Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
мицелия (1/&с). Все типы сопротивления переносу кислорода представлены на
рис. 10.11. В слу-
Химическая технология и биотехнология
443
¦чае дисперсионных культур перенос кислорода лимитируется •сопротивлением
в жидкой пленке пузырька (1/&ь). Когда же микроорганизмы растут в виде
хлопьев, осадков или мицели-альной массы, в некоторых случаях роль
лимитирующего фактора играет не сопротивление в жидкой пленке газового
пузырь-жа, а внутри-/межклеточное сопротивление или сопротивление
конгломерата.
В связи с очевидностью роли переноса кислорода из пузырьков газа в
жидкость попытаемся с помощью уравнения (83) •оценить возможности
увеличения скорости транспорта кислорода. В принципе можно варьировать
все три члена этого уравнения: Кь, а и (с*оа-Соа) (последний член
характеризует движущую силу процесса). Однако Кь является характеристикой
•системы в целом и не может изменяться независимо, поэтому •обычно ее
считают константой, хотя под действием поверхностно-активных веществ,
присутствующих в микробиологических установках, она все-таки изменяется.
Удельную площадь поверхности раздела фаз газ - жидкость и член,
характеризующий движущую силу, легко увеличить, изменяя контролируемым
образом условия проведения процесса. Обычно первая из этих величин
возрастает при интенсификации перемешивания, а вторая - при увеличении
суммарного или парциального давления.
Удельная площадь поверхности раздела фаз газ - жидкость определяется
следующим образом:
" = (87>
тде е - задержка газа на единицу диспергируемого объема, В - средний
диаметр пузырьков (в случае пузырьков неодинакового размера). Обычно для
определения среднего диаметра пузырька используют формулу Саутера:
?>=-! , (88)
П
2 пПг 1
где п - число пузырьков, D - диаметр эквивалентной сферы. Ясно, что для
интенсификации транспорта кислорода путем увеличения а необходимо либо
повысить содержание газа в диспергируемой среде (т. е. е), либо уменьшить
средний диаметр пузырьков. /
Диспергирование пузырьков газов в жидкостях - сложный процесс, Независимо
от способа получения пузырьков для них
444
Глава 10
всегда наблюдается некое распределение по размерам. Размер любого
диспергированного пузырька определяется равновесием между двумя основными
типами напряжений: напряжением сдвига и поверхностным натяжением. На
размер пузырьков заметно влияет присутствие в среде растворенных
неорганических; и органических веществ, при этом изменяется либо
коалесцен-ция, либо поверхностное натяжение.
В биореакторах коалесценция и поверхностное натяжение не могут изменяться
независимо друг от друга и произвольным образом, однако несомненно они
изменяются в ходе процесса или в результате добавления соединений,
контролирующих пе-нообразование. Теоретически уменьшение среднего размера
пузырьков при диспергировании газов в жидкостях может происходить при
интенсификации перемешивания. Однако на самом1 деле при обычных удельных
мощностях перемешивания средний размер пузырьков остается примерно
постоянным, зато заметно увеличивается содержание газа, т. е. другой
компонент величины а; это связано с рециркуляцией жидкости, благодаря
которой в свою очередь снижается потеря пузырьков газа. Механизм
разрушения пузырьков в изотопическом турбулентном потоке мы обсуждать не
будем. Отметим лишь, что в результате рассмотрения этих механизмов для
случая отсутствия коалесценции было получено уравнение, удовлетворяющее
множеству имеющихся экспериментальных данных для систем с очень высокой
энергоемкостью:
D = J
•тО.в
(P/V)M
(89)
где / - константа, о - поверхностное натяжение, р - плотность жидкости,
P/V - энергоемкость на единицу объема в условиях насыщения газом. При
наличии коалесценции уравнение (89) принимает вид
D
= Л ^ 1еа. (90)
[ p",2(P/V)V J V '
Здесь показатель степени а, в который возводится величина характеризует
степень коалесценции.
Итак, очевидно, что задержка газа и средний размер пузырьков прямо
связаны между собой; при этом задержка газа зависит от интенсивности
перемешивания и от объемной скорости потока газа. Соответствующее
эмпирическое уравнение для жидкости с постоянными реологическими
характеристиками
имеет вид
e = J'(P/l/)P(yn)v, (91)
где /', р и | - константы, зависящие от системы и оборудова-
Химическая технология и биотехнология
445
ния, a Vn - поверхностная скорость газа, т. е. отношение объемной
скорости газового потока к площади поперечного сечения биореактора. В
биореакторах с вращающимися мешалками и высокой энергоемкостью происходит
рециркуляция значительной части газовой фазы и соответственно уменьшается
влияние поверхностной скорости газа на величину е. В то же время в
барботажных биореакторах относительная роль Vn сильно возрастает.
Оценивая транспорт кислорода из газовой фазы в жидкость в
микробиологических реакторах, Эндрью (Andrew, 1982) высказал мнение, что
при конструировании любых промышленных аэробных биореакторов, в том числе
больших тэнков с мешалками, их можно рассматривать как аппараты колонного
