СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Биореактор — аппарат, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы, а также аэробные (с подачей воздуха или газовых смесей с кислородом), анаэробные (без подачи кислорода) и комбинированные — аэробно-анаэробные. В последнем случае в комбинированном биореакторе проводят культивирование как аэробных, так и анаэробных культур одновременно. Обычно это применяется для получения биогаза, когда тепловыделения в аэробном процессе используют для подогрева анаэробной культуры.

Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию.

Теоретическая часть

Принцип работы биореактора достаточно прост, а его устройство и методики сочетания необходимых условий, наоборот, сложны. До помещения в биореактор исходный рабочий продукт – необходимую биологическую культуру – хранят в специальных условиях, так сказать, в неактивном состоянии – например, замораживают. Для культивации небольшую пробу микроорганизмов наращивают в лабораторных условиях до состояния «рабочей порции»- достаточного для динамичной культивации количества. После данного асептического этапа культуру помещают в биореактор, предварительно его поверхность, воздух в камере и все соединительные отверстия стерилизуют, используя для этого водяной пар и вентиляцию. После очистки начинается этап инокуляции – когда помещенные внутрь биореактора культуры начинают активно размножаться и расти, благодаря тому что для них создают оптимальные условия и питательную среду. Конечным продуктом подобных процессов является необходимое количество биомассы или полезные метаболиты микроорганизмов.

В зависимости от конструктивных решений, объемов и других характеристик биореакторы делят на группы.: так на основе рабочего объема биореакторы делятся на лабораторные (их емкость 0,5-100 л), пилотные (100 л-10м3) и промышленные (10-100 м3). Все биореакторы могут быть разделены по используемому принципу культивирования на закрытые и открытые. В закрытых биореакторах осуществляют периодическое культивирование, иногда его называют накопительным культивированием. Систему называют закрытой в том случае, если после начала культивирования ни один из компонентов, участвующих в процессе, не вводится и не выводится из биореактора. Естественно, что в процессе роста все параметры непрерывно изменяются и после накопления конечного (целевого) продукта, реактор разгружается и осуществляется сбор урожая, и культивирование повторяется. Так как в таких условиях истощение среды может происходить достаточно быстро, то возникла модификация этого типа культивирования, получившая название объемно-доливочной системы.

В открытые системы постоянно и равномерно вводят компоненты питательной среды, которые уже использованы культурой, так что бы их концентрация оставалась постоянной, при этом постоянным сохраняется и объем питательной среды. Регулируя концентрацию субстрата, можно поддерживать концентрацию биомассы на постоянном уровне. Такой тип реактора называют турбодистатом. Обоснование выбора реактора может быть основано на знании механизмов регуляции обмена веществ культивируемых клеток.

По способу подвода энергии биореакторы делят на три группы:

1) барботажные с механическим перемешиванием;

2) эжекционные, с самовсасывающей турбинной мешалкой, с внешним циркуляционным потоком;

3) барботажные, форсуночные, колонные, барботажно-эрлифтные.

По способу подачи воздуха в биореактор их можно разбить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха, в таких биореакторах культивируют анаэробные микроорганизмы; с подводкой стерильного воздуха (их используют для культивирования аэробов).Аэрация жидкости в биореакторах может обеспечиваться механическими мешалками или потоком воздуха. Классификация биореакторов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Классификация биореакторов

Аэробное культивирование применяют в тех случаях, когда в процессе задействованы аэробные микроорганизмы-продуценты. Аэрацию смеси осуществляют подачей воздуха или других газов через газоподводящие трубки, форсунки и т.д.

Анаэробные процессы протекают в герметичных емкостях либо посредством продувания культивируемой среды инертными газами. Конструкция биореактора при анаэробной ферментации проще, чем при аэробной.

Анаэробный биореактор – anaerobic digester, anaerobic reactor – биореактор, предназначенный для оптимизации анаэробной ферментации; широко используется для обработки отходов с высоким содержанием твёрдых веществ, например навоза, городских стоков и др.

Аэробный биореактор – aerobic reactor – биореактор, обеспеченный системой аэрации для культуры аэробных организмов. Более подробная классификация представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Классификация биореакторов

Так, например, разработаны аппараты аэробной поверхностной ферментации, которые широко применяются для производства органических кислот. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в бродильных вентилируемых камерах с размещенными на стеллажах кюветами. В таких же камерах, но с размещенными на стеллажах лотками, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10…15 мм, проводят твердофазную ферментацию. С целью лучшей аэрации среды днище лотков выполнено перфорированным.

