Способ определения эффективности массообменных аппаратов Российский патент 2019 года по МПК B01D3/00 

Описание патента на изобретение RU2702539C1

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*Nvnm; /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.

Похожие патенты RU2702539C1

название год авторы номер документа
Способ определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов 2022
  • Пыстина Наталья Борисовна
  • Хохлачев Николай Сергеевич
  • Червякова Ольга Петровна
  • Семенова Виктория Александровна
  • Сакаян Даниил Игоревич
RU2807061C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ АМИНА 2005
  • Ураяма Синити
  • Мутоу Еиго
  • Инагаки Ацуси
  • Окада Такаси
  • Сугисаки Сигехару
RU2385318C2
Устройство для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ-жидкость 2017
  • Сахаров Юрий Николаевич
  • Махоткин Алексей Феофилактович
  • Сахаров Илья Юрьевич
  • Махоткин Игорь Алексеевич
RU2659462C1
ФЕРМЕНТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МЕТАНАССИМИЛИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ 2015
  • Лалова Маргарита Витальевна
  • Миркин Михаил Григорьевич
  • Найдин Анатолий Владимирович
  • Сафонов Александр Иванович
  • Бабурченкова Ольга Александровна
RU2580646C1
Способ аэрации культуральной жидкости микроорганизмов 1991
  • Борисов Василий Львович
  • Кузнецов Анатолий Макарович
  • Боярчук Юрий Петрович
  • Андреев Николай Сергеевич
SU1824438A1
СПОСОБ НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ ГАЗОМ В АППАРАТЕ С МЕШАЛКОЙ 2022
  • Войнов Николай Александрович
  • Земцов Денис Андреевич
  • Фролов Александр Сергеевич
RU2790167C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА ГЛИОКСИЛОВОЙ КИСЛОТЫ 2009
  • Блежер Франсуа
  • Симон Оливье
  • Шутетен Ален
RU2481322C2
Способ получения целлюлозы 1978
  • Аракин Игорь Евгеньевич
  • Евдокимов Александр Николаевич
  • Зайцев Виктор Александрович
  • Уткин Станислав Павлович
  • Махнина Альбина Петровна
  • Бойко Юрий Александрович
SU866021A1
Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов 2016
RU2607782C1
Биореактор для выращивания метанокисляющих микроорганизмов 2023
  • Неретин Денис Анатольевич
  • Теребнев Александр Владимирович
  • Хохлачев Николай Сергеевич
  • Червякова Ольга Петровна
  • Семенова Виктория Александровна
  • Сакаян Даниил Игоревич
  • Небогатов Алексей Юрьевич
RU2815237C1

Реферат патента 2019 года Способ определения эффективности массообменных аппаратов

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*Nvnm, 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.

Формула изобретения RU 2 702 539 C1

Способ определения объемного коэффициента массопередачи массообменных аппаратов с механическим перемешиванием по эмпирическим уравнениям, которые представлены в виде:

KLa=А*Nvnm, 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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2702539C1

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
  • Цирлин Олег Вениаминович
SU1553891A1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ В ФЕРМЕНТЕРЕ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ 1987
  • Литвиненко Л.А.
  • Сапрунов В.И.
  • Сивашева Т.Н.
  • Котельников Г.В.
SU1479504A1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ В ФЕРМЕНТАЦИОННОМ СОСУДЕ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ В НЕПРЕРЫВНЫХ И ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И ФЕРМЕНТАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2009
  • Котельников Григорий Владимирович
  • Моисеева Софья Петровна
RU2391410C1

RU 2 702 539 C1

Авторы

Листов Евгений Леонидович

Чернушкин Дмитрий Викторович

Буров Сергей Николаевич

Дибцов Владимир Павлович

Сорокин Алексей Глебович

Буторова Ирина Анатольевна

Аксютин Олег Евгеньевич

Ишков Александр Гаврилович

Бондаренко Константин Николаевич

Шайхутдинов Александр Зайнетдинович

Пыстина Наталья Борисовна

Даты

2019-10-08Публикация

2019-02-20Подача