Введение к работе
Актуальность работы. Перед биотехнологической промышленностью страны поставлены большие задачи по ускоренному развитию производств, базирующихся на микробиологическом синтезе, и обеспечению значительного роста выпуска продукции: ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как важнейшего белкового продукта, получение отдельных полезных веществ (препаратов), используемых в различных отраслях народного хозяйства и медицине. В связи с растущим с каждым годом спросом на данные продукты биотехнологических производств, актуальным является вопрос о повышении продуктивности существующих типов биореакторов.
Во многих биотехнологических производствах используют аэробные культуры, которые развиваются только в присутствии кислорода. Для таких культур жизненно необходимо создание требуемого массопереноса, чтобы исключить вероятность лимитирования продуктивности биотехнологических систем.
Кроме того, существенное значение на развитие культуры (особенно при культивировании растительных и животных тканевых клеток и мицелиальных культур) оказывает влияние эффект «стрессового» воздействия на биомассу в аппарате. Это взаимодействие связано с физико-механическим повреждением клеток лопастями мешалок, температурными перепадами, наличием «бескислородных» зон в аппарате и др. Такие нежелательные эффекты значительно снижают рабочие показатели процесса эксплуатации биореактора.
В настоящее время разработано значительное количество способов обеспечения контакта газа с жидкостью (барботажный, газлифтный, механическое перемешивание, струйный, пленочный и др.), на основе которых созданы промышленные биореакторы, обладающие различным «стрессовым» эффектом.
Известно, что для проведения процессов ферментации наиболее оптимальными являются биореакторы с механическим перемешиванием жидкости, которые позволяют обеспечить наибольшую производительность по биомассе. Однако применяемые в них типовые механические перемешивающие устройства создают в рабочей полости биореактора хаотичное, неорганизованное перемешивание, что способствует к возникновению слабого массообмена, недостаточного для жизнеобеспечения многих культур клеток и микроорганизмов. Это, в свою очередь, приводит к появлению эффекта «стрессового» воздействия на культуры. Поэтому назрела необходимость создания новых перемешивающих устройств, обладающих «мягким» перемешиванием.
Для решения данной задачи наиболее приемлемым вариантом является разработка нового перемешивающего устройства в виде ротора геликоидального типа. Данное перемешивающее устройство, установленное в биореакторе, позволит выполнять тщательное «мягкое» перемешивание (gradf(x) -+ 0), как по выращиванию биологического объекта, так и по приготовлению питательной среды различного химического состава в биотехнологическом производстве. К тому же, высокая гомогенизирующая и диспергирующая способность ротора геликоидального типа позволит обеспечить необходимый массообмен в рабочей полости биореактора и снизить до минимума влияние на рост биомассы неблагоприятных факторов, возникающих при работе механических пере-
мешивающих устройств. Вместе с тем концентрация значительного количества энергии и рациональное ее использование в рабочем объеме биореактора с ротором геликоидального типа при создании организованного потока ферментационной среды, обеспечит успешное применение этого вида перемешивающего устройства при выпуске конечного продукта высокого качества и с низкой себестоимостью.
Цель работы: Совершенствование газожидкостных биореакторов путем разработки роторов геликоидального типа, позволяющих интенсифицировать процесс ферментации биомассы мицелиальных культур.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи:
-
Разработать теоретические основы создания конструкции перемешивающего органа в виде ротора геликоидального типа (РГТ), обеспечивающей повышение продуктивности культивирования за счет улучшения гидродинамической обстановки и минимизации «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе.
-
Создать измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для получения, накопления и обработки в режиме on - line значений кинематических характеристик потоков рабочей жидкости в проточной полости ферментера.
-
Экспериментально исследовать газодинамические, массообменные и гидродинамические характеристики ротора геликоидального типа.
-
Определить влияние технологических и конструктивных параметров РГТ на повышение продуктивности процесса культивирования аэробных мицелиальных микроорганизмов на примере штамма Laetiporus sulphureus.
