Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ СРЕД (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 13
1.1. Роль перемешивания в процессе культивирования микроорганизмов 13
1.2. Особенности перемешивания культуральных жидкостей мицелиального типа 44
1.2 л. Неньютоновские свойства культуральной жидкости 46
1.2.2. Неоднородность по массопередаче 49
1.3. ВАРИАНТЫ КОНСТРУКТИВНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ФЕРМЕНТЕРОВ 60
1.4. Выводы и ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 68
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА МИКРООРГАНИЗМАМИ В АППАРАТЕ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ 70
2.1. Основные предпосылки 70
2.2. Принцип комбинированной системы перемешивания 76
2.3. Динамика изменения концентрации растворенного кислорода по глубине агломерата 79
2.4. Критическое время циркуляции и показатель относительного времени циркуляции 90
2.5. Теоретический анализ процесса потребления кислорода в системе циркуляции без учета его распределения в агломератах. 91
2.6. Упрощенный способ расчета 94
2.7. Выводы ПО ГЛАВЕ 2. 101
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ. 103
3.1. Обоснование схемы проведения экспериментов 103
3.2. Определение вязкости культуральной жидкости эритромицина и модельной жидкости 104
3.3. Описание экспериментальной установки и принципа работы 112
3.4. Определение мощности по данным измерения крутящего момента 118
3.5. Определение объемного коэффициента массопередачи и скорости потребления (растворения) кислорода 119
3.6. Определение времени перемешивания 125
3.7. Сравнительные эксперименты на радиальной и
комбинированной системах перемешивания 130
ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ФЕРМЕНТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 141
4.1. Конструктивные особенности модернизируемых аппаратов. 141
4.2. Пример расчета ферментера с комбинированной системой перемешивания 143
4.3. Проведение пробных ферментации в аппаратах промышленного масштаба 147
Основные результаты и выводы. 154
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 156
- Роль перемешивания в процессе культивирования микроорганизмов
- Основные предпосылки
- Обоснование схемы проведения экспериментов
Введение к работе
В России на данный момент существует серьезная проблема
конкурентоспособности отечественных лекарственных средств. На
мировом рынке фармацевтической продукции появилось огромное
количество лекарственных препаратов, производимых в основном в Китае
и Индии, цена которых ниже отечественных. Пока качество отечественных
лекарственных средств выше, чем качество многих более дешевых
аналогов. Однако ситуация на мировом рынке постоянно меняется,
наблюдается тенденция к росту качества и снижению цен на зарубежную
продукцию, получаемую микробиологическим синтезом. Уже сейчас
некоторые импортные лекарственные средства пользуются большим
потребительским спросом в нашей стране из-за более низкой цены и более
высокого качества, чем отечественные. В такой ситуации жесткой
конкуренции необходимо повышать конкурентоспособность
отечественных товаров, чтобы не допустить вытеснения с рынка российских производителей. Основным путем повышения конкурентоспособности является снижение себестоимости производимого товара. Наиболее рациональный путь к снижению себестоимости на сегодняшний день — это снижение затрат на производство, в том числе и энергозатрат. При производстве продуктов микробиологического синтеза с использованием аэробных микроорганизмов себестоимость на треть состоит из потребляемой электроэнергии из них 50 % идет на перемешивание в ферментерах. В данной работе предлагается модернизировать систему перемешивания существующих ферментеров с целью снижения себестоимости за счет уменьшения потребляемой на перемешивание электроэнергии при сохранении продуктивности процесса или увеличения продуктивности при сохранении энергозатрат на перемешивание.
Цель и задачи работы. Целью работы является увеличение
эффективности работы перемешивающего устройства в процессах
\ культивирования аэробных мицелиальньгх микроорганизмов.
Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:
Теоретический анализ распределения концентрации растворенного кислорода на микроуровне — в неперемешиваемых объемах культуральной жидкости;
Анализ динамики изменения профиля кислорода на микроуровне в условиях циркуляционных потоков жидкости;
- Получение расчетных зависимостей интегральной скорости
т потребления кислорода в ферментере от конструктивных и режимных
характеристик аппарата;
Формулирование принципов организации комбинированной системы перемешивания;
Экспериментальная* проверка предложенного принципа на модельной системе;
Разработка рекомендаций по конструированию ферментационного оборудования, предназначенного для работы в условиях повышенной вязкости.
#
Научная новизна.