C целью интенсификации массо- и энергообмена клеток со средой разработаны аппараты аэробной глубинной ферментации. Но эти аппараты имеют более сложную конструкцию. С точки зрения конструктивных особенностей биореакторы различаются способами подвода энергии и аэрации среды:

1)биореакторы с подводом энергии к газовой фазе;

2)биореакторы с подводом энергии к жидкой фазе;

3)биореакторы с комбинированным подводом энергии.

В биореакторах с подводом энергии к газовой фазе аэрация и перемешивание субстрата происходит сжатым воздухом.

К таким аппаратам относятся:

1)барботажные биореакторы. Подача воздуха в них осуществляется через барботажные устройства, которые расположены в нижней части аппарата;

2)аппараты с диффузором. Смешивание субстрата с воздухом, который поступает по распределительным трубам, в данных биореакторах происходит в нижней части аппарата посредством внутреннего цилиндр-диффузора;

3)трубчатые биореакторы. Под действием потока воздуха жидкость циркулирует по реактору и сепаратору;

4)биореакторы с форсуночным распределением воздуха. Воздух в таких биореакторах подается через форсунки, расположенные в нижней части аппаратов;

5)биореакторы колонного типа выполнены в виде цилиндрической колонны, которая разделена горизонтальными перегородками на несколько секций. В таких устройствах воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, за счет движения жидкости через кольцевую щель обеспечивается противоточное движение двух фаз – газовой и жидкой.

К биореакторам с подводом энергии к жидкой фазе относятся:

1)аппараты с самовсасывающей турбиной состоят из цилиндрического диффузора и мешалки с полыми лопастями и валом. При вращении мешалки создается разрежение, которое приводит к подъему жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;

2)биореактор с турбоэжекторными перемешивающими устройствами. Эти устройства разделены вертикальными перегородками на несколько секций. В каждой секции имеется эжектор и диффузор. Перемещение жидкости из одной секции в другую происходит через окна в перегородках.

Биореакторы с комбинированным подводом энергии представляют собой цилиндрический сосуд, внутри которого расположена механическая мешалка и барботер. В аппаратах этого типа подвод энергии к газовой фазе осуществлен для аэрации, а к жидкой фазе – для перемешивания. Перемешивание в данных биореакторах осуществляется тремя способами.

Аппараты с механическим перемешиванием снабжены механической мешалкой. Аэрация осуществляется путем барботажа. С целью разбрызгивания воздуха рядом с барботером установлен механический вибратор.

Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрацию усиливают с помощью вращающихся дисков с отверстиями или придонных пропеллеров. Такие аппараты могут быть также дополнены диффузором.

В аппаратах с циркуляционным перемешиванием жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Движение субстрату придает насос или другое аналогичное устройство. Биореакторы выполнены в виде цилиндра.

Устройство биореактора

Обычно биореактор изготавливают из высококачественной нержавеющей стали, так что он не подвержен коррозии и не выделяет в среду токсичные соли металлов. Все используемое оборудование, материалы и воздух должны быть стерильными. Оборудование стерилизуют паром под давлением. Пар должен иметь доступ ко всем поверхностям, которые в свою очередь должны быть гладкими и отполированными, насколько это возможно, и не иметь трещин и неровностей, в которых могут скапливаться микроорганизмы. Среду стерилизуют перед инокуляцией, пропуская пар через систему охлаждения. Воздух стерилизуют путем фильтрации (рисунок 3).

Рисунок 3 – Устройство биореактора

Одной из наиболее эффективных современных энерго- и ресурсосберегающих технологий переработки органических отходов является технология их метаногенного сбраживания с получением биогаза.

Технология биореактора имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами компостирования и аэробной обработки:

При аэробной очистке отходов образуется избыточный активный ил, в который переходит до 50% всей энергии исходного органического вещества, тогда как в анаэробных процессах до 90–95% всей энергии субстрата аккумулируется в виде биогаза (метана) с энергетической ценностью (2,2 – 2,7) • 10⁷Дж • м^-3, что делает его энергоносителем, пригодным для использования с получением электроэнергии и тепла.