-
Разработать методику инженерного построения РГТ для газожидкостных биореакторов.
-
Оценить экономическую эффективность применения газожидкостного биореактора с РГТ в биотехнологическом производстве.
Предмет исследования - газодинамические, массообменные и гидродинамические параметры процесса культивирования в биореакторе с ротором геликоидального типа.
Объект исследования - перемешивающие устройства в виде роторов геликоидального типа, применительно к совершенствованию оборудования биотехнологических производств.
Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 03.01.06 -Биотехнология (в том числе бионанотехнологии) (п.4 - Изучение и разработка процессов и аппаратов микробиологического синтеза, включая физико-химическую кинетику, гидродинамику, массо- и теплообмены в аппаратах для ферментации, сгущения биомассы, разделения клеточных суспензий, сушки, грануляции, экстракции, выделения, фракционирования, очистки, контроля и хранения конечных целевых продуктов. Разработка теории моделирования, оптимизации и масштабирования процессов и аппаратов микробиологического синтеза) на защиту выносятся:
- разработанные научные основы построения ротора геликоидального различного типоразмерного ряда;
эмпирические зависимости для расчета основных газодинамических, массообменных и гидродинамических параметров в аппаратах с механическим перемешивающим устройством в виде ротора геликоидального типа;
разработанный, смонтированный и отлаженный измерительно - вычислительный комплекс (ИВК) для гидродинамической диагностики эффективности работы аппаратов;
установленные закономерности влияния технологических параметров работы биореактора с РГТ на выход продукта;
- методика инженерного расчета РГТ различного типоразмерного ряда.
Научная новизна работы:
Разработаны научные основы построения ротора геликоидального типа различного типоразмерного ряда.
Выявлены эмпирические зависимости для расчета основных газодинамических, массообменных и гидродинамических характеристик в биореакторах с роторами геликоидального типа.
Определены закономерности влияния технологических параметров на производительность биореактора с РГТ.
Впервые при культивировании аэробных мицелиальных микроорганизмов (Laetiporus sulphureus) применено новое перемешивающее устройство в виде ротора геликоидального типа.
Достигнуто увеличение продуктивности биореактора с РГТ до 35 % (в сравнении с турбинной мешалкой) за счет улучшения гидродинамической обстановки в рабочей полости биореактора и минимизации «стрессового» влияния перемешивающего органа на рост мицелиальных культур в биореакторе.
Практическая значимость работы.
Разработана принципиально новая конструкция перемешивающего устройства в виде ротора геликоидального типа, повышающая продуктивность биореактора до 35 % (на примере культивирования Laetiporus sulphureus).
Разработан измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для гидродинамического диагностирования эффективности работы различных по конструкции перемешивающих устройств.
Предложена методика инженерного расчета РГТ различного типоразмерного ряда, позволяющая разрабатывать РГТ для биореакторов, обеспечивая повышенную продуктивность.
Определена область применения разработанного биореактора с РГТ. Рекомендуется применять данный биореактор при ведении глубинных процессов ферментации мицелиальных форм микроорганизмов, обладающих дыхательной ак-тивностью q < 2 кг 02/м -ч.
Получен патент на изобретение (№2453589 РФ МПК С12М1/06, С12Т1/00. Аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов).
Подана заявка на патент № 2012146961 от 02.11.12 (находится на рассмотрении).
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международных научно-практических конференциях: «Наука и современность»
(Новосибирск, 2011), «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Новосибирск, 2011); всероссийских научно-практических конференциях: «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2011, 2012), «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2010).
Работа выполнялась по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации, финансируемому из средств федерального бюджета № 01201267254 (по теме «Теоретические основы процессов переработки растительного сырья в технологических машинах и аппаратах»).
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ (из них автора 1,88 п.л.), в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК и 1 патент РФ.
Вклад автора: Разработка и изготовление лабораторного оборудования; планирование и проведение экспериментов по исследованию газодинамических, массообменных и гидродинамических параметров РГТ; обработка и анализ результатов; подготовка публикаций.
Объем и структура работы:
