Особенности мощностных и массообменных характеристик биореактора с дисковыми перфорированными мешалками

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.

1. Пат. № 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.

2. 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.

3. 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-2014-0007

4. Хабибрахманов 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.

5. 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-x

6. Bates 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 008a011

7. Bissel 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.

8. Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. М.; Л.: Госхимиздат, 1949. 88 с.

9. 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/10.1155/2012/106496

10. Aerstin 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_2

11. Bailey J.E., Ollis D.F. Biochemical Engineering Fundamentals. 2 Ed. New York: McGrawHill Book Company. 1986. 984 p.

12. 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 0520

13. Robinson 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.690230109

14. Adamiak 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/s11696-006-0089-6

15. Kamieński 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.13019

19. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. М.: Лесная промышленность, 1985. 280 с.

20. 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.