Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Петров, Игорь Алексеевич

• Петров, Игорь Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Игорь Алексеевич

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Фототрофы - продуценты биологически активных веществ (БАВ).

1.2 Классификация современных фотобиореакторов 23 1.3. Аппаратурное оформление процесса культивирования фототрофов.

1.3.1. Культивирование в бассейнах открытого типа

1.2.2. Производство в реакторах трубчатого типа.

1.3.2 Тонкослойные и пластинчатые фотобиореакторы.

1.3.3 Производство фототрофов с использованием фотобиореакторов глубинного культивирования

1.4 Сравнительная характеристика фотобиореакторов

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Глава 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛОСТНЫХ ФОТОБИОРЕАКТОРОВ С ГИБКИМИ ПРЕРМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ.

2.1 Экспериментальная установка для проведения исследований

2.2 Поле скоростей в полостном аппарате

2.3 Определение мощности, расходуемой на перемешивание

• Глава 3. РАСЧЕТ И ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ОБЪЕМНОГО КОЭФФИЦИЕНТА МАССООБМЕНА

3.1. Расчет массообмена на границе полости.

3.2 Визуальная оценка количества пузырьков и их поверхности. Несущественность вклада пузырьков в массообмен

3.3 Порядок определения коэффициента массопередачи по балансовому способу с определением скорости потребления сульфита в модельной системе

3.4 Данные массообменных испытаний фотобиореактора с гибкой мешалкой, рабочим объемом 90 л

3.5. Некоторые предпосылки к рассмотрению газообмена как лимитирующего фактора роста фототрофов.

4 Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО КУЛЬТИВИРОВАНИЮ ФОТОТРОФОВ

В АППАРАТАХ С ГИБКИМИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ ^ УСТРОЙСТВАМИ.

Ф 4.1 .Описание установки для культивирования фототрофов

4.2. Культивирование спирулины в аппарате с гибкой мешалкой.

4.3. Культивирование хлореллы в аппарате с гибкой мешалкой

Глава 5 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ КУЛЬТВИРОВАНИЯ ФОТОТРОФОВ В АППАРАТАХ С ГИБКИМИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ

УСТРОЙСТВАМИ.

5.1. Производительность установок

5.2. Определение себестоимости продукта

5.2.1. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установках лоткового типа

5.2.2. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в установках трубчатого типа ^ 5.2.3. Оценка себестоимости СБ спирулины, получаемой в фотобиореакторах с гибкими мешалками.

Практическая реализация работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами»

Проблема несбалансированного, неполноценного питания человека в России, становится все более актуальной и необходимость ее решения очевидна. Один из возможных путей - биотехнологическое производство пищевых добавок на основе фототрофных микроорганизмов среди которых наиболее известны спирулина и хлорелла.

Биологически активные добавки на основе этих фотосинтезирующих микроорганизмов позволяют проводить профилактику и лечение многих трудноизлечимых болезней человека, таких как атеросклероз, рак, стенокардия, пневмония, тромбофлебит, рак и др.

Известно, что на мировом и российском рынке существует потребность в получении сравнительно недорогой и в то же время высококачественной биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащей ряд ценных, незаменимых органических веществ, используемых в различных отраслях народного хозяйства.

Фототрофные микроорганизмы широко производятся во многих странах, прежде всего, в Нидерландах, Франции, Бельгии. Испании, Израиле, в странах юго-восточной Азии, Африке, Индии, Китае, США и др.

Известны и находят все более широкое применение для культивирования фототрофов полостные аппараты с гибкими перемешивающими устройствами, разработанные В.А. Жаворонковым [1], [3], [16], которые в настоящее время еще мало исследованы.

В ряде работ были предприняты попытки разработать методику расчета фотобиореакторов с гибкими мешалками, но до настоящего времени такой методики, нет, и задача разработки такой методики является весьма актуальной.

Основной темой данной работы является исследование гидродинамики и массообмена в фотобиореактрах с гибкими мешалками, а также разработка полуэмпирической методики расчета аппаратов для культивирования различных фотосинтезирующих микроорганизмов (фототрофов) на основе вышеуказанных исследований.