- На основе теории Колмогорова проведена оценка размеров;
неперемешиваемых микро-объемов ферментационной жидкости для
обычно встречающихся, в практике рабочих диапазонов вязкости и^
диссипации энергии;
- Проведен теоретический анализ стационарного профиля
распределения концентрации растворенного кислорода с учётом размеров
неперемешиваемых микрообъемов культуральной жидкости для зоны
* интенсивного перемешивания и зоны циркуляции. Показано, что в зоне
циркуляции учёт стационарного распределения концентрации кислорода
на микро-уровне прогнозирует резкое снижение интегральной скорости потребления кислорода по сравнению с максимально возможной;
Показано, что инструментально измеряемая концентрация растворенного кислорода в вязкой культуральнои жидкости не отражает средней концентрации кислорода по микрообъемам: неперемешиваемых микробных агломератов и поэтому не может служить адекватной характеристикой обеспеченности культуры кислородом;
Впервые проведен теоретический анализ динамических изменений профиля растворенного кислорода по глубине неперемешиваемых. агломератов культуральнои жидкости в процессе их движения по циркуляционным контурам. При этом показано, что в вязких ферментационных жидкостях средняя концентрация кислорода в неперемешиваемых микрообъемах в зоне циркуляции определяется в основном не условиями массопередачи газ-жидкость в этой, зоне, а динамикой потребления кислорода, запасенного в зоне интенсивного перемешивания и массообмена. В результате этого средняя концентрация кислорода в отдельно взятом микрообъеме культуральнои жидкости претерпевает пилообразные колебания во времени;
Проведен теоретический анализ интегральной скорости потребления кислорода в аппарате с циркуляционным контуром и зоной интенсивного массообмена и получено аналитическое выражение, связывающее этот показатель с временами пребывания жидкости в зоне циркуляции и в зоне интенсивного массообмена, а также с коэффициентами массопередачи газ-жидкость в этих зонах;
На основе полученных результатов теоретического анализа сформулированы предложения о принципах функционирования комбинированной системы перемешивания, включающей зону интенсивного перемешивания и массообмена с радиальной мешалкой и зону циркуляции с осевыми мешалками;
- Проведена экспериментальная. проверка предложенного принципа
перемешивания на макетной установке с раствором сульфита и
карбоксиметилцеллюлозы в качестве модельной жидкости. Показана
возможность существенного снижения энергозатрат на і перемешивание в
сравнении с традиционной системой' с турбинными мешалками для;
достижения равной скорости окисления сульфита:
Практическая ценность.
Обоснована теоретически и подтверждена практически возможность интенсификации' массопередачи< в вязкой неньютоновской жидкости за счет замены базовой радиальной системы перемешивания на радиально-осевую, обеспечивающей более интенсивную циркуляцию.
- Получены экспериментальные данные, подтверждающие
увеличение интенсивности массопередачи и снижение энергетических
затрат на перемешивание за счет модернизации системы перемешивания в
вязкой жидкости.
- Предложены рекомендации для- конструирования ферментеров,
используемых для культивирования микроорганизмов мицелиального
типа.
;
Основные результаты изложены.
1. Архипов М.Ю., Бирюков В.В. Динамика распределения
концентрации растворенного кислорода в микробных агломератах //
Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XIII
Межд. науч. конф. - С.-Петербург: Изд-во С.-П. гос. технол. ин-та,
2000. - т.З, секция 3.-С. 155-157.
2. Архипов М.Ю., Бирюков В.ВІ Динамика распределения
* концентрации растворенного кислорода в агломератах
мицелиальных грибов: Тез. докл. Межд. конф. мол. уч. «Химия и
биотехнология пищевых веществ. Экологически безопасные технологии на основе возобновляемых природных ресурсов», посвященной памяти М.Н. Манакова. — М., 2000. — С. 132-133.
Архипов М.Ю., Бирюков В.В. Периодическое изменение профиля концентрации растворенного кислорода в микробных агломератах мицелиальных культур // Труды МГУИЭ. - М. 2001. - t.V. - С.97-109.
Минаева ЛЛ., Чередникова ЕВ., Ляпустин СМ., Архипов М.Ю., Бирюков В.В., Щеблыкин И.Н. Изучение влияния условий перемешивания на биосинтез низина факультативно-анаэробными бактериями LACTOCOCCUS LACTISII Труды МГУИЭ. — М. 2001. -T.V.-C130-I37.
Архипов М.Ю., Бирюков В.В. Упрощенный способ расчета скорости потребления кислорода в ферментере с комбинированной системой перемешивания // Техника и Технология экологически чистых производств: Материалы VII Межд. сим. мол. уч., асп. и студ. — М: МГУИЭ, 2003.-С.121-122.
Архипов М.Ю., Бирюков В.В. Теоретический анализ комбинированной системы перемешивания и массообмена в промышленных ферментерах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - М: МГУИЭ, 2003. — С. 3-7.
