Способ определения эффективности массообменных аппаратов

Изобретение относится к способам определения эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием и может найти применение в микробиологической, фармацевтической и смежных отраслях промышленности.

Определение эффективности массообменного оборудования с механическим перемешиванием позволяет осуществлять предварительный выбор биореактора с его гидродинамическими и массообменными характеристиками для реализации аэробного процесса биосинтеза биологически активных веществ, а также провести оптимизацию на основе математических моделей и алгоритмов оптимального управления.

Определить эффективность массообменных аппаратов можно при проведении технологического процесса культивирования клеток какого-либо микроорганизма. Зная количество подаваемого кислорода воздуха и состав отходящей газовой фазы, концентрацию растворенного кислорода в культуральной среде, количество элементов питательной и минеральной среды, количество получаемой биомассы, то при составлении материального баланса по газовой фазе можно вычислить объемный коэффициент массопередачи K_La.

Недостатком данного способа является то, что если культура микроорганизмов находится не в экспоненциальной фазе роста, то значения коэффициента массопередачи будут неверными, кроме того этот способ требует большого количества приборов КИП и А.

Наиболее известный способ определения эффективности массообменных аппаратов это модельный процесс абсорбции кислорода раствором сульфита натрия, который традиционно используется для сравнительных оценок массообменных характеристик биореакторов /1-4/ с помощью которого определяется не сам объемный коэффициент абсорбции кислорода K_La, а так называемое сульфитное число - М:

М=K_La×Ср,

где Ср - равновесная концентрация кислорода в жидкости, находящейся в равновесии с газовой фазой.

В основе сульфитного метода лежит реакция окисления сульфита натрия в присутствии катализатора - ионов меди или кобальта в сульфат натрия.

Избыток остающегося сульфита определяется обратным йодометрическим титрованием или колориметрическим путем. Концентрации сульфита применяются от 0,2 н. до 1 н.

Недостатком указанного способа является то, что:

- скорость химической реакции окисления сульфита значительно выше скорости абсорбции, поэтому общая скорость процесса определяется скоростью абсорбции. Определяемый этим методом сульфитный коэффициент (сульфитное число) М характеризует скорость абсорбции кислорода в данном аппарате. М определяется физико-химическими свойствами раствора сульфита и гидродинамическими параметрами системы, поэтому данный коэффициент может быть использован лишь для относительного сравнения массообменных возможностей аппаратов. При переходе к аэрации культуральной жидкости скорость абсорбции кислорода может быть совсем иной,

- обычно величина K_La, определенная сульфитным методом, выше найденной прямыми методами. Кроме того, механизм реакции окисления сульфита изучен недостаточно. Известно лишь то, что эта реакция очень чувствительна к катализу и ингибированию. Даже весьма незначительные отличия в качестве сульфита или наличие следов поверхностно-активных веществ могут существенно изменить значение М. Все это существенно ограничивает возможности применения сульфитного метода для оценки массообменных характеристик ферментационного оборудования,

- процесс биосорбции (потребление кислорода клеткой) и хемосорбции очень сильно разнятся,

- применение этого метода для крупнотоннажного оборудования потребует много сульфита натрия и как следствие больших финансовых затрат. В связи с этим этот метод применим для лабораторных и пилотных аппаратов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (прототипом) является определение объемного коэффициента массопередачи по эмпирическим уравнениям /5/, которые представлены в виде:

K_La=А*N_vⁿ*ϕ^m; /1/

где: N_v - удельная мощность, Вт/кг; ϕ - газосодержание, %; A, n, m - коэффициенты, свойственные для данного вида аппарата.

Недостатком указанного способа является большая недостоверность определения удельно - вводимой мощности и как следствие - объемного коэффициента массопередачи. Объясняется тот факт следующим. Для привода перемешивающего устройства, например, мешалки используют асинхронные двигатели, которые для осуществления плавности регулировки скорости оборотов в широком диапазоне оснащают преобразователем частоты. КПД двигателя зависит от нагрузки и может колебаться от 75 до 96% и потому для различных скоростей оборотов мешалки непосредственное измерение потребляемой мощности будет не корректным. Что касается газосодержания, то оно легко определяется как соотношение объема газовой фазы к объему газожидкостной смеси.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является высокая достоверность определения объемного коэффициента массопередачи в широком диапазоне скорости оборотов мешалки простота и быстрота определения.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является повышение точности и уменьшение времени определения объемного коэффициента массопередачи.

Согласно современным научным представлениям, энергия - это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. В случае механического перемешивания жидкости в ферментере происходит ее нагрев, т.е. происходит переход механической формы энергии за счет вращения привода мешалки электродвигателем в тепловую энергию. На этом принципе и основано данное изобретение при расчете удельной мощности для определения эффективности массообменных аппаратов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе определения эффективности массообменных аппаратов удельная мощность пошедшая на перемешивание среды в аппарате определяется по формуле:

N_v=C*(t₁-t₂)/Δτ, /2/

где: С - удельная теплоемкость жидкости, Вт ч / кг °C; t₁-t₂ - разница температуры жидкости за время определения, °C; Δτ - время определения, час.,

а определение объемного коэффициента массопередачи по эмпирическому уравнению /1/.

Способ осуществляется следующим образом.

В аппарат наливают рабочее количество воды при температуре равной окружающей температуре воздуха. Устанавливают нужный режим оборотов мешалки и подачи воздуха, включают секундомер. Аппарат на время проведения исследования лучше временно теплоизолировать подручными материалами. Через некоторое время (5-10 минут) зафиксировать на сколько градусов нагрелась вода в аппарате. По формуле /2/ вычислить удельную мощность. Для определения газосодержания в аппарате можно воспользоваться обычной линейкой. Делается два измерения: одно это уровень жидкости без аэрации и перемешивания (h₁) другое измерение это верхний уровень жидкости при рабочем режиме (h₂). Газосодержание определяется из соотношения:

ϕ=h₂-h₁/h₂, % /3/

далее по формуле /1/ вычислить объемный коэффициент массопередачи для данного типа ферментера.

Простота этого способа заключается в элементарных средствах измерения - это секундомер и линейка, термопара или градусник которые обычно штатно входят в комплект ферментера. Количеством тепла пошедшего на нагревание самого аппарата можно пренебречь, поскольку вес аппарата обычно в 2-3 раза меньше веса рабочей жидкости в аппарате, а теплоемкость металла из которого изготовлен аппарат почти на порядок меньше теплоемкости воды.

Примеры осуществления способа.

Далее в таблице представлены результаты определения объемного коэффициента массопередачи ферментера с двухярусной мешалкой рабочим объемом 10 литров и удельной подачей воздуха 100 л на 1 литр рабочего объема в час.