Теоритические сведения

Больший интерес для многотоннажных производств представляют струйныерментаторы. Принципиальная схема такого аппарата показана на рис. 2.6.1. Он состоит из емкости 1, циркуляционного насоса 2, теплообменных элементов 3 и 4 и аэрационного шахтного устройства 6 для пленочно-струйного истечения жидкости. Шахтное устройство является основным элементом аппарата, определяющим условия аэрирования жидкости. Принцип его работы сводится к следующему. Жидкость, увлекаемая насосом 2 из емкости 1, после теплообменника 3 подается в распределительную коробку 5 и, обтекая верхнюю закругленную кромку трубы 7, поступает в нее в виде кольцевого потока достаточно большой толщины. Стекая вниз по трубе 5 с нарастающей скоростью, жидкость увлекает за собой газ. Эффективному захвату газа спсобствуют два фактора: шероховатость поверхности раздела фаз и касательное напряжение на границе раздела газ- жидкость. По мере стекания жидкости она так насыщается газом, что в нижнем сечении трубы 6 образуется газожидкостная смесь. При падении ее с большой скоростью на поверхность жидкости, находящейся в емкости 1, происходит дополнительный захват газа, в верхней части емкости 1 образуется газожидкостная система, размеры пузырьков в которой составляют менее 3 мм.

Производительность насоса 2 подбирается такой, чтобы истинная скорость направленного вниз движения жидкости в емкости 1 была выше скорости всплытия газового пузыря. При этом условии весь объем 1 будет заполнен газожидкостной смесью. В связи с этим к насосу 2 предъявляются особые требования: он должен перекачивать газожидкостную смесь с плотностью р _см=400-:-500 кг / м ³.

Насос имеет трехступенчатый ротор. Первая ступень работает по принципу осевого насоса; ее роль сводится к подаче пены в основную - вторую ступень. Вторая ступень центробежного типа обеспечивает необходимое давление нагнетания и в ней же происходит частичное выделение газа из жидкости. Дополнительная сепарация газа осуществляется в третьей ступени также центробежного типа. В целом в насосе сепарируется до 30% газа, поступающего в него с газожидкостной смесью. Это увеличивает до 75% КПД насоса и одновременно обеспечивает отвод углекислого газа из циркулирующей культуральной среды.

Основным узлом ферментатора, обеспечивающим ввод воздуха в культуральную среду, является аэрирующее шахтное устройство. При оценке количества засасываемого в него воздуха можно исходить из следующих предпосылок.

Жидкость течет по трубе 6 турбулизованным кольцевым потоком с постоянной по всему его сечению скоростью w_ж. Исключение составляет только тонкий пристенный слой, где происходит уменьшение этой скорости до нуля. Засасываемый газ внутри кольцевого потока сильно турбулизован, так что средняя его скорость

w_Г = w_Г.ГР / k₂ = w_Ж / k₂,

где k₂ – коэффициент пропорциональности, определенный по формуле k₂ =1,64/Re _H^0.026; w_Г.ГР - скорость газа на границе раздела фаз.

При этих допущениях расход увлекаемого жидкостью газа будет

q_Г = π d²_Г w_Ж / (4k₂),

где d_Г - диаметр сечения газового потока (см. рис. 17).

Если допустить, что скорость течения жидкости не изменяется существенно по высоте трубы, то можно принять

w_Ж = (2g ∆h)^1/2,

где ∆h – высота слоя жидкости над сливной кромкой трубы.

Высота этого слоя, исходя из условия обтекания жидкостью незатопленного водослива, может быть рассчитана как:

∆h = 0,68[g_Ж / π d_TP)]^2/3,

где g_Ж – расход жидкости; d_TP – диаметр трубы аэратора. Труба аэратора имеет d_TP = 0,7-:-0,8м.

Диаметр сечения газового потока

d_Г =[d²_TP -4q_Ж / π w_Ж)]^1/2

Одним из достоинств рассматриваемого струйного ферментатора является высокая кратность циркуляции жидкости, при которой ее объем проходит через аэраторы и холодильники 1- 1,5 раза в минуту. Этим достигается многократное обновление межфазной поверхности, способствующее интенсификации массообмена, и обеспечиваются хорошие условия теплоотвода. Однако при большой кратности циркуляции возрастает и мощность, потребляемая насосами. Если учесть, что жидкость необходимо поднимать на высоту верхней точки аэратора Н= 15-:-20м, то мощность, потребляемая насосами,

N= q_Ж H p_Ж (1 – ϕ_Г) g

достигает больших значений. Эта мощность примерно в два раза превышает мощность, необходимую для подачи газа в аппарат барботажного типа (см. пример 2.6).

Из конструктивных достоинств ферментатора следует отметить его компоновку из отдельных элементов (чан, насос, холодильник, аэратор, что облегчает обслуживание и ремонт аппарата в целом).