Биореакторы типа барботажных колонн

Под биореакторами типа барботажных колонн мы подразумеваем реакторы с большим отношением высоты к диаметру,которые в отличие от реакторов с перемешиванием, обычно имеющих менее вытянутую форму, по форме напоминают колонны или башни, а перемешивание в них осуществляется исключительно за счет восходящего потока газа, подаваемого в реактор под давлением. Реакторы такого типа уже давно широко распространены в химической промышленности благодаря относительно малым затратам на их изготовление и монтаж, простоте конструкции и невысокому расходу энергии в процессе эксплуатации. В промышленности, связанной с использованием биологических процессов, башенные реакторы довольно редки; в то же время такие биореакторы широко используются в производстве пива и винного уксуса. Кроме того, близкие по конструкции башенные реакторы входят в состав весьма крупномасштабных установок, предназначенных для культивирования микроорганизмов при производстве белка одноклеточных организмов (БОО) в качестве корма для скота.

В некоторых случаях применяют только одну колонну, которую иногда снабжают внутренними тарелками или даже перемешивающими устройствами на отдельных или всех ступенях. Колонные реакторы могут функционировать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. В последнем случае возможны два варианта, в первом из которых направления потоков жидкой фазы и газа параллельны (т. е. совпадают), а во втором варианте используется принцип противотока. В разработанных сравнительно недавно так называемых эрлифтных реакторах с помощью наружного устройства осуществляется рециркуляция жидкой фазы. Рециркуляционные устройства обеспечивают высокоэффективный теплообмен, необходимый в крупномасштабных микробиологических процессах с участием парафиновых или метанольных субстратов. Рециркуляционное устройство, кроме того, способствует формированию устойчивой структуры течений и определенных характеристик перемешивания в реакторе. Особенности барботажных колонн, в том числе с внешними рециркуляционными устройствами, с одной или несколькими ступенями были детально изучены Шюгерлем и сотрудниками; результаты этих работ опубликованы в ряде статей [36, 37]. Здесь мы ограничимся рассмотрением ряда основных концепцийи понятий, которые полезны для вывода уравнений при расчете таких реакторов и анализе полученных с их помош.ью экспериментальных данных.

В гл. 8 мы показали, что при достаточной плотности культуры быстро растущих аэробных организмов общая скорость клеточного роста обычно лимитируется скоростью переноса кислорода из газовых пузырьков в жидкую фазу. Анализ переносакислорода, лимитирующего скорость всего процесса, требует сведений о параметрах перемешивания газовой и жидкой фаз в башне. Изучение системы воздух — вода в барботажной колонне без рециркуляционного устройства показало, что жидкая и газовая фазы полностью перемешиваются, если скорость газового потока намного выше скорости течения жидкой фазы и если высота башни L близка ее диаметру d_t. В случае более обычных высоких колонн необходимую скорость переноса О₂

можно определить по уравнению (8.115) при L = z.

В интегральной форме уравнение (8.115) справедливо при практически постоянной величине удельной площади межфазной поверхности а по всей высоте колонны. Это требование в свою очередь выполняется только при сохранении пузырьковой структуры газового потока. Эксперименты с системой воздух — вода показали, что если объемная доля газа е превышает критическую величину ε_max, равную приблизительно 0,3, то поднимающиеся через слой жидкости газовые пузырьки коалесцируют вплоть до образования воздушных пробок. Для того чтобы перевести на язык математики требование о необходимости поддержания объемной доли газа ниже emax и связать его с диаметром колонны, отметим, что в любой точке башни

(9.117)

Здесь F_G и u_G — объемная и линейная скорости потока газа соответственно. Достаточно обоснованно можно принять, что u_G равна конечной скорости ш отдельного газового пузырька в неперемешиваемой жидкости и что F_G приблизительно равна скорости поступающего в реактор газа F_Gf- Последнее допущение основывается на том факте, что поглощающийся из пузырьков О₂ по меньшей мере частично замещается на СО₂. При этих допущениях из уравнения (9.117) следует, что е меньше ε_max, когда

(9.118)

Это неравенство можно использовать для оценки геометрических размеров колонны. В нашем упрощенном анализе мы не учитывали увеличение размеров воздушных пузырьков, обусловленное снижением гидростатического давления в верхней части колонны. Этот фактор может привести к тому, что сначала возрастет величина u_t, а затем пузырьки примут грибообразную форму.

Достаточно малый размер пузырьков по всей высоте колонны обеспечивают ситчатые тарелки и (или) перемешивающие или другие внутренние устройства, разрушающие все воздушные пробки и таким образом способствующие сохранению высокой величины площади контакта между газовой и жидкой фазами. Сведения об иных механических приспособлениях, использующихся в биореакторах, приведены в разд. 9.7.3.

На рис. 9.30 представлена схема, положенная в основу математической модели башенного реактора с рециркуляционным устройством и с параллельными потоками газовой и жидкой фаз (биореактор эрлифтного типа). В собственно башне реактора (на рисунке изображенной справа) в одном направлении движутся потоки жидкой и газовой фаз. В верхней части башни газ отделяется, а жидкая фаза через рециркуляционное устройство (изображенное слева) возвращается в нижнюю часть реактора, где расположено барботирующее устройство. При математическом описании жидкость и газ рассматриваются как отдельные фазы, поднимающиеся снизу вверх по башне с различными линейными скоростями u_L и u_G соответственно. Занимаемые жидкой и газовой фазами доли объема обозначают символами ε_L и ε_G соответственно; эти величины можно определить экспериментально или расчетным путем с помощью уравнений для оценки величины газосодержания. На движение газожидкостной дисперсной системы в режиме полного вытеснения налагается осевая дисперсия как в газовой, так и в жидкой фазах, характеризующаяся различными коэффициентами. В жидкой фазе в результате микробиологических превращений происходит утилизация субстрата и кислорода, а газовая фаза обедняется кислородом за счет его переноса в жидкость.

Переходя теперь к изучению элементарного объема башни между положениями z и z+dz (см. рис, 9.30,6), можно вывести указанные ниже уравнения материального баланса по концентрации кислорода в жидкой фазе и мольной доли кислорода в газовой фазе. Для этого нужно воспользоваться теми же методами, которые мы применяли при анализе стационарного состояния системы в реакторах полного вытеснения. В окончательной форме уравнения этих материальных балансов можно записать следующим образом:

РИС. 9.30. Схема, положенная в основу математической модели реактора колонного типа с барботажем и рециркуляцией (а), и элементарный объем этого реактора (б); указаны термины и параметры, применяющиеся при выводе уравнений материального баланса в газовой (g, G) и жидкой (l, L) фазах [37],

Жидкая фаза:

(9.119)

Газовая фаза:

(9.120)

Б сочетании с аналогичными уравнениями для утилизации субстрата и клеточного роста и с такими же уравнениями материальных балансов для жидкой фазы в рециркуляционном устройстве эти уравнения можно использовать для описания экспериментов по изучению массопереноса в нестационарном состоянии, работы биореактора в периодическом или непрерывном режиме как в стационарном, так и в переходном состояниях с непрерывной подачей исходных веществ и непрерывным отбором продуктов. Результаты обширных экспериментальных исследований и методы определения параметров рассматриваемой модели описаны в статье [37].