Введение к работе
Актуальность
Биотехнология относится к приоритетным направлениям науки и техники. В ней видят одно из средств преодоления продовольственных, энергетических, сырьевых и экологических .проблем. Основным процессом био-гехнологического производства является процесс ферментации. Он определяет экономику производства в целом. В работе рассматриваются аэробные процессы ферментации. Они относятся к гетерогенным биохимическим процессам, в которых потребность в одном из компонентов биосинтеза -кислороде покрывается за счет его массопередачи из газовой фазы. В некоторых процессах ферментации используются газообразные субстраты, з результате чего эти процессы протекают при одновременной абсорбции двух газоз. Ввиду низкой растворимости используемых газов и высокой скорости их потребления протекание процессов аэробной ферментации связано со значительными затратами энергии. Кроме того, применяемые ферментационные аппараты, в особенности большого масштаба, характеризуются значительной неоднородностью протекания процесса в рабочем объеме, что приводит к повышению удельных капитальных и энергетических єатрат. В структуре себестоимости многих биотехнологических продуктов эти затраты занимают значительный удельный вес. В связи с этим, исследования, направленные на интенсификацию массопередачи кислорода, снижение удельных энергетических и капитальных затрат, более эффективное использование энергии и рабочего обьема ферментационных аппаратов, имеют аістуальное значение.
В последние годы интенсификации процессов ферментации и массопередачи кислорода в них уделяется значительное внимание. Шряду с такими традиционными способами интенсификации массопередачи, как повышение давления, увеличение содержания кислорода в исходном газе, интенсивное перемешивание среды и т. д. , появились новые, такие, как,например, применение переносчиков кислорода. Шире используется метод математического моделирования. Однако решение задачи снижения удельных энергетических затрат сдерживается отсутствием теоретических обобщений, учитывающих, с одной стороны, сложность процесса и особенности массопередачи в нем,
а с другой стороны,характер подвода энергии и газа к рабочему объему.
В частности, недостаточно решены некоторые теоретические вопросы массопередачи в процессах ферментации: 1) не проанализировано влияние кинетики ферментации на скорость массопередачи кислорода, 2) отсутствуют рекомендации по выбору ПАВ, интенсифицирующих массопередачу кислорода в процессе ферментации, 3) не изучено влияние структурі энергии среды на массопередачу газовых компонентов, 4) отсутствуют рекомендации по схемам газового питания аппарата, 5) нет анализа особенностей массопередачи при использовании двух газов, 6) не достаточно разработана методика учета неоднородностей процесса . і рабочем объеме аппарата, 7) не изучены особенности переходного процесса при воздействиях по каналу массопередачи.
Целью работы явилось теоретическое обобщение и развитие научит основ методов интенсификации массопередачи в процессе ферментации, эффективного использования потребляемой энергии и рабочего обьема ферме* тационных аппаратов. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи исследования:
-
Анализ влияния ферментации на кинетику массопередачи кислорода
-
Исследование массопередачи кислорода в культуральную среду в отсутствие и присутствии поверхностно-активных веществ ПАК
-
Анализ структуры энергозатрат на массопередачу кислорода и перемешивание среды в аппаратах с циркуляцией потоков.
-
Оптимизация схем газообеспечения ферментационного аппарата при использовании как одного, так и двух газовых потоков.
-
Разработка методов расчета ферментационных аппаратов с учетом неоднородностей протекания процесса в их рабочих объемах.
-
Исследование устойчивости стационарных режимов и переходных процессов при воздействиях по каналу массопередачи.
Поставленные задачи и методы их решения актуальны не только для процессов аэробной ферментации, но и таких процессов, как абсорбция и хемосорбция, имеющих сходства по вопросам массопередачи.
Исследования, проведенные в работе, соответствуют 1) целевой комплексной программе МинВУЗа РОДСР "Интеграция биологических систем" на период І978-1990Г. г., 2) общесоюзной программе АН СССР на 1978-1990 г. г. "микробиологический синтез и научная основа микробиологического получения практически ценных продуктов" (Постановление Президиума АН СССР N262-1200 от 24.01.79 г.), 3) целевой комплексной прогр-
імме ГКНТ 041.01.07(Постановление N9/10 от 27.01.81г.) " Разработка и інедрение автоматизированных технологических процессов и оборудования ювышенной единичной мощности для производства на основе микробиологи-іеского синтеза кормовых белковых веществ,а также аминокислот и других іродуктов для кормовых и медицинских целей", 4) комплексной программе гаучно-технического прогресса СЭВ - пятое приоритетное направление КП ТГП СЭВ 5 "Ускоренное развитие биотехнологии" по проблеме "Разработка (ерментационного оборудования".
Заучная новизна работы
В результате выполненной работы решены следующие задачи.
-
Проведен анализ влияния кинетики ферментации на скорость абсорбции кислорода, получена формула расчета коэффициента ускорения массопередачи.
-
Разработана гипотеза механизма влияния ПАВ на ыассопередачу кислорода, разработано математическое описание процесса.
-
Установлены условия, при которых ПАВ интенсифицируют массоперед-ачу кислорода. Получена формула " учета влияния ПАВ на массопередачу кислорода
-
Рассмотрено влияние неравномерности скорости диссипации энергии в объеме аппарата на массопередачу . Получена формула учета этого явления.
-
На примере барботажно-эрлифтного аппарата исследована связь циркуляции среды и .массопередачи кислорода. -Предложена формула учета распределения подводимой мощности между затратами на циркуляцию и турбулизацию среды на скорость массопередачи кислорода.
6. Получено условие оптимального распределения газового питания.
V. Проведен анализ двухгазовой хемо- или биосорбции. Получено усло
вие оптимального газового питания для этих процессов.
-
Проведен анализ неоднородности протекания процесса ферментации в рабочем объеме. Выделены типовые модули структуры газожидкостной системы, составлено их математическое описание.
-
Разработано математическое описание ферментационного аппарата с учетом пространственной неоднородности протекания процесса
10. Исследована динамика процесса аэробной ферментации при
воздействиях по каналу массопередачи. Получено условие устойчивости
технологического режима.
Практическая ценность работы
-
Сформулированы требования к ПАВ, интенсифицирующим массопередачи кислорода в процессе ферментации.
-
Предложены формулы расчета коэффициента ускорения массопередачи кислорода в присутствии ПАЕ
-
Установлены режимы, при которых проявляется интенсифицирующе влияние ПАЕ Их внедрение в производстве лизина на Ливанскоь биохимическом заводе позволило получить экономический эффект 641 тыс. руб в год f85Y.J.
-
Разработан способ интенсификации массопередачи в барботажно-эрлифтных ферментационных аппаратах, предложены расчетные формулы.
-
Разработана схема распределения газового питания струйно-аукционного- ферментационного аппарата, внедренная на Светлоярском биохимзаводе.
-
Разработаны циклический способ массопередачи и конструкции ферментационных аппаратов при использовании двух реагирующих газов.
-
Разработаны схемы распределения газового питания хемосорбционных аппаратов очистки сернисто-щелочных стоков и кислых газов от сернистых соединений. Годовой эффект составил 141 тыс. рублей (/sSi'r).
-
Разработаны моделирующие системы ферментационных аппаратов барботажно-эрлифтного,струйного и с перемешивающими устройствами типов,
щ ' 9. По результатам моделирования разработаны технические предложения по совершенствованию конструкций и газообеспечения рассмотренных аппаратов.
Апробация работы
Результаты работы обсуждались на итоговых конференциях КХТИ им. С. М. Кирова (1974-1991гг.), научных семинарах кафедры кибернетики .химико-технологических процессов МХТИ им. Д. И. Менделеева (1987.1990гг.), Всесоюзных конференциях по оборудованию микробиологических производств (г. Грозный, 1986 г., г. Иркутск, 1988 г., г. Грозный, 1989 г.), Всесоюзных конференциях по математическим методам в химии (г. Грозный, 1985 г. ,г. Казань, 1991 г.),Всесоюзных конференциях,по мето-
- б -
ам кибернетики в химии и химической технологии (г. Баку, 1987г., г. Казань, 989 г.), Всесоюзной конференции " Химтехника-4" (г.Чимкент, 1988 г.), сесоюзной конференции по очистке сернистых соединений (г.Казань, 989г.),на рабочих совещаниях и конференциях института ВНИИСинтезбелок г. Москва, 1986-1989 гг.), Всесоюзной конференции по молекулярной сорб-№ биологически активных веществ (г. Пенза, 1990 г).
Іубликации
По теме диссертации опубликовано 50 научных работ и получено 4 авторских свидетельства.
Эбьем работы
Диссертационная работа изложена на 257 страницах машинописного текста, иллюстрирована 62 рисунками, 9 таблицами. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения.