Материал: Тишин ВБ Новоселов АГ Процессы переноса в технолог аппаратах

Для наглядности изменение тепловыделения во времени показано на рис. 3.3.

Таким образом, в процессе культивирования скорость тепловыделения возрастает, что связано с увеличением количества биомассы в культиваторе. При культивировании микроорганизмов необходимо обеспечить автоматическое регулирование подачи хладоносителя в теплообменник в целях поддержания требуемой температуры в культиваторе. При управлении технологическим процессом с помощью компьютера понадобится система уравнений (3.29)–(3.39).

При определении разности температур по уравнению (3.25) требуется знать количество теплоты, выделившейся при образовании одной клетки. Для этого необходимо определить количество клеток в 1 кг биомассы. Масса одной клетки

106

сы выделяется 4,17 106 Дж/кг теплоты, количество теплоты, выде-

умножить на скорость прироста биомассы. Так как 1/γ = tu = 3,5 ч – время удвоения одной клетки, то из уравнения (3.30) следует

qk qmk γ 10,2850,805 10 6 /3600 0,229 10 11, Вт/м3.

Теперь можно оценить разность температур в клетке и на еѐ поверхности. Рассмотрим первый вариант, когда разность температур максимальна. Из уравнения (3.25) определим разность температур Тk. Так как Rf =· 7 10 6 , то Tk ≈ 10 23, т. е. температура внутри клетки и на еѐ поверхности, по сути, одинакова. Надо помнить, что все предыдущие выводы сделаны без учета взаимодействия поверхности клетки с окружающей средой.

К ответу на вопрос, насколько температура поверхности клетки отличается от температуры культуральной жидкости, необходимо привлечь уравнение (3.4), в которое входит коэффициент теплоотдачи , зависящий от гидродинамических условий в культиваторе. Поскольку мы изучаем в основном аэробное культивирование дрожжей в условиях интенсивной турбулизации среды, то, прежде чем решать задачи по переносу теплоты и массы в таких условиях, необходимо изучить закономерности переноса количества движения в турбулентных потоках. С этими проблемами мы познакомимся в следующих разделах.

3.3.Уравнение переноса массы

3.3.1.Предварительные сведения о процессах переноса массы

Уравнения переноса массы аналогичны уравнениям переноса

теплоты. Количество переносимой в единицу времени массы извле-

107

каемого из газовой смеси компонента описывается уравнением, аналогичным уравнению (3.2):

где Km − поверхностный коэффициент массопередачи, который вычисляется, подобно коэффициенту теплопередачи, по уравнению

здесь г , s и ж – коэффициенты массообмена (массоотдачи) в газовой фазе, на межфазной поверхности и в жидкой фазе; mp – константа фазового равновесия; Fгж – поверхность контакта фаз в сис-

теме газ–жидкость; C − разность концентраций кислорода на поверхности пузыря и в жидкости.

Для труднорастворимых газов, таких как кислород, диоксид углерода и т. п., произведение mp г значительно превосходит значе-

ния s и ж , поэтому сопротивлением переносу массы в газовой фазе

можно пренебречь.

Что касается сопротивления межфазной поверхности, то, согласно имеющимся литературным данным [24], для чистых жидкостей величиной отношения 1/ s можно пренебречь, так как экспери-

ментальные исследования не обнаружили наличие поверхностного сопротивления. Однако наличие ПАВ может повысить межфазное сопротивление. К культуральным средам это имеет самое прямое отношение, так как имеющиеся в них органические кислоты, белковые вещества, химические пеногасители и другие компоненты являются в большинстве случаев поверхностно-активными веществами. К сожалению, экспериментальных данных о влиянии тех или иных ПАВ на скорость растворения кислорода в культуральных средах в литературе обнаружено не было. Скорее всего это связано со сложностью проведения таких исследований. Поэтому в ходе экспериментальных исследований массообмена при растворении кислорода в культуральных средах находят коэффициенты массообмена в жидкой фазе в совокупности с поверхностным сопротивлением, а значение Km при-

108

по уравнению (3.45). В первом случае необходимо иметь уравнение для определения ж и a , во втором – только V . Второй путь не-

сколько проще, но он не дает возможности проанализировать отдельно влияние на скорость растворения газа каждого из сомножителей.

Движущая сила абсорбции газа рассчитывается по уравнению

чения равновесных концентраций растворенного в жидкой фазе ки-

слорода при входе в аппарат и на выходе из него.

Рассмотрим конкретный пример аэробного культивирования микроорганизмов в аппарате барботажного типа (рис. 3.4, а), который наиболее широко применяется на большинстве отечественных дрожжевых заводов.

109

а– схема культиватора с выносным теплообменником;

б– схема распределения концентраций кислорода в объѐме жидкости

Аппарат состоит из корпуса 1 с находящимся внутри него барбатѐром 2, в который подается воздух по воздуховоду 3. Биологическое тепло, выделившееся при размножении клеток, отводится либо через рубашку, либо в выносном теплообменнике 4 (как это показано на рис. 3.4, а). Циркуляция жидкости через теплообменник осуществляется насосом 5.

Средняя концентрация кислорода в жидкости СО 2 в аппарате

идеального перемешивания постоянна по всему объѐму. В аппаратах идеального вытеснения она будет меняться от СнО 2 до СкО 2 . Если

равновесная концентрация тоже постоянна по всему объѐму жидкости, то движущая сила процесса абсорбции будет равна простой раз-

ности С С СO2 .

Величина равновесной концентрации кислорода в жидкой вазе может быть рассчитана по уравнению [24]

110