Цель работы. Исследование гидродинамических и массообменных процессов Л в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами с целью получения расчетных зависимостей для этих аппаратов и разработки на их основе ® методики инженерного расчета.

Основные задачи работы

- Сравнительный анализ существующих фотобиореакторов применяемых р в биотехнологии для синтеза фототрофов.

- Исследование гидродинамических и массообменных процессов в аппарате с гибким перемешивающим устройством с целью разработки расчетной методики.

- Создание инженерной расчетной модели и проверка ее адекватности.

Ф - Экспериментальное культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами с целью сравнения с аналогичными результатами, полученными в других фотобиореакторах

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- Исследованы особенности гидродинамических и массообменных процессов в аппаратах полостного типа с гибкими мешалками полупромышленного масштаба.

- Экспериментально определена в широком диапазоне чисел Рейнольдса ф зависимость мощности, затрачиваемой на перемешивание от параметров процесса (числа лопастей, числа оборотов мешалки, вязкости перемешиваемой жидкости)

- Получены критериальные зависимости, позволяющие провести прогностический расчет энергетических характеристик мешалки для ламинарного и турбулентного режимов течения. А

- Экспериментально определено радиальное распределение окружных •> скоростей и получено соотношение, обобщающее эти экспериментальные данные для различной частоты вращения мешалки. ^ Оценено значение скоростного лага

- Разработана концепция определяющего влияния скоростного лага ан коэффициент вихревой диффузии и характерное время обновления поверхности контакта фаз. В рамках этой концепции для оценки коэффициента массообмена на границе полости предложена формула в которой используется значение скоростного лага.

На основе экспериментов по культивированию фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами построены кинетические кривые роста спирулины и хлореллы. Оценены основные кинетические параметры: скорость роста и предельно достижимая концентрация культуры в аппарате. Сравнение с известными из литературы результатами показывает конкурентоспособность культивирования фототрофов в полостных аппаратах в ряду других способов их выращивания

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

- Впервые разработана методика инженерного расчета фотобиореакторов с гибкими перемешивающими устройствами.

- Разработан лабораторный регламент биосинтеза микроводоросли спирулина на основе полостного фотобиореактора с гибкими перемешивающими устройствами.

- Результаты диссертационной работы использованы при разработке универсальной учебно-исследовательской установки для культивирования фототрофов по гранту Министерства образования и науки.

- Разработана действующая модель установки на основе фотобиореактора с гибким перемешивающим устройством, отмеченная дипломом участника Всероссийского форума «Образовательная среда -2004» .

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

- Обоснование необходимости исследования гибких перемешивающих устройств.

- Полученные критериальные зависимости, позволяющие провести прогностический расчет энергетических характеристик мешалки для ламинарного и турбулентного режима течения.

- Полученное соотношение, экспериментально измеренного радиального распределения окружных скоростей и. обобщающую эти экспериментальные данные экстраполяцию для различного числа оборотов мешалки

- Концепцию определяющего влияния скоростного лага на коэффициент вихревой диффузии и характерное время обновления поверхности контакта фаз и оригинальную формулу для оценки коэффициента массообмена на границе полости, в которой используется значение скоростного лага.

- Методику инженерного расчета фотобиореакторов с гибкими перемешивающими устройствами.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Петров, Игорь Алексеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

- Исследованы гидродинамические и массообменные процессы в аппаратах полостного типа с гибкими мешалками полупромышленного масштаба.

- Экспериментально определена в широком диапазоне чисел Рейнольдса зависимость мощности, затрачиваемой на перемешивание от параметров процесса (числа лопастей, числа оборотов мешалки, вязкости перемешиваемой жидкости).

- Получены критериальные зависимости, позволяющие провести прогностический расчет энергетических характеристик мешалки для ламинарного и турбулентного режима течения.

- Экспериментально определено радиальное распределение окружных скоростей и получено соотношение, обобщающее эти экспериментальные данные для различного числа оборотов мешалки.

- Предложена формула, для оценки коэффициента массообмена на поверхности полости, в которой используется значение скоростного лага, определенного по экстраполяции измерений профиля окружной скорости жидкости.

