Изобретение относится к способам определения эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием и может найти применение в микробиологической, фармацевтической и смежных отраслях промышленности.
Определение эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием позволяет осуществлять предварительный выбор биореактора с его гидродинамическими и массообменными характеристиками для реализации аэробного процесса биосинтеза биологически активных веществ, а также провести оптимизацию на основе математических моделей и алгоритмов оптимального управления.
Определить эффективность массообменных аппаратов можно при проведении технологического процесса культивирования клеток какого-либо микроорганизма. Зная количество подаваемого кислорода воздуха и состав отходящей газовой фазы, концентрацию растворенного кислорода в культуральной среде, количество элементов питательной и минеральной среды, количество получаемой биомассы, то при составлении материального баланса по газовой фазе можно вычислить объемный коэффициент массопередачи KLa.
Недостатком данного способа является то, что если культура микроорганизмов находится не в экспоненциальной фазе роста, то значения коэффициента массопередачи будут неверными, кроме того этот способ требует большого количества приборов КИП и А.
Наиболее известный способ определения эффективности массообменных аппаратов это модельный процесс абсорбции кислорода раствором сульфита натрия, который традиционно используется для сравнительных оценок массообменных характеристик биореакторов /1-4/ с помощью которого определяется не сам объемный коэффициент абсорбции кислорода KLa, а так называемое сульфитное число - М:
М=KLa×Ср,
где Ср - равновесная концентрация кислорода в жидкости, находящейся в равновесии с газовой фазой.
В основе сульфитного метода лежит реакция окисления сульфита натрия в присутствии катализатора - ионов меди или кобальта в сульфат натрия.
Избыток остающегося сульфита определяется обратным йодометрическим титрованием или колориметрическим путем. Концентрации сульфита применяются от 0,2 н. до 1 н.
Недостатком указанного способа является то, что:
- скорость химической реакции окисления сульфита значительно выше скорости абсорбции, поэтому общая скорость процесса определяется скоростью абсорбции. Определяемый этим методом сульфитный коэффициент (сульфитное число) М характеризует скорость абсорбции кислорода в данном аппарате. М определяется физико-химическими свойствами раствора сульфита и гидродинамическими параметрами системы, поэтому данный коэффициент может быть использован лишь для относительного сравнения массообменных возможностей аппаратов. При переходе к аэрации культуральной жидкости скорость абсорбции кислорода может быть совсем иной,
- обычно величина KLa, определенная сульфитным методом, выше найденной прямыми методами. Кроме того, механизм реакции окисления сульфита изучен недостаточно. Известно лишь то, что эта реакция очень чувствительна к катализу и ингибированию. Даже весьма незначительные отличия в качестве сульфита или наличие следов поверхностно-активных веществ могут существенно изменить значение М. Все это существенно ограничивает возможности применения сульфитного метода для оценки массообменных характеристик ферментационного оборудования,
- процесс биосорбции (потребление кислорода клеткой) и хемосорбции очень сильно разнятся,
- применение этого метода для крупнотоннажного оборудования потребует много сульфита натрия и как следствие больших финансовых затрат. В связи с этим этот метод применим для лабораторных и пилотных аппаратов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (прототипом) является определение объемного коэффициента массопередачи по эмпирическим уравнениям /5/, которые представлены в виде:
KLa=А*Nvn*ϕm; /1/
где: Nv - удельная мощность, Вт/кг; ϕ - газосодержание, %; A, n, m - коэффициенты, свойственные для данного вида аппарата.
Недостатком указанного способа является большая недостоверность определения удельно - вводимой мощности и как следствие - объемного коэффициента массопередачи. Объясняется тот факт следующим. Для привода перемешивающего устройства, например, мешалки используют асинхронные двигатели, которые для осуществления плавности регулировки скорости оборотов в широком диапазоне оснащают преобразователем частоты. КПД двигателя зависит от нагрузки и может колебаться от 75 до 96% и потому для различных скоростей оборотов мешалки непосредственное измерение потребляемой мощности будет не корректным. Что касается газосодержания, то оно легко определяется как соотношение объема газовой фазы к объему газожидкостной смеси.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является высокая достоверность определения объемного коэффициента массопередачи в широком диапазоне скорости оборотов мешалки простота и быстрота определения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является повышение точности и уменьшение времени определения объемного коэффициента массопередачи.
Согласно современным научным представлениям, энергия - это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. В случае механического перемешивания жидкости в ферментере происходит ее нагрев, т.е. происходит переход механической формы энергии за счет вращения привода мешалки электродвигателем в тепловую энергию. На этом принципе и основано данное изобретение при расчете удельной мощности для определения эффективности массообменных аппаратов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе определения эффективности массообменных аппаратов удельная мощность пошедшая на перемешивание среды в аппарате определяется по формуле:
Nv=C*(t1-t2)/Δτ, /2/
где: С - удельная теплоемкость жидкости, Вт ч / кг °C; t1-t2 - разница температуры жидкости за время определения, °C; Δτ - время определения, час.,
а определение объемного коэффициента массопередачи по эмпирическому уравнению /1/.
Способ осуществляется следующим образом.
