vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2019-9-4-737-749vuzbiochemi-267Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGYОсобенности мощностных и массообменных характеристик биореактора с дисковыми перфорированными мешалкамиPower and mass exchange characteristics of a bioreactor equipped with disk perforated mixersХабибрахмановР. Б.KhabibrakhmanovR. B.

Хабибрахманов Ринат Басыйрович, старший преподаватель кафедры химической кибернетики факультета пищевых технологий, аспирант

420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, Республика Татарстан

Rinat B. Khabibrakhmanov, Senior Lecturer, Postgraduate Student, Department of Chemical Cybernetics

68, K. Marx St., Kazan 420015, Republic of Tatarstan

habib13@mail.ruМухачевС. Г.MukhachevS. G.

Мухачев Сергей Гарманович, к.т.н., доцент кафедры химической кибернетики факультета пищевых технологий

420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, Республика Татарстан

Sergey G. Mukhachev, Ph.D. (Engineering), Associate Professor Department of Chemical Cybernetics

68, K. Marx St., Kazan 420015, Republic of Tatarstan

kznsoes@yandex.ruКазанский национальный исследовательский технологический университетРоссияKazan National Research Technological UniversityRussian Federation20190501202094737749Copyright © Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г., 20202020Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г.Khabibrakhmanov R.B., Mukhachev S.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/267

Продуктивность биореактора при реализации аэробных процессов биосинтеза зависит от интенсивности массообмена кислорода. Исследованы дисковые мешалки с перфорированной поверхностью, которые обеспечивают увеличение поверхности контакта газовой и жидкой фаз. Экспериментально установлено, что мощностные характеристики дисковых мешалок с отогнутыми сегментами и секторами зависят от угла наклона рабочих поверхностей. Для многоярусных мешалок показано, что при возрастании расстояния между ярусами в диапазоне 0–1,4 от диаметра мешалки показатель степени при числе ярусов в выражении суммарной мощности пропорционален величине указанного расстояния. При расстоянии между ярусами, превышающем диаметр мешалки в 1,5 и более раз, суммарная мощность равна сумме мощностей одиночных мешалок. Энергетическая эффективность процесса массообмена кислорода резко снижается при уменьшении расстояния между ярусами. Показатель эффективности процесса массопередачи кислорода зависит от соотношения аэрации и мощности мешалки и имеет вид кривой с насыщением. Анализ всей совокупности полученных экспериментальных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что интенсивный и одновременно энергоэффективный процесс массообмена кислорода может быть обеспечен при малом отношении диаметра аппарата к его высоте, использовании многоярусных мешалок с расстоянием между ярусами, превышающими диаметр мешалки, и при удельной аэрации не менее 3 мин-1 . Дисковые перфорированные мешалки могут быть рекомендованы к использованию в конструкциях биореакторов, их применение предпочтительно в процессах наработки биомасс аэробных микроорганизмов, в том числе при выращивании посевных культур с высокой плотностью. Режимы, обеспечивающие достижение высокой плотности популяции аэробных микроорганизмов при скоростях массообмена кислорода, превышающих 10 кгО2/м3 ·ч, характеризуются относительно невысокой энергоэффективностью (1–1,2 кгО2/кВт·ч).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

In the implementation of aerobic biosynthesis processes, the productivity of a bioreactor depends on the intensity of oxygen mass transfer. Disk mixers with a perforated surface, providing an increase in the contact surface of the gas and liquid phases, were studied. The power characteristics of disk mixers with bent segments and sectors was experimentally established to depend on the slope of the working surfaces. For multi-tier mixers, the exponent regarding the number of tiers in the expression of total power was determined to be proportional to the value of the distance between tiers in the range of specified distance equal to 0–1.4 of the diameter of the mixer. At a distance between tiers exceeding the diameter of the mixer by 1.5 or more times, the total power is equal to the sum of the powers of single mixers. The energy efficiency of the process of oxygen mass transfer decreases sharply with decreasing distance between tiers. The eff iciency indicator of the oxygen mass transfer depends on the ratio of aeration and power of the mixer, demonstrated in the form of a saturation curve. An analysis of the obtained experimental dependences supports a conclusion concerning the intensive and energy-efficient process of oxygen mass transfer obtained by ensuring a small ratio of the diameter of the unit to its height, use of multi-tier mixers with a distance between tiers greater than the diameter of the mixer and specific aeration of at least 3 min -1 . Perforated disk mixers can be recommended for use in bioreactor designs with the optimal implementation in the processes of aerobic microorganism production, including the cultivation of high-density seed crops. At oxygen mass transfer rates exceeding 10 kgO2/m3 ·h, modes ensuring the achievement of a high population density of aerobic microorganisms are characterised by relatively low energy efficiency (1–1.2 kg O2/kWh).