Таким образом, отходы сельского хозяйства и особенно животноводства способны внести заметный вклад в структуру энергопроизводства на федеральном и региональном уровне. Требует внимания также вопрос рационального использования жидких отходов и сточных вод пищевой и перерабатывающей промышленности.

Исходные данные

Задание: Рассчитать газлифтный биореактор с многозонными разнесенными циркуляционными элементами рабочим объемом 400м3 и скоростью сорбции кислорода 1,5кгО₂/м³.ч.

Расчет аппарата

Расчетные величины
15. Номинальный объем, м3	Vф = Vр / K	1000
16. Диаметр аппарата, м		8,18 принимаю 8,00
17. Высота заполнения аппарата, м	Нж = Dа K¢	7,44 принимаю 8,00
18. Площадь сечения аппарата, м2	F = 0,785 Dа2	50,24 принимаю 51,00
19. Площадь циркуляционной зоны, м2	Fц =F / mF + 1	39,20 принимаю 39,00
20. Площадь барботажной зоны, м2	Fб = F – Fц	12,00
21. Рабочий объем условного модуля, прорабатываемого одним циркуляционным элементом (стаканом), м3	Vр ус	63,00
22. Число циркуляционных элементов	nц = Vр / Vр ус	6,30 принимаю 6,00
23. Площадь барботажной зоны для одного циркуляционного элемента, м2		2,00
21. Диаметр циркуляционного элемента, м		1,50
22. Диаметр газораспределителя, м	Dг =Dц×mг	0,60
23. Диаметр плавающего зонта, м	Dз= Dц× mз	1,95 принимаю 2,00
24. Расстояние от циркуляционного стакана до днища аппарата, м	l1 = 0,3 Dц	0,45
25. Расстояние от газораспределителя до циркуляционного стакана, м	l = 2/3 l1	0,30
26. Расстояние от газораспределителя до днища аппарата, м	l2 = l1 – l	0,15
27. Расстояние от днища аппарата до верхней кромки циркуляционного стакана, м	1,2 Нж £l3 £ Нж/ 1-jвс jвс = 0,6	1,2×8£l3£8/(1-0,6) 9,60£l3£20 l3 принимаю 10,45
28. Длина циркуляционного стакана, м	lц = l3- l1	10,00
29. Давление в нижней части аппарата, Па	Рн = (Ра + 0,1 Нж)× 105	1,80·105
30. Давление в средней части аппарата, Па	105	1,40·105
31. Приведенная скорость воздуха в барботажной зоне, м/с	М = 4,36Wг0,8; откуда:	0,26
32. Общий объемный расход воздуха, м3/ч	Vг = 3600×Wг×Fб	11232
33. Площадь “живого” сечения торцовой части газораспределителя, м2	Wо = 3 м/с	0,17
34. Удельный объемный расход воздуха, м3/м3ч	VV = Vг / Vр	28,08
35. Скорость газожидкостного потока в барботажной зоне, м/с	Uв = 3,15 Wг0,6	1,40
36. Объемная доля кислорода на выходе из аппарата		0,18
37. Коэффициент ипользования кислорода, %		14,29
38. Равновесная концентрация кислорода в нижней части аппарата, кг/м3	Снж = Yн× Рн/mрс	0,016
39. Равновесная концентрация кислорода в верхней части аппарата, кг/м3	Свж = Yк× Рв/mрс	0,008
40. Движущая сила процесса, кг/м3	DС = (Снж + Свж) / 2	0,012
41. Объемный коэффициент массопередачи, ч-1	KLa = M / DC	125
42. Удельная мощность, вносимая газовой фазой, кВт/м3		12,073
43. Расчетная скорость сорбции кислорода, кг О2 /м3 ч	Mр = 4,36 Wг0,8	1,484
44. Удельные затраты на растворение кислорода, кВт / кг		8,049

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были рассчитаны основные параметры  газлифтного биореактора с многозонными разнесенными циркуляционными элементами рабочим объемом 400м3 и скоростью сорбции кислорода 1,5кгО₂/м³ч. В том числе геометрические параметры, мощность электродвигателя, удельные энергозатраты.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник – Л.: Машиностроение, 1981. –382с.

2. ГОСТ 9931-85. Корпусы вертикальных аппаратов