Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Фототрофы - продуценты биологически активных веществ (БАВ). 11
1.2 Классификация современных фотобиореакторов 23
1.3. Аппаратурное оформление процесса культивирования фототрофов. 25
1.3.1. Культивирование в бассейнах открытого типа 25
1.2.1. Производство в реакторах трубчатого типа. 29
1.3.2 Тонкослойные и пластинчатые фотобиореакторы. 33
1.3.3 Производство фототрофов с использованием фотобиореакторов глубинного культивирования 34
1.4 Сравнительная характеристика фотобиореакторов 37
Постановка задачи 39
Глава 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛОСТНЫХ ФОТОБИОРЕАКТОРОВ С ГИБКИМИ ПРЕРМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ. 38
2.1 Экспериментальная установка для проведения исследований 40
2.2 Поле скоростей в полостном аппарате 43
2.3 Определение мощности, расходуемой на перемешивание 45
Глава 3. РАСЧЕТ И ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОГО КОЭФФИЦИЕНТА МАССООБМЕНА 50
3.1. Расчет массообмена на границе полости . 50
3.2 Визуальная оценка количества пузырьков и их поверхности. Несущественность вклада пузырьков в массообмен 53
3.3 Порядок определения коэффициента массопередачи по балансовому способу с определением скорости потребления сульфита в модельной системе 56
3.4 Данные массообменных испытаний фотобиореактора с гибкой мешалкой, рабочим объемом 90 л 57
3.5. Некоторые предпосылки к рассмотрению газообмена как лимитирующего фактора роста фототрофов. 59
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО КУЛЬТИВИРОВАНИЮ ФОТОТРОФОВ В АППАРАТАХ С ГИБКИМИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ. 62
4.1 .Описание установки для культивирования фототрофов 62
4.2. Культивирование спирулины в аппарате с гибкой мешалкой. 65
4.3. Культивирование хлореллы в аппарате с гибкой мешалкой 67
Глава 5 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ
КУЛЬТВИРОВАНИЯ ФОТОТРОФОВ В АППАРАТАХ С ГИБКИМИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ. 70
5.1. Производительность установок 70
5.2. Определение себестоимости продукта 71
5.2.1. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установках лоткового типа 71
5.2.2. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установках трубчатого типа 72
5.2.3. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в фотобиореакторах с гибкими мешалками. 73
Практическая реализация работы 76
Основные выводы: 76
Список использованной
Литературы 78
Приложение 1. 86
1.1 Описание тарировочного стенда для определения коэффициента трубки. 86
1.2 Гидродинамические измерения окружной скорости 88 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 92 2.1 Измерения энергозатрат на перемешивание в режимах, образующих полость 92 Приложение 3
3.1 Экспериментальные значения Kia 98
3.1.1 Описание сульфитной методики 97
3.2 Определение значения KLa при различном числе оборотов 3.3. Статистическая обработка результатов эксперимента.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Методика инженерного расчета
- Фототрофы - продуценты биологически активных веществ (БАВ).
- Экспериментальная установка для проведения исследований
- Расчет массообмена на границе полости
Введение к работе
Проблема несбалансированного, неполноценного питания человека в России, становится все более актуальной и необходимость ее решения очевидна. Один из возможных путей - биотехнологическое производство пищевых добавок на основе фототрофных микроорганизмов среди которых наиболее известны спирулина и хлорелла.
Биологически активные добавки на основе этих фотосинтезирующих микроорганизмов позволяют проводить профилактику и лечение многих трудноизлечимых болезней человека, таких как атеросклероз, рак, стенокардия, пневмония, тромбофлебит, рак и др.
Известно, что на мировом и российском рынке существует потребность в получении сравнительно недорогой и в то же время высококачественной биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащей ряд ценных, незаменимых органических веществ, используемых в различных отраслях народного хозяйства.
Фототрофные микроорганизмы широко производятся во многих странах, прежде всего, в Нидерландах, Франции, Бельгии. Испании, Израиле, в странах юго-восточной Азии, Африке, Индии, Китае, США и др.
Известны и находят все более широкое применение для культивирования фототрофов полостные аппараты с гибкими перемешивающими устройствами, разработанные В.А. Жаворонковым [1], [3], [16], которые в настоящее время еще мало исследованы.
В ряде работ были предприняты попытки разработать методику расчета фотобиореакторов с гибкими мешалками, но до настоящего времени такой методики, нет, и задача разработки такой методики является весьма актуальной.
Основной темой данной работы является исследование гидродинамики и массообмена в фотобиореактрах с гибкими мешалками, а также разработка полуэмпирической методики расчета аппаратов для культивирования различных фотосинтезирующих микроорганизмов (фототрофов) на основе вышеуказанных исследований.
Цель работы. Исследование гидродинамических и массообменных процессов
Л в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами с целью получения
расчетных зависимостей для этих аппаратов и разработки на их основе
методики инженерного расчета.
Основные задачи работы
Сравнительный анализ существующих фотобиореакторов применяемых " в биотехнологии для синтеза фототрофов.
Исследование гидродинамических и массообменных процессов в
»
аппарате с гибким перемешивающим устройством с целью разработки расчетной методики.
- Создание инженерной расчетной модели и проверка ее адекватности.
^ - Экспериментальное культивирование фототрофов в аппаратах с
гибкими перемешивающими устройствами с целью сравнения с аналогичными результатами, полученными в других фотобиореакторах
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
- Исследованы особенности гидродинамических и массообменных
процессов в аппаратах полостного типа с гибкими мешалками
полупромышленного масштаба.