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

мешалкаперфорациякоэффициент мощностикоэффициент массопередачи кислородамассообменэнергоэффективностьmixerperforationpower factoroxygen mass transfer coefficientmass transferenergy efficiencyReferencesПат. № 2021849, Российская Федерация. Перемешивающее устройство для многофазных сред / С.Г. Мухачев, Р.И. Валеев, Ш.Г. Еникеев, В.П. Верхорубов, В.А. Шушков; заявл. 09.04.1991; опубл. 30.10.1994.Mukhachev SG, Valeev RI, Enikeev ShG, Verchorubov VP, Shushkov VA. Mixing device for multiphase media. Patent RF, no. 2021849, 1994. (In Russian)Мухачев С.Г., Чепегин И.В., Валеев Р.И., Еникеев Ш.Г., Джелинео А. История создания и результаты испытаний пилотного биореактора интенсивного массообмена G-1000 Сербской фирмы «GOSA» // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. N 23. С. 39–41.Mukhachev SG, Chepegin IV, Valeev RI, Enikeev ShG, Dzhelineo A. The history of the creation and test results of a pilot bioreactor of intensive mass exchange G-1000 of a Serbian company “GOSA”. Vestnik Kazanskogo Tekhnologicheskogo Universiteta = Bulletin of the Technological University. 2015;18(23):39–41. (In Russian)Cudak M. Hydrodynamic Characteristics of Mechanically Agitated Air-Aqueous Sucrose Solutions // Chemical and Process Engineering. 2014. Vol. 35. Issue 1. P. 97–107. https://doi.org/10.2478/cpe-2014-0007Cudak M. Hydrodynamic Characteristics of Mechanically Agitated Air-Aqueous Sucrose Solutions. Chemical and Process Engineering. 2014;35(1):97–107. https://doi.org/10.2478/cpe2014-0007Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г. Исследование мощностных характеристик перфорированных одноярусных мешалок при варьировании аэрации // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. N 11. С. 172–174.Khabibrakhmanov RB, Mukhachev SG. Investigation of the power characteristics of perforated single-tier mixers with varying aeration. Vestnik Kazanskogo Tekhnologicheskogo Universiteta = Bulletin of Technological University. 2012;15(11): 172–174. (In Russian)Major-Godlewska M., Karcz J. Power consumption for an agitated vessel equipped with pitched blade turbine and short baffles // Chemical Papers. 2018. Vol. 72. P. 1081–1088. https://doi.org/10.1007/s11696-017-0346-xMajor-Godlewska M, Karcz J. Power consumption for an agitated vessel equipped with pitched blade turbine and short baffles. Chemical Papers. 2018;72:1081–1088. https://doi.org/10.1007/s11696-017-0346-xBates R.L., Fondy P.L., Corpstein R.R. Examination of Some Geometric Parameters of Impeller Power // Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. 1963. Vol. 2. Issue 4. P. 310–314. https://doi.org/10/1021/i260 008a011Bates RL, Fondy PL, Corpstein RR. Examination of Some Geometric Parameters of Impeller Power. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. 1963;2(4):310–314. https://doi.org/10/1021/i260008a011Bissel E.S., Hesse H.C., Everett H.I., Rusthon I.H. Design and use of internal devices in agitated vessels // Chemical Engineering Progress. 1947. Vol. 43. Issue 12. P. 649.Bissel ES, Hesse HC, Everett HI, Rusthon IH. Design and use of internal devices in agitated vessels. Chemical Engineering Progress. 1947; 43(12):649.Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. М.; Л.: Госхимиздат, 1949. 88 с.Kafarov VV. Mixing processes in liquid media. Moscow, Leningrad: Goskhimizdat, 1949, 88 p. (In Russian)Haruki Furukawa, Yoshihito Kato, Yoshiro Inoue, Tomoho Kato, Yutaka Tada, Shunsuke Hashimoto. Correlation of Power Consumption for Several Kinds of Mixing Impellers // International Journal of Chemical Engineering. 2012. Vol. 2012. Article ID 106496. 6 p. https://doi.org/10.1155/2012/106496Furukawa H, Kato Y, Inoue Y, Kato T, Tada Y, Hashimoto S. Correlation of Power Consumption for Several Kinds of Mixing Impellers. International Journal of Chemical Engineering. 2012; 2012. Article ID 106496. 6 p. https://doi.org/10. 1155/2012/106496Aerstin F., Street G. Agitation and Mixing. In: Applied Chemical Process Design. Springer, Boston, MA. 1978. P. 9–28. