Введение к работе
Актуальность работы Непрерывное увеличение потребности в продуктах микробиологического синтеза 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, позволяющих разработать научно-обоснованную методику их расчета и проектирования.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является экспериментальное исследование динамики пленочного течения жидкой фазы, тепломассообмена, 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, в том числе:
динамика пленочного течения жидкости по стенке цилиндрического канала 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, в том числе:
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.
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 массообмен в химической технологии» (Казань, 2000), а также на ежегодных научных сессиях КГТУ (1998-2004).
Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных статей, входящих в перечень ВАК, а также 12 статей и докладов в периодических научных изданиях и трудах конференций и 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.