На защиту выносятся следующие положения:
Теоретический анализ динамики изменения растворенного кислорода в агломератах.
Предложения по увеличению интенсивности массопередачи за счет модернизации системы перемешивания ферментеров для вязких ферментационных сред в системе «газ-жидкость».
Роль перемешивания в процессе культивирования микроорганизмов
Перемешивание в ферментере в микробиологическом процессе способствует интенсивному развитию микроорганизмов, повышая эффективность ряда процессов:
равномерного распределения питательных веществ по всему объему аппарата и перемещение их к клеткам микроорганизма;
диспергирования воздуха и скорости растворения кислорода;
усреднения концентрации порций кислоты или щелочи по объему аппарата при корректировки рН;
теплоотвода образующегося в результате роста и развития микроорганизмов тепла от клеток к устройствам теплосъёма;
удаления токсичного углекислого газа, а также остальных продуктов обмена и лизиса с поверхности клеток.
Среди питательных веществ, необходимых для роста клеток микроорганизмов, кислород, вследствие высокой скорости потребления микроорганизмами (0.2-10" 0.3-10 кг-м" с"), считается основным субстратом, и его нехватка часто лимитирует процессы аэробных ферментации. Скорость потребления кислорода согласно уравнению (1.1) больше в 1.07 раз, чем потребление глюкозы, одного из наиболее быстро потребляемых микроорганизмами веществ.
При этом растворимость кислорода в ферментационных средах приблизительно в 6000 раз меньше, чем глюкозы. Количества растворенного кислорода при полном насыщении жидкости достаточно для обеспечения микроорганизмов кислородом всего лишь на несколько секунд, что делает необходимым организацию постоянного интенсивного растворения кислорода в культуральной жидкости. Поэтому эффективность работы системы аэрации и перемешивания оценивается в первую очередь, скоростью процессов массопередачи по кислороду, которая определяется конструкцией биореактора, интенсивностью перемешивания и аэрации, а также физико-химическими свойствами среды.
Уравнение массопередачи для абсорбции кислорода выглядит следующим образом:
где в левой части находится величина, равная количеству кислорода, переходящего из газовой фазы в жидкую, в некотором элементарном объеме жидкости dV в единицу времени dt, обозначающейся Q02 (кг Оі/м ч), а в правой произведение движущей силы массопередачи АС на объемный коэффициент массопередачи Кия.
Массо передача кислорода в культуральную жидкость согласно формуле (1.3) зависит от движущей силы массопередачи и объемного коэффициента массопередачи. Для анализа влияния системы перемешивания на массопередачу кислорода рассмотрим по отдельности от чего зависят величины KLa и (С -С).
Движущая сила массопередачи кислорода (С -С) может увеличиваться за счет увеличения С - концентрации, при которой происходит насыщение жидкости кислородом, или уменьшения текущей концентрации в жидкости, С. Текущая концентрация растворенного в жидкости кислорода снижается в ходе процесса ферментации из-за постоянного потребления клетками, пока не достигнет значения критической концентрации, ниже которой происходит замедление роста микроорганизмов, т.е. наименьшая допустимая концентрация растворенного кислорода в культуральной жидкости. Следовательно, для увеличения движущей силы массопередачи нужно стремиться удерживать концентрацию растворенного кислорода на уровне критической - Скр или чуть выше. Обычно значение критической концентрации равняется приблизительно 10% от С , но при культивировании актиномицетов и мицелиальных грибов, образующих в результате своего развития колонии (скопления клеток или сгустки мицелия) размером до 500 мкм и более, лимитирование по растворенному кислороду обнаруживается при 30 % и более от С , поскольку перенос кислорода в центр колоний происходит медленно [23]. В некоторых случаях даже при концентрации растворенного кислорода 100% от насыщения может возникать замедление роста культуры из-за возникающего кислородного голодания внутри клеточных агломератов [33]. Поддержание заданного значения концентрации кислорода в течение всего процесса ферментации является самой главной задачей, которая решается с помощью системы аэрации и перемешивания.
Основные предпосылки
При разработке промышленного ферментационного оборудования долгое время доминировала концепция о необходимости создания в рабочем объеме аппарата равномерной изотропной турбулентности обеспечивающей близкие значения гидродинамики и массообмена в любой точке аппарата. Для реализации этой концепции конструкция аппарата обычно представляет собой цилиндрический сосуд с длинным валом по оси аппарата, на котором закреплены несколько ярусов турбинной мешалки. Турбинная; мешалка обеспечивает высокое локальное вложение энергии в зоне, непосредственно у лопастей, что обеспечивает хорошее: диспергирование пузырей и глубокую степень перемешивания. Но турбинная мешалка не лишена и недостатков, к которым можно отнести короткие циркуляционные петли, небольшой охват перемешиванием внутреннего объема аппарата и, следовательно, слабое вовлечение жидкости периферийных зон в общий контур циркуляции, что особенно заметно в процессах перемешивания высоковязких сред.
