Способ определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов Российский патент 2023 года по МПК C12Q3/00 C12M1/36 

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для оценки скорости массопереноса кислорода в ферментационных аппаратах для культивирования микроорганизмов.

Объемный коэффициент массопереноса кислорода из газа в жидкость является важной массообменной характеристикой ферментационных аппаратов. Оценить эффективность массообмена в ферментере можно по коэффициенту массопередачи кислорода из воздуха в ферментационную среду.

Широкое распространение получил так называемый сульфитный метод оценки объемного коэффициента массопередачи кислорода (Н.Н. Васильев, В.А. Амбросов, А.А. Складнев. Моделирование процессов микробиологического синтеза. М: Лесная промышленность. 1975. С. 340). В основе метода лежит йодометрическое определение скорости каталитического окисления сульфита натрия, находящегося в рабочей емкости аппарата, работающем в исследуемом режиме перемешивания и аэрации.

Однако при оценке массообменных характеристик ферментационных аппаратов сульфитным методом нельзя предусмотреть возможность влияния физико-химических свойств питательной среды на процесс сорбции кислорода, пенообразования, присутствия пеногасителей. Это связано с тем, что на определяемую величину сульфитного коэффициента в случае реальных сред сильное влияние могут оказывать их реологические свойства, а некоторые органические вещества, проявляя антикаталитическое действие, резко снижают скорость окисления сульфита натрия, внося существенную ошибку в определение массообменных характеристик. Таким образом, сульфитный метод определения условий аэрации может быть применим только для сравнительной оценки массообменных характеристик различного оборудования, функционирующего в определенных близких условиях.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения эффективности массообменных аппаратов (патент РФ № 2702539, B01D 3/00, опубл. 08.10.2019), заключающийся в определении объемного коэффициента массопередачи массообменных аппаратов с механическим перемешиванием по эмпирическим уравнениям, которые представлены в виде: K_La=А*N_v^n*φ^m, ч^-1, где: N_v - 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. 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: N_v=C*(t₁-t₂)/Δτ, где: С - удельная теплоемкость жидкости, Втч/кг °С; t₁-t₂ - разница температуры воды за время определения, °С; Δτ - время определения, ч.

К недостаткам этого способа можно отнести повышение температуры, происходящее за счет механического разогрева жидкости при вращении мешалки, величина которого сильно зависит от скорости вращения мешалки, существенно влияет на результаты определения коэффициента массопередачи, показатели которого будут значимо отличаться при различных скоростях вращения. В известном решении заявлена высокая достоверность определяемого коэффициента массопередачи, однако данная величина зависит не только от мощности электродвигателя или частоты вращения мешалки, но и от геометрических форм внутренних конструктивных элементов ферментационного аппарата. При этом формула для расчета коэффициента массопередачи содержит различные эмпирические коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого вида аппарата. Кроме того, использование величины повышения температуры жидкости при механическом перемешивании не позволяет охарактеризовать процесс сорбции кислорода жидкостью, а является характеристикой самой жидкой среды.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего наиболее точное определение объемного коэффициента массопередачи кислорода.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности оценки массообменных характеристик ферментационных аппаратов, обусловленное повышением точности и достоверности определения объемного коэффициента массопередачи кислорода за счет прямого измерения концентрации растворенного кислорода в жидкости.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов определяют объемный коэффициент массопередачи кислорода по тангенсу угла наклона прямолинейного участка графика зависимости равновесной концентрации растворенного кислорода в жидкости при аэрировании воздухом от времени, построенного по экспериментальным данным в полулогарифмических координатах где С* - равновесная концентрация растворенного кислорода в момент времени t после начала аэрирования жидкости воздухом (мг/л); С₀ - равновесная концентрация растворенного кислорода в начальный момент времени t до начала аэрирования воздухом (мг/л); ΔС - изменение равновесной концентрации растворенного кислорода за промежуток времени Δt в процессе аэрирования (мг/л); t - продолжительность аэрирования (сек). При этом значения С* и С₀ получают путем их прямого измерения.

По предлагаемому способу определение массообменной характеристики ферментационного аппарата осуществляют следующим образом:

Для экспериментального определения величины объемного коэффициента массопередачи кислорода (K_La) в корпус ферментационного аппарата устанавливают датчик растворенного кислорода, наливают жидкость (рабочую среду) до рабочего уровня и включают перемешивающее устройство (мешалку).

Предварительно из жидкости в ферментационном аппарате необходимо удалить кислород. Для этого в ферментер с включенной мешалкой подают инертный газ (азот или аргон) до тех пор, пока показатели датчика (рО₂) достигнут минимального значения концентрации растворенного кислорода (близкого к нулю).