- Экспериментально определена в широком диапазоне чисел Рейнольдса
ф зависимость мощности, затрачиваемой на перемешивание от
параметров процесса (числа лопастей, числа оборотов мешалки, вязкости перемешиваемой жидкости)
Получены критериальные зависимости, позволяющие провести прогностический расчет энергетических характеристик мешалки для ламинарного и турбулентного режимов течения.
Экспериментально определено радиальное распределение окружных скоростей и получено соотношение, обобщающее эти экспериментальные данные для различной частоты вращения мешалки.
# Оценено значение скоростного лага
- Разработана концепция определяющего влияния скоростного лага ан коэффициент вихревой диффузии и характерное время обновления поверхности контакта фаз. В рамках этой концепции для оценки коэффициента массообмена на границе полости предложена формула в которой используется значение скоростного лага.
На основе экспериментов по культивированию фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами построены кинетические кривые роста спирулины и хлореллы. Оценены основные кинетические параметры: скорость роста и предельно достижимая концентрация культуры в аппарате. Сравнение с известными из литературы результатами показывает конкурентоспособность культивирования фототрофов в полостных аппаратах в ряду других способов их выращивания
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Впервые разработана методика инженерного расчета фотобиореакторов с гибкими перемешивающими устройствами.
Разработан лабораторный регламент биосинтеза микроводоросли спирулина на основе полостного фотобиореактора с гибкими перемешивающими устройствами.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке универсальной учебно-исследовательской установки для культивирования фототрофов по гранту Министерства образования и науки.
Разработана действующая модель установки на основе фотобиореактора с гибким перемешивающим устройством, отмеченная дипломом участника Всероссийского форума «Образовательная среда -2004» .
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:
Обоснование необходимости исследования гибких перемешивающих устройств.
Полученные критериальные зависимости, позволяющие провести прогностический расчет энергетических характеристик мешалки для ламинарного и турбулентного режима течения.
Полученное соотношение, экспериментально измеренного радиального распределения окружных скоростей и. обобщающую эти экспериментальные данные экстраполяцию для различного числа оборотов мешалки
Концепцию определяющего влияния скоростного лага на коэффициент вихревой диффузии и характерное время обновления поверхности контакта фаз и оригинальную формулу для оценки коэффициента массообмена на границе полости, в которой используется значение скоростного лага.
Методику инженерного расчета фотобиореакторов с гибкими перемешивающими устройствами.
Фототрофы - продуценты биологически активных веществ (БАВ).
Перспективными объектами культивирования являются Spirulina и Chlorella, как наиболее широко известные из фототрофов. Интерес к спирулине, со стороны научного мира, возник с середины семидесятых и, особенно вырос в последние годы. В 1993 году под патронажем научно-исследовательской группы всемирно известного океанолога Жака Ива Кусто выпущена монография Института океанографии в Монако "Spirulina, algae of life" ("Спирулина — водоросль жизни")[3]. Спирулина обладает рядом ценнейших качеств, что позволяет называть ее "микроводорослью будущего". Попытаемся кратко перечислить ее основные характеристики.
Свойства и состав спирулины достаточно хорошо изучены на сегодняшний день. 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. В приведенной ниже таблице 1,дан краткий биохимический состав.
Экспериментальная установка для проведения исследований
В ряде исследовательских работ изучались пути снижения энергозатрат на
процесс перемешивания при культивировании фототрофов в аппаратах полостного типа с искусственными источниками освещения -фотобиореакторов [34]. Известно, что использование гибких мешалок, по сравнению с турбинными, позволяет снизить мощность, затрачиваемую на перемешивание в аппаратах на 15 - 20 % [90]. Это объясняется особой гидродинамической структурой потока в аппарате, которая образуется при определенных режимах работы.
Экспериментальная установка для культивирования фототрофов состоит из фотобиореактора (1), который представляет собой обечайку с встроенным теплообменником. Гибкая мешалка (11) приводится в действие двигателем постоянного тока (2), образует полость, в которую помещают мощный источник света (70 - 400 Вт) (4). В данном случае поверхность образуемой полости является рабочей: на ней происходит фото- и газоабсорбция. Подача двуокиси углерода и воздуха осуществляется из через специальный штуцер непосредственно в полость. При проведении процесса культивирования фототрофов необходимо поддерживать стабильный температурный режим культуральной жидкости (35 - 37 С), что обеспечивается с. помощью теплообменника. В случае необходимости осуществляется подогрев культуральной жидкости электрическим нагревателем (на схеме не обозначены). Измерение затрат мощности на перемешивание в полостном аппарате осуществлялось с помощью довольно распространенной в 60 годы прошлого столетия системы «мотор - весы».
Расчет массообмена на границе полости
Гибкие дискретные лопасти перемешивающего устройства, двигаясь с небольшим заглублением вблизи поверхности полости, не только обеспечивают вращательное движение жидкого кольца, но и формируют турбулентную вихревую структуру области, примыкающей к поверхности полости. Энергонесущими элементами этой структуры являются вихри Кармана, которые в определенном рабочем диапазоне чисел Рейнольдса генерируются в жидкости, движущейся с некоторым скоростным лагом вслед за цилиндрической лопастью. Таунсендом, Хинце и Бэтчелором [35] был ф экспериментально изучен трансверсальный (поперечный) перенос любой пассивной субстанции (массы, импульса, теплоты) вблизи вихревой дорожки Кармана. Ими была предложена апробированная полуэмпирическая формула для оценки коэффициента вихревой диффузии, выражающаяся через диаметр цилиндра и его скорость относительно жидкости, а именно, в наших обозначениях
1 =0,016-(0 - )4 . (3.1)
В исследованном нами диапазоне параметров эта величина составляет т.е. на несколько порядков превосходит коэффициент молекулярной диффузии ( «2-10 м 1с), что и предопределяет чрезвычайно интенсивную абсорбцию газа из полости.