Применительно к вязким культуральным жидкостям необходимость однородной турбулентности среды по рабочему объему аппарата обосновывалась существованием полужестких агломератов микроорганизмов: («жидких частиц»), объем; которых связан с локальным масштабом турбулентных пульсаций. Внутри этих агломератов снабжение клеток микроорганизмов кислородом и питательными веществами осуществляется за счет диффузии. В жидкостях, обладающих высокой вязкостью, размер агломерата быстро увеличивается по выходе из зоны интенсивного перемешивания из-за быстрого снижения турбулентности [72].. Жидкость, содержащая растворенные компоненты питательной среды,, нерастворенные частицы (мука), микроорганизмы и их микроколоний не перемешиваются до молекулярного уровня или даже до уровня отдельных клеток или их микроколоний. В соответствии с теорией Данквертса перемешивание происходит до размеров, соизмеримых с наименьшим масштабом турбулентных пульсаций, определяемым по соотношению Колмогорова. В результате рабочий объем аппарата распадается на множество сегрегированных неперемешиваемых объемов жидкости, функционирующих как отдельные биореакторы— агломераты. Снабжение кислородом клеток микроорганизмов, находящихся внутри агломерата, происходит через внешнюю поверхность агломерата- При этом важно подчеркнуть, что размеры агломератов больше размеров отдельных клеток или микроколоний, или жестких сцеплений микроколоний. В принципе такого рода агломераты - неперемешиваемые объемы: жидкости - существуют даже в любой; особенно вязкой, жидкости («жидкие частицы» по Данквертсу).
Доставка кислорода к внутренним зонам агломерата обеспечивается уже путем диффузии, которая не обеспечивает потребности клеток в кислороде [7]. Это, на первый взгляд, подтверждает необходимость увеличения вводимой мощности механического перемешивания и особенно ее более равномерного распределения по объему так, чтобы размеры микробных агломератов были относительно невелики и массопередача кислорода из воздуха в жидкость могла обеспечить высокую концентрацию кислорода в жидкости. Для анализа целесообразности увеличения мощности перемешивания в аппарате с турбинной мешалкой рассчитаем размер масштаб турбулентности воспользуемся теорией Колмогорова (L.39). Значение локальной диссипации меняется в диапазоне от 0.1 с/сср (у стенки аппарата) до 30 є/єср (у лопасти мешалки).
Обоснование схемы проведения экспериментов
Для экспериментальной проверки выводов, полученных из математического моделирования, было решено сравнить интенсивность массопередачи и потребляемую на перемешивание мощность в аппарате с вязкой жидкостью с традиционной системой перемешивания и модернизированной системой перемешивания, создающей более интенсивный циркуляционный поток. В качестве традиционной системы перемешивания использовалась система перемешивания, состоящая из турбинных мешалок Раштона, которая наиболее часто встречается в конструкциях существующих ферментеров. В качестве модернизированной системы была изготовлена система перемешивания, состоящая из осевых мешалок, подобных тем, что приводятся в таблице 1.9.2.
Для проведения экспериментальной проверки идеи было необходимо, прежде всего, выбрать модельный аппарат. Проведение экспериментов на реальных ферментерах промышленного масштаба очень дорогостояще и рискованно, а в аппаратах лабораторного масштаба эффект от модернизации перемешивания практически незаметен. Аппараты лабораторного масштаба близки к ячейкам полного смешения, а с ростом объема, как известно, увеличивается неоднородность перемешивания. Поэтому было решено провести экспериментальную проверку идеи увеличения массопередачи за счет модернизации перемешивания в модельном аппарате пилотного масштаба с соотношением H/D близким аппаратам промышленного масштаба, т.е. согласно таблице H/D = 3+4. Была выбрана обечайка из оргстекла вместимостью 170 л (диаметром 400 мм, высотой 1350 мм) с соотношением H/D = 3. Обечайку оборудовали перегородками, барботером и нижней опорой вала.
Для приближения к реальным условиям перемешивания, существующим в ферментере для культивирования микроорганизмов мицелиального типа, было решено использовать модельную жидкость, обладающую высокой неньютоновской вязкостью, подобной вязкости культуральной жидкости эритромицина. Величина вязкости- это фактор, который, как это следует из литературного обзора, оказывает наибольшее значение на неоднородность перемешивания и снижение массопередачи.
