой-нова Н.А.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных, региональных и отраслевых симпозиумах и конференциях, в том числе: на межвузовской научной конференции «Молодая наука - новому поколению» (Набережные Челны, 1996); научно-практической конференции «Проблемы химико-лесного комплекса» (Красноярск, 1996, 1997); научно-практической конференции «Сырьевые ресурсы Нижнего приангарья» (Красноярск, 1997); межрегиональной научной конференции «Пищевая технология - 2000» (Казань, 1998); конференции молодых ученых «Пищевые технологии» (Казань, 1998, 1999); пятой международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Казань,
1999); Всероссийской научно-практической конференции «Пищевая промышленность, продовольственная безопасность» (Екатеринбург, 1999); Международной научно-практической конференции «Химико-лесной комплекс» (Красноярск, 2000); Всероссийской научной конференции «Тепло- и массо-обмен в химической технологии» (Казань, 2000), а также на ежегодных научных сессиях КГТУ (1998-2004).
Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных статей и докладов в периодических научных изданиях и трудах конференций, а также 10 тезисов докладов в материалах конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения и 7 глав, содержащих основные результаты исследования, выводы по результатам работы и списка литературы, составляющего 75 источников. Работа изложена на 125 страницах, содержит 44 рисунка и 16 таблиц.
class1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ
ПРОДУКТОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА class1
Физико-химические закономерности процессов микробиологического синтеза
Характеристика дрожжей - продуцентов белка. Все кормовые дрожжи относятся к аэробных гетеротрофам, которые в качестве источника углерода используют углерод органических соединений питательной среды (гидроли-зата). Необходимая для роста энергия образуется в результате окислительно-восстановительных реакций, донаторами в которых служат органические вещества, а акцептором - молекулярный кислород. Дрожжи способны жить и развиваться только при наличии свободного кислорода. Все биохимические процессы, связанные с обменом веществ, протекают в водном растворе. В дрожжевых клетках 75% веса составляет вода и 25% - сухое вещество [1,2].
Метаболизм или обмен веществ представляет собой сумму целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые обеспечивают обмен веществом и энергией между средой обитания и клеткой. Результат жизнедеятельности микроорганизмов проявляется в увеличении размеров клеток, их делении, что приводит к росту массы микроорганизмов в питательной среде. Обмен веществ в клетках характеризуется следующими условиями: - из внешней среды в клетки поступает энергия органических веществ; из веществ среды, поступивших в клетку, формируются биополимеры и синтезируются макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и других компонентов; в клетках происходит постоянный синтез и разрушение биомолекул, выполняющих различные функции. Обмен веществ у микроорганизмов можно рассматривать как сумму двух явлений:
Характер течения пленки жидкости в цилиндрических каналах с крупномасштабной шероховатостью
Как отмечалось ранее, в параграфе 1.4 при стекании пленки жидкости по жидкой поверхности на некотором расстоянии от входа, происходит дестабилизация пленочного течения, переходящего в струйное, что ведет к оголению части поверхностей контактных трубок и существенному снижению эффективности процесса [34-37]. Это явление усугубляется при увеличении вязкости жидкости и поверхности натяжения.
Эффективная стабилизация пленочного течения и значительное увеличение удерживающей способности трубчатых контактных элементов могут быть достигнуты за счет использования на их внутренней поверхности крупномасштабной шероховатости. Экспериментальные исследования показывают, что на характер течения пленки жидкости и интенсивность тепло- и массопереноса большое влияние оказывают форма, размеры и насыщенность шероховатости на единице площади контактных элементов.
Наибольший эффект может быть достигнут в случае применения упорядоченной крупномасштабной шероховатости в виде поперечных выступов различного профиля или спиралей из проволоки.
Использование спиралей из проволоки, устанавливаемых на внутренней поверхности контактных трубок, благодаря возникающей центробежной силе, способствует дополнительной стабилизации пленочного течения и увеличению времени пребывания жидкости в зоне контакта с газом.
Теплообмен между пленкой жидкости и стенкой канала, результаты предшествующих исследований
Исследование теплообмена в пленке жидкости, стекающей по шероховатой поверхности, весьма ограничены [54-57]. Результаты этих исследований представлены в таблице 3.1. Все авторы указанных работ отмечают, что применение искусственной шероховатости ведет к стабилизации пленочного течения по длине канала и увеличению коэффициента теплопередачи в 1,2...1,8 раза. Было также установлено, что существует оптимальное значение отношения расстояния между выступами шероховатости к их высоте, при котором достигается максимальное увеличение коэффициента теплоотдачи. Аналогичный эффект наблюдался авторами работ, изучавших теплоотдачу при движении сплошного потока газа или жидкости в трубах с искусственной шероховатостью [58-63]. Следует, однако, отметить, что исследование теплоотдачи в свободно стекающей пленке жидкости по шероховатой поверхности были ограничены числами Re 17000, что делает их малопригодными для расчета промышленных аппаратов. Кроме того, имеющиеся результаты довольно сильно отличаются друг от друга.