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-3976-2_2Aerstin F, Street G. Agitation and Mixing. In: Applied Chemical Process Design. Springer, Boston, MA. 1978, pp. 9–28. https://doi.org/10. 1007/978-1-4613-3976-2_2Bailey J.E., Ollis D.F. Biochemical Engineering Fundamentals. 2 Ed. New York: McGrawHill Book Company. 1986. 984 p.Bailey JE, Ollis DF. Biochemical Engineering Fundamentals. 2nd ed. New York: McGrawHill Book Company. 1986, 984 p.Luong H.T., Volesky B. Mechanical Power Requirements of Gas-Liquid Agitated Systems // AIChE Journal. 1979. Vol. 25. Issue 5. P. 893–895. https://doi.org/10.1002/aic.69025 0520Luong HT, Volesky B. Mechanical Power Requirements of Gas-Liquid Agitated Systems. AIChE Journal. 1979;25(5):893–895. https://doi.org/10.1002/aic.690250520Robinson C.W., Hassan I.T.M. StirredTank Mechanical Power Requirement and Gas Holdup in Aerated Aqueous Phases // AIChE Journal. 1977. Vol. 23. Issue 1. P. 48–56. https://doi.org/10.1002/aic.690230109Robinson CW, Hassan ITM. Stirred-Tank Mechanical Power Requirement and Gas Holdup in Aerated Aqueous Phases. AIChE Journal. 1977;23(1):48–56. https://doi.org/10.1002/aic.690230109Adamiak R., Karcz J. Effects of Type and Number of Impellers and Liquid Viscosity on the Power Characteristics of Mechanically Agitated Gas-Liquid Systems // Chemical Papers. 2007. Vol. 61. Issue 1. P. 16–23. https://doi.org/10.2478/s11696-006-0089-6Adamiak R, Karcz J. Effects of Type and Number of Impellers and Liquid Viscosity on the Power Characteristics of Mechanically Agitated Gas-Liquid Systems. Chemical Papers. 2007; 61(1):16–23. https://doi.org/10.2478/s11696-006-0089-6Kamieński J., Niżnik J. Mieszanie układów dwufazowych ciecz-gaz w aparatach z kilkoma mieszadłami // Inzynieria Chemiczna i Procesowa. 1999. Tom 20. Numer 3. P. 299–325.Kamieński J, Niżnik J. Mieszanie układów dwufazowych ciecz-gaz w aparatach z kilkoma mieszadłami. Inzynieria Chemiczna i Procesowa = Chemical and Process Engineering. 1999;20(3): 299–325. (In Polish)Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г. Оценка влияния параметров расположения дисковых мешалок на их мощностные характеристики // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. N 5. С. 53–55.Khabibrakhmanov RB, Mukhachev SG. Assessment (of the influence) of the parameters of disk mixers location on their power characteristics. Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta = Bulletin of the Technological University. 2017;20(5):53–55. (In Russian)Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г. Оценка погрешностей балансовых методов определения скорости абсорбции кислорода раствором сульфита натрия // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. N 1. С. 124–126.Khabibrakhmanov RB, Mukhachev SG. Estimation of errors in the balance method of determining rate of oxygen absorption by solution of sodium sulphite. Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta = Bulletin of the Technological University. 2016;19(1):124–126. (In Russian)Hagman A., Säll T., Piškur J. Analysis of the yeast short-term Crabtree effect and its origin // FEBS Journal. 2014. Vol. 281. P. 4805–4814. https://doi.org/10.1111/febs.13019Hagman A, Säll T, Piškur J. Analysis of the yeast short-term Crabtree effect and its origin. FEBS Journal. 2014;281: 4805–4814. https://doi.org/10.1111/febs.13019Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. М.: Лесная промышленность, 1985. 280 с.Kafarov VV, Vinarov AU, Gordeev LS. Modeling and system analysis of biochemical production. Moscow: Lesnaya promyshlennost’, 1985, 83 p. (In Russian)Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г. Эффективность массопередачи кислорода в процессах культивирования Bacillus subtilis // Вестник технологического университета. 2018. Т. 21. N 1. С. 193–195.Khabibrakhmanov RB, Mukhachev SG. Efficiency of oxygen mass transfer in the processes of cultivation of Bacillus subtilis. Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta = Bulletin of the Technological University. 2018;21(1):193–195 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.