После достижения минимальной и неизменяющейся концентрации кислорода в жидкости останавливают подачу инертного газа в аппарат и начинают подавать воздух. В момент начала подачи воздуха в аппарат засекают время и измеряют концентрацию растворенного кислорода (фиксируют по датчику рО₂) через равные промежутки времени (например, каждые 5 или 10 секунд). Увеличение концентрации растворенного кислорода в жидкости характеризует процесс сорбции кислорода из воздуха жидкостью. Показания датчика рО₂ продолжают фиксировать до установления максимальной концентрации растворенного кислорода (или до установления почти неизменяющихся показаний). Установление максимальной или неизменяющейся во времени концентрации растворенного кислорода говорит о завершении процесса сорбции.

Для расчета объемного коэффициента массопередачи используют зависимость концентрации растворенного кислорода в жидкости от времени C=f(t). Общий вид зависимости концентрации растворенного кислорода в процессе сорбции жидкостью в ферментационном аппарате приведен на фиг. 1.

Экспериментальное определение K_La основано на принципе измерения скорости установления равновесия после мгновенного изменения разности концентраций кислорода в фазах, находящихся в контакте друг с другом. В жидкости скорость установления равновесия определяется только процессом массопередачи и может быть описана формулой:

или в интегральной форме:

где С* - равновесная измеренная концентрация растворенного кислорода в момент времени t после начала аэрирования жидкости воздухом (мг/л (мг/л); С₀ - равновесная измеренная концентрация растворенного кислорода в начальный момент времени t до начала аэрирования воздухом (мг/л); ΔС - изменение равновесной концентрации растворенного кислорода за промежуток времени Δt в процессе аэрирования (мг/л); t - продолжительность аэрирования (сек), k - коэффициент, характеризующий величину объемного коэффициента массопередачи.

Согласно формуле (2) величина K_La численно равна тангенсу угла наклона прямолинейного участка графика, построенного в полулогарифмических координатах (фиг. 2).

Предлагаемый способ определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов иллюстрируется следующими примерами.

Определение объемного коэффициента массопередачи проводили в ферментационном аппарате объемом 50 л (рабочий уровень 30 л) с механическим перемешиванием при различных скоростях вращения мешалки при удельном расходе воздуха 1 л⋅л^-1⋅мин^-1. При этом значения С* и С₀ получали их прямым измерением с помощью датчика. С помощью математических преобразований получили результаты K_La, которые приведены в таблице.

По полученным экспериментальным данным построили графики зависимости концентрации растворенного кислорода в жидкости от времени в полулогарифмических координатах (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6). На графиках выделили прямолинейный участок в начальный момент времени измерений, тангенс угла наклона (tg а) к которому является объемным коэффициентом массопередачи кислорода.

По величине tg α или K_La судят об эффективности процесса массопередачи: чем больше эта величина, тем выше массообменная характеристика ферментационного аппарата.

Таким образом, непосредственное измерение концентрации растворенного кислорода в жидкости в процессе сорбции в ферментационном аппарате обеспечивает повышение точности и достоверности определения объемного коэффициента массопередачи кислорода, что позволяет более эффективно оценить массообменные характеристики аппарата.

Изобретение относится к области биотехнологии. Способ определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов заключается в определении объемного коэффициента массопередачи кислорода по тангенсу угла наклона прямолинейного участка графика зависимости равновесной концентрации растворенного кислорода в жидкости при аэрировании воздухом от времени, построенного по экспериментальным данным в полулогарифмических координатах , t, где С* - равновесная концентрация растворенного кислорода в момент времени t после начала аэрирования воздухом (мг/л); С₀ - равновесная измеренная концентрация растворенного кислорода в начальный момент времени t до начала аэрирования воздухом (мг/л); ΔС - изменение равновесной концентрации растворенного кислорода за промежуток времени Δt в процессе аэрирования воздухом (мг/л); t - продолжительность аэрирования воздухом (сек), причем значения С* и С₀ получают путем их прямого измерения. Изобретение позволяет повысить эффективность оценки массообменных характеристик ферментационных аппаратов. 6 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ определения массообменных характеристик ферментационных аппаратов, заключающийся в определении объемного коэффициента массопередачи кислорода по тангенсу угла наклона прямолинейного участка графика зависимости равновесной концентрации растворенного кислорода в жидкости при аэрировании воздухом от времени, построенного по экспериментальным данным в полулогарифмических координатах , t, где С* - равновесная концентрация растворенного кислорода в момент времени t после начала аэрирования жидкости воздухом (мг/л); С₀ - равновесная концентрация растворенного кислорода в начальный момент времени t до начала аэрирования воздухом (мг/л); ΔС - изменение равновесной концентрации растворенного кислорода за промежуток времени Δt в процессе аэрирования (мг/л); t - продолжительность аэрирования (сек), причем значения С* и С₀ получают путем их прямого измерения.