Биологические науки / 11.Биоинженерия и биоинформатика

Костромина М.В.

Поволжский государственный технологический университет, Россия

Моделирование температурного режима биореаторных систем

Биореакторный системы (биореакторы, ферментеры) составляют основу любого биотехнологического производства. Они предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта. Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия.

Процесс распространения теплоты в рабочей среде биореактора осуществляется одновременным действием теплопроводности, свободной конвекции и ее движения, вызванного выделением биогаза. теплота в рабочей среде в основном распространяется теплопроводностью. В результате преобладания данного способа распространения теплоты над остальными в рабочей среде возникает температурная неоднородность, которая может достигать до 10 °С. В свою очередь большинство бактерий являются очень чувствительными организмами к изменению температуры, что даже температурная неравномерность на 2-4°С, особенно в сторону снижения температуры, приводит к торможению стадии биотехнологического процесса [1].

Основной способ для понижения термического сопротивления субстрата, является перемешивание, которое предполагает принудительно приводить жидкую среду в движение. В результате нагретые порции сбраживаемого субстрата отводятся от поверхности нагрева, а новые объемы подвергаются нагреванию. Наиболее перспективным методов полного перемешивания содержимого реактора, является хорошо известный способ диффузии газа (барботаж).

Эффективность работы перемешивающих устройств определяется скоростью установления термодинамического равновесия и качеством равномерного распределения градиента температуры по всему объему биореактора, поскольку гидродинамический характер движения обрабатываемого биотехнологического субстрата, в силу особенностей биологического развития бактерий, имеет свои свойства.

В условиях организации температурных воздействий рабочей среды в качестве критерия эффективности перемешивания предложена степень температурной однородности T/T_опт [2], что справедливо и для барботажного перемешивания. Степень температурной однородности характеризует интенсивность теплообмена в рабочей среде, поэтому:

. (1)

Для биореакторов с перемешивающим устройством коэффициент теплоотдачи зависит от размеров биореактора и параметров перемешивающего устройства. Характерным размером биореактора является его диаметр D. Барботажные перемешивающие устройства определяются диаметром отверстий d, количество отверстий n (при условии их равномерного распределения). Также теплоотдача зависит от скорости движения рабочей среды – объемным расходом газа в отверстии Q, от физико-механических свойств сбраживаемого субстрата: вязкости μ, плотности ρ, теплоемкости с, теплопроводности λ, а так же от отношения вязкостей среды на поверхности теплоотдачи μ_с и в центре биореактора μ - μ_с/ μ. , что учитывает влияние направления теплового потока на коэффициент теплоотдачи.

Учитывая все вышеприведенные факторы:

. (2)

Основываясь методом анализа размерностей теории подобия [3] зависимость (2) преобразуется в критериальное уравнение:

. (3)

где Nu, Re, Pr - критерии подобия Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля;

А, В, С, Е – показатели степени определяемые экспериментально.

Определяющей величиной в уравнении (3) является критерий Нуссельта, поскольку он содержит искомый коэффициента теплоотдачи. В представленном виде данное уравнение является критериальным, описывающем процесс теплоотдачи рабочего в условиях вынужденного движения. При экспериментальном определении степенных коэффициентов уравнение предназначено для вычисления теплоотдачи рабочей среды в биореакторе для условий вынужденного движения в процессе барботажа.

Литература

1. Биотехнология. Принципы и применение / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Д. Джонса. М., Мир, 1988 г. 479 с.

2. Марченко В.И. Обоснование параметров и режимов интенсификации процесса анаэробного сбраживания помета / В.И. Марченко // – Автореф. дисс…канд.тех.наук: 05.20.01 – Ставрополь: СГСХА, 1996.- 20 стр.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / -М.:Росхимизда. 1961, -832с.