Работа 2. Определение интенсивности аэрации сульфитным методом

Развитие популяции микроорганизмов в аэробном ферментаторе не­возможно без массообмена между всеми тремя фазами, из которых состоит реакционная среда: твердой (микро­организмы), жидкой (питательная среда) и газообраз­ной (аэрирующий воздух). Подвод питательных веществ и кислорода к клетке и отвод от нее продуктов метабо­лизма осуществляются в ходе массообмена между этими тремя фазами. Причем подвод кислорода из-за его ма­лой растворимости и отвод некоторых растворимых га­зообразных метаболитов, например, диоксида углерода, приходится обеспечивать путем не­прерывного барботажа воздухом. Для интенсификации массообменных процессов, как правило, организуется перемешивание реакционной среды, которое нередко сопровождается интенсивным пенообразованием.

Объемный коэффициент массопередачи К_об (К_La) является важнейшей характеристикой культиватора. Величина К_об прежде всего зависит от мощности электродвигате­ля, типа и частоты вращения мешалки, геометрических форм внутренних конструктивных элементов аппарата. Эти параметры можно изменять как при проектирова­нии, так и в ходе процесса. Однако величина К_об зависит и от физико-химических свойств культуральной жидкости — вязкости, поверхностного натяжения и др. Изме­нение этих свойств влияет на К_об вследствие изменения поверхностного коэффициента массоотдачи и площади поверхности абсорбции. Известно, например, что добав­ление к воде 0,1 % уксусной кислоты приводит к умень­шению диаметра барботирующих пузырьков воздуха от 2 до 0,1 мм. Некоторые вещества (спирты, соли) действуют в еще более малых концентрациях.

Физико-химические свойства культуральных жидко­стей в течение цикла культивирования не остаются по­стоянными. Это связано с тем, что происходит выделе­ние продуктов метаболизма, изменяются количество и состав взвешенной твердой фазы, добавляются пеногасители. Известны факты снижения или увеличения К_об в 2—3 раза при культивировании.

Имеющиеся зависимости для расчета К_об являются эмпирическими и содержат различные коэффициенты, определяемые экспериментально.

Методы определения К_об делятся на прямые и косвен­ные. Прямое определение коэффициента массообмена в реальных условиях культивирования на культуральной жидкости, содержащей суспендированные микроорга­низмы, является лучшим способом оценки культиватора. При необходимости сравнения массообменных возможностей аппаратов различных объемов и конструк­ций безотносительно какой-либо конкретной питатель­ной среды и вида микроорганизма удобнее пользоваться косвенными методами, основанными на применении мо­дельных сред.

Одним из методов оценки растворения (абсорбции) кислорода является сульфитный метод, с помощью которого определяется не сам объемный коэффициент абсорбции кислорода, а так называемое сульфитное число Q_s=К_об×С_р, где С_р — равновесная концентрация кислорода в жидкости, находящейся в равновесии с газовой фазой.

Сульфитный метод. В основе этого метода ле­жит реакция окисления сульфита натрия в присутствии катализатора — ионов меди или кобальта:

Избыток остающегося сульфита определяется обрат­ным йодометрическим титрованием или колориметричес­ким путем. Концентрации сульфита применяются от 0,2 н. до 1 н. Скорость химической реакции окисления сульфита значительно выше скорости абсорбции, поэтому общая скорость про­цесса определяется скоростью абсорбции. Определяемый этим методом сульфитный коэффициент (сульфитное число) Q_s характеризует скорость абсорбции кислорода в данном аппарате. Обычно (колеблется от 0,5 до 5 и редко достигает 10 ммоль О₂/(л-мин). Q_s 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.

Поскольку реакция между растворенным кислородом и сульфитом протекает очень быстро и концентрация растворенного кислорода равна нулю, то: Q_s=К_об×С_р

Обычно величина К_об, 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 К_об. Все это существенно ограничивает возможности применения сульфитного метода для оценки массообменных характеристик куль­тиваторов.