Радиально-осевой ферментёр

реклама
Радиально- осевой
ферментёр для аэробных
процессов с высокой
вязкостью культуральной
жидкости.
(Архипов М.Ю.)
Мицелиальные микроорганизмы
• Мицелиальные микроорганизмы обычно
существуют в виде микроколоний (микробных
агломератов) , в которых связанные между собой
гифы образуют сложную структуру.
• Снабжение кислородом клеток микроорганизмов,
находящихся внутри агломерата, происходит
через внешнюю поверхность агломерата и далее
путём диффузии по каналам, образуемым
промежутками между гифами мицелия
микроорганизмов.
Виды морфологии растущего в
ферментёре мицелия
Варианты профиля распределения
кислорода по глубине агломерата
Агломерат
Жидкость
1, 2, 3, 4, 5 ‐ удельная скорость потребления кислорода внутри
агломерата в порядке возрастания его размера
Сегрегация в ферментационных
жидкостях
• Перемешивание никогда не бывает полностью
идеальным.
• Жидкость, содержащая растворенные компоненты
питательной среды, нерастворимые частицы
(например, муку), микроорганизмы и их
микроколонии, не перемешивается до
молекулярного уровня и даже до уровня отдельных
клеток или их микроколоний.
• В соответствии с теорией Данквертса
перемешивание происходит до размеров «жидких
частиц», соизмеримых с наименьшим масштабом
турбулентных пульсаций
Следствия сегрегации
• В результате рабочий объем аппарата распадается на
множество сегрегированных неперемешиваемых
объемов жидкости, функционирующих как отдельные
биореакторы-агломераты.
• Размеры агломератов больше размеров отдельных
клеток, или микроколоний, или жестких сцеплений
микроколоний. В принципе такого рода агломераты –
неперемешиваемые объемы жидкости – существуют в
любой, особенно вязкой, жидкости («жидкие частицы»
по Данквертсу).
• Распределение кислорода в таких неперемешиваемых
объёмах жидкости аналогично рассмотренному выше
для микробных агломератов с фиксированными
размерами
Диапазон изменения параметров
в мицелиальных ферментациях
• В процессах мицелиальных
ферментаций основные параметры
изменяются в следующих пределах:
• Вязкость – от 1…5 до 300…800 мПа*с
• Концентрация биомассы – в 10...15 раз
• Скорость потребления кислорода Qm –
от 0,3 до 10 г/ л в час
Неравномерность
турбулентности в ферментёре
• Уровень турбулентности в ферментёре неодинаков в
разных частях аппарата и существенно отличается от
средней величины диссипации энергии
εср
• Если стремиться к тому, чтобы турбулентность была
равномерной (изотропной) и к тому же везде обеспечивала
высокое относительное дыхание, то это повлечёт за собой
значительное повышение энергозатрат и усложнение
конструкции аппарата
• Более целесообразно использовать эффект комбинации
зон интенсивного перемешивания и циркуляционных
потоков
Распределение диссипации
энергии (ε/εср) в ферментёре
Циркуляционная модель
структуры потоков в ферментёре
Зона
циркуляции
Зона
интенсивного
перемешивания
Зона циркуляции
Радиальное и осевое течение
жидкости в ферментёре
Радиальное течение
Осевое течение
Динамика изменения концентрации
кислорода в зоне перемешивания
• Объём зоны интенсивного перемешивания
обычно не превышает 10% от общего объёма,
занятого жидкостью в ферментёре.
• В зоне интенсивного перемешивания размер
микробных агломератов мал, и они насыщаются
кислородом до высоких концентраций.
• При переходе в зону циркуляции малоразмерные
агломераты объединяются в более крупные, и в
каждом из них в начале пути концентрация
кислорода практически одинакова на
поверхности и в глубине агломерата.
Динамика изменения концентрации
кислорода в циркуляционном контуре
• По мере прохождения циркуляционного контура
происходит непрерывное снижение
концентрации кислорода в агломерате из-за его
потребления и недостаточного снабжения им
через поверхность «циркуляционных»
агломератов большого размера (из-за низкой
турбулентности в циркуляционном контуре).
• При входе в зону интенсивного перемешивания
происходит насыщение кислородом – и в итоге
изменение концентрации кислорода у клеток
имеет пилообразный характер:
Динамика изменения концентрации
растворённого кислорода в агломерате
1-й цикл циркуляции
2-й цикл циркуляции
Необходимая модификация
ферментационных аппаратов
• Разделение рабочего объёма жидкости в аппарате
на две зоны: зону интенсивного перемешивания и
зону циркуляции.
• В зоне перемешивания использовать турбинную
мешалку с высокой локальной диссипацией
энергии.
циркуляционного потока
• Для создания
использовать мешалки с осевым течением
жидкости, в которых вся энергия должна быть
сосредоточена на обеспечении наиболее быстрой
циркуляции жидкости.
Смысл модификации
• Каждый элемент жидкости вместе с
находящимися в нем микроорганизмами
периодически попадает в зону
интенсивного перемешивания, насыщается
в ней кислородом, а затем в течение
определенного времени (времени
циркуляции ) может либо вообще не
снабжаться кислородом, либо снабжаться в
наименьшей степени.
Возможный пример
реализации
предложения
1. Зона интенсивного
перемешивания расположена
в нижней части аппарата
(турбинная мешалка).
2. Центральная часть аппарата
выполнена в виде
цилиндрического
диффузора (обечайки),
внутри которого проходит
вал с одним или более
ярусами осевых (например,
пропеллерных) мешалок,
обеспечивающих
циркуляцию жидкости
сверху вниз.
3. Радиальный поток
жидкости от турбинной
мешалки идёт вверх у
стенок аппарата
ПРЕИМУЩЕСТВА
• При работе на вязких культуральных
жидкостях аппарат с
комбинированной радиально-осевой
системой перемешивания
обеспечивает 2-кратное снижение
энергозатрат
по сравнению с традиционной
многоярусной системой радиального
перемешивания турбинными
мешалками
Скачать