Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
микроорганизмы, к охлаждающим поверхностям; 3) поступления тепла за счет
рассеяния мех-аниче^" ской энергии, затрачиваемой на перемешивание среды
с целью ее аэрации; 4) охлаждения при испарении, выравнивания температур
и работы при расширении, связанной с прохождением воздуха через среду; 5)
изменения коэффициента теплопередачи вследствие загрязнения охлаждающих
поверхностей накапливающимися на них микроорганизмами. Потенциальную
значимость этих факторов необходимо рассматривать отдельно для каждой
технологической системы.
Когда микроорганизмы диспергированы в толще водной среды, как бывает
обычно в процессах, где культивируют бактерии и дрожжи, скорость
теплопередачи лимитируется переносом тепла от культуральной среды к
охлаждающим поверхностям.
Содержимое аэробного биореактора, работающего в условиях интенсивного
перемешивания, можно представить как массу пузырьков, но нужно еще
учесть, что жидкая фаза содержит суспендированные микроорганизмы,
оказывающие влияние на ее вязкость. Эта последняя зависит от размера
микроорганизма, его морфологии и концентрации, а также от способности
синтезировать внеклеточные полимерные продукты.
Одна из основных задач аэрации содержимого биореактора- это получение
мелких пузырьков газа и тем самым максимальное увеличение площади
поверхности, через которую происходит перенос газа в среду. Во многом
благодаря свойст-
29-1344
450
Глава 10
вам культуральной среды образующиеся в ней пузырьки имеют сферическую
форму и относительно слабо деформируются. Фактически они представляют
собой упругие сферы, гидродинамические свойства которых сходны со
свойствами твердых сферических частиц. Хотя плотность и теплопроводность
твердых частиц, с одной стороны, и пузырьков - с другой, явно различны,,
поведение пузырьков в некоторых аспектах сходно с поведением частиц в
псевдоожиженном слое, хотя в последнем случае содержание диспергированных
частиц обычно выше.
Плотность клеток микроорганизмов очень близка к плотности водной среды, в
которой они растут, и при анализе теплопередачи в дисперсионных культурах
бактерий и дрожжей, обычно имеющих диаметр эквивалентной сферы меньше 10
мкм, культуральную среду можно рассматривать как однородную водную фазу.
В аэрируемых биореакторах перенос тепла от культуральной среды к
охлаждающим поверхностям осуществляется путем принудительной конвекции.
Чтобы судить о потенциальной эффективности охлаждения, необходимо оценить
соответствие характеристик водно-газовых смесей, образующихся при
оптимальном транспорте кислорода, факторам, способствующим увеличению
теплопередачи от этой смеси к поверхности.
Благодаря хорошим характеристикам теплопередачи реакторы с
псевдоожиженным слоем применяются для проведения реакций, которые требуют
тщательного контроля температуры* Из-за ожижения частиц увеличивается
коэффициент теплопередачи между образуемым ими слоем и теплопередающими
поверхностями. Это увеличение определяется в основном тремя факторами: 1)
высокой теплоемкостью на единицу объема частиц, благодаря чему они
выполняют функцию теплопереносящих агентов; 2) разрушением частицами
ламинарного слоя на теплопередающей поверхности и вследствие этого
уменьшением эффективной толщины этого слоя; 3) нестационарностью процесса
теплопередачи, обусловленной тем, что частицы движутся к теплопередающей
поверхности и от нее в виде "пакетов".
Проанализируем значимость этих факторов в применении к процессу
диспергирования газа в жидкости. Если главную роль играет первый фактор,
то коэффициент теплопередачи между пузырьками и теплопбредающей
поверхностью будет существенно меньше из-за низкой теплоемкости
пузырьков. Если основным является второй фактор, то коэффициент
теплопередачи будет больше, а если третий, то может наблюдаться
повышенная коалесценция и образование сгустков. В псевдо-ожиженных
системах задержка твердых частиц нередко достигает 0,4, тогда как в
реакторах с обычным потреблением энер-
Химическая технология и биотехнология
451
сии задержка газа вряд ли превышает 0,12. При задержке выше 0,2
начинается образование газовых "пробок".
В барботажных колоннах пробулькивание газа через жидкость приводит к двум
типам перемещений: 1) циркуляции
всего содержимого, вызываемой всей массой пузырьков; 2) локальным
микроперемещениям, вызываемым отдельными пузырьками. Экспериментальные
данные для суммарного коэффициента теплопередачи в условиях охлаждения
жидкости, в которой диспергированы пузырьки газа, за счет теплопередачи к
стенке колонны описываются уравнением
h = BkJ no," (rUnJ-o.", (97)
\ Ч2Ж /
а за счет теплопередачи к охлаждающему змеевику - уравне-яием
Й = В' Ц 33 Npr°'33 Мж)-°'14 (4/dT)0'33. (98)
где h - суммарный коэффициент теплопередачи, В и В' - константы для
системы, &ж - теплопроводность жидкости, g - гравитационная постоянная, е
- задержка газа, рж - плотность жидкости, т]ж - вязкость жидкости, Npr -
число Прандтля, frjw - вязкость жидкости при температуре теплопередающей