В аппарат наливают рабочее количество воды при температуре равной окружающей температуре воздуха. Устанавливают нужный режим оборотов мешалки и подачи воздуха, включают секундомер. Аппарат на время проведения исследования лучше временно теплоизолировать подручными материалами. Через некоторое время (5-10 минут) зафиксировать на сколько градусов нагрелась вода в аппарате. По формуле /2/ вычислить удельную мощность. Для определения газосодержания в аппарате можно воспользоваться обычной линейкой. Делается два измерения: одно это уровень жидкости без аэрации и перемешивания (h1) другое измерение это верхний уровень жидкости при рабочем режиме (h2). Газосодержание определяется из соотношения:
ϕ=h2-h1/h2, % /3/
далее по формуле /1/ вычислить объемный коэффициент массопередачи для данного типа ферментера.
Простота этого способа заключается в элементарных средствах измерения - это секундомер и линейка, термопара или градусник которые обычно штатно входят в комплект ферментера. Количеством тепла пошедшего на нагревание самого аппарата можно пренебречь, поскольку вес аппарата обычно в 2-3 раза меньше веса рабочей жидкости в аппарате, а теплоемкость металла из которого изготовлен аппарат почти на порядок меньше теплоемкости воды.
Примеры осуществления способа.
Далее в таблице представлены результаты определения объемного коэффициента массопередачи ферментера с двухярусной мешалкой рабочим объемом 10 литров и удельной подачей воздуха 100 л на 1 литр рабочего объема в час.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
Способ определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов | 2022 |
|
RU2807061C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ АМИНА | 2005 |
|
RU2385318C2 |
Устройство для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ-жидкость | 2017 |
|
RU2659462C1 |
ФЕРМЕНТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МЕТАНАССИМИЛИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ | 2015 |
|
RU2580646C1 |
Способ аэрации культуральной жидкости микроорганизмов | 1991 |
|
SU1824438A1 |
СПОСОБ НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ ГАЗОМ В АППАРАТЕ С МЕШАЛКОЙ | 2022 |
|
RU2790167C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА ГЛИОКСИЛОВОЙ КИСЛОТЫ | 2009 |
|
RU2481322C2 |
Способ получения целлюлозы | 1978 |
|
SU866021A1 |
Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов | 2016 |
|
RU2607782C1 |
Биореактор для выращивания метанокисляющих микроорганизмов | 2023 |
|
RU2815237C1 |
Изобретение относится к способам определения эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием. Способ определения объемного коэффициента массопередачи массообменных аппаратов с механическим перемешиванием по эмпирическим уравнениям, которые представлены в виде: KLa=А*Nvn*ϕm, ч-1, где: Nv - удельная мощность, Вт/кг; ϕ - газосодержание, %; A, n, m - коэффициенты, свойственные для данного вида аппарата. При этом газосодержание в аппарате определяется как отношение объема газовой фазы к объему газожидкостной смеси. Способ отличается тем, что с целью получения высокой достоверности определения объемного коэффициента массопередачи в широком диапазоне скоростей оборотов мешалки, простоты и быстроты способа определение удельной мощности осуществляют в системе жидкость - воздух при комнатной температуре, замеряя повышение температуры жидкости во времени, которое происходит за счет перехода механической формы энергии вращения привода мешалки электродвигателем в тепловую энергию, а удельную мощность при этом определяют по формуле: Nv=C*(t1-t2)/Δτ, где: С - удельная теплоемкость жидкости, Втч/кг°C; t1-t2 - разница температуры воды за время определения, °C; Δτ - время определения, ч. Технический результат - повышение точности и уменьшение времени определения объемного коэффициента массопередачи. 1 табл.
Способ определения объемного коэффициента массопередачи массообменных аппаратов с механическим перемешиванием по эмпирическим уравнениям, которые представлены в виде:
KLa=А*Nvn*ϕm, ч-1;
где: Nv - удельная мощность, Вт/кг; ϕ - газосодержание, %; A, n, m - коэффициенты, свойственные для данного вида аппарата,
при этом газосодержание в аппарате определяется как отношение объема газовой фазы к объему газожидкостной смеси, отличающийся тем, что с целью получения высокой достоверности определения объемного коэффициента массопередачи в широком диапазоне скоростей оборотов мешалки, простоты и быстроты способа определение удельной мощности осуществляют в системе жидкость - воздух при комнатной температуре, замеряя повышение температуры жидкости во времени, которое происходит за счет перехода механической формы энергии вращения привода мешалки электродвигателем в тепловую энергию, а удельную мощность при этом определяют по формуле:
Nv=C*(t1-t2)/Δτ,
где: С - удельная теплоемкость жидкости, Втч/кг°C; t1-t2 - разница температуры воды за время определения, °C; Δτ - время определения, ч.
SU 1898353, 27.03.1973 | |||
С.П | |||
РУДОБАШТА и др | |||
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАССООТДАЧИ И МАССОПРОВОДНОСТИ ИЗ КРИВЫХ КИНЕТИКИ, ТЕХНОЛОГИЯ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 6 (360) 2015 | |||
Способ определения коэффициента массообмена | 1987 |
|
SU1553891A1 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ В ФЕРМЕНТЕРЕ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ | 1987 |
|
SU1479504A1 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ В ФЕРМЕНТАЦИОННОМ СОСУДЕ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ В НЕПРЕРЫВНЫХ И ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И ФЕРМЕНТАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2009 |
|
RU2391410C1 |
Авторы
Даты
2019-10-08—Публикация
2019-02-20—Подача