- В рамках теории обновления поверхности предложен вариант оценки времени контакта фаз.

- На основе экспериментов по культивированию фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами и сравнения получены кинетических кривых с аналогичными результатами, полученными в трубчатых аппаратах, показана конкурентоспособность предлагаемого метода культивирования и даже его некоторое преимущество.

- Разработана оригинальная методика инженерного расчета фотобиореакторов с гибкими перемешивающими устройствами.

Таким образом, поставленные в работе задачи выполнены полностью

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Игорь Алексеевич, 2006 год

1. Spirulina, algae of life. — Bulletin de l'lnstitut oceanographique, Monaco, Numero special 12, 1993.

2. Жаворонков B.A. Разработка фотобиореакторов для интенсивного культивирования микроорганизмов. — автореферат канд. дис., М., МИХМ, 1987.

3. Кондратьева Е.Н., Максимова И.В., Самуилов В.Д. Фототрофные микроорганизмы. — М.: Изд-во МГУ, 1989. — 374 с. с илл.

4. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. — изд. второе, М.: Колос, 1992.— 383 с.

5. Музафаров A.M., Таубаев Т.Т. Культивирование и применение микроводорослей. Издательство "Фан", Ташкент, 1984 г.

6. Микробиология, 1996, т. 65, № 3.

7. Сальникова М.Я., Хлорелла новый вид корма. Издательство "Колос", М., 1977 г.

8. Biotechnological Letters, 1995, 17, p. 225-228.

9. Optimization of y-linolenic Acid (GLA) Production in Spirulina platensis. / Tantichareon, M. Reungjitchachawali, M. Boonag // J. Appl. Phycol., 1994, 6 (3), 295.

10. Appl. Microbiol. Biotechnol, 1995, vol. 43, p. 466-469.1 l.Phytochemistry, 1987, № 8, p. 2255-2258.

11. Appl. Biochemistry & Biotechnology, 1992, vol. 34-35, p. 273-281.

12. Pirt S.J., Lee Y.K., Walach M.R., Pirt M.W., Balyuzi H.H.M., Bazin M.J. — A tubular bioreactor for photosynthetic production of biomass from carbondioxide: design and performance. — J. Chem. Techn. and Biotechnol., 1983, 33B, p. 35-58.

13. A. c. № 264057 Б. и. 1970, № 8.

14. A. c. № 597540 Б. и. 1971, № 22.

15. A. c. № 371895 Б. и. 1973, № 13.

16. Tredici M.R., Carlozzi P., Chini Zittelli G., Materassi R. — A vertical alveolar panel (VAP) for outdoor mass cultivation of microalgae and cyanobacteria. — Biores. Technol., 1991, 38, p. 153-159.

17. Анисимов О.А. и др. Промышленные установки для культивирования микроорганизмов: обзор. — М.: ВНИИБиотехника, 1973. — 20 с.

18. Journal of Ferment. Bioengineering, 1995, 79(3), p. 257.22.Патент MI 48109 USA.23.Патент СССР № 1828660.

19. Mori К. Photoautotrophic Bioreactor Using Visible Solar Rays in Biotech & Biting Symp., 1985,15, p. 321-345.

20. Малек И., Фенцель 3. Непрерывное культивирование микроорганизмов. — М.: Пищевая промышленность, 1968. — 346 с.

21. Патент Японии № 46-28817, 1971.

22. Патент Швейцарии № 537451, 1971.

23. Патент Японии № 44-8827, 1969.

24. Патент Франции № 2252052, 1971.

25. А. с. № 1062258 Б. и. 1983, № 47.31 .Брагинский J1.H., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. — JL: Химия,1984. — 336 с.

26. Рубин Б.А. Физиология и биохимия фотосинтеза. — М.: Изд-во МГУ, 1977. —251 с.

27. Глущук Л.П. Аппаратурное оформление процесса культивирования спирулины / автореферат канд. дис., М., МХТИ, 2000г.

28. Хинце И.О. Турбулентность, М.: ГИФМД, 1963.

29. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. — Л.: Химия, 1971.223 с.

30. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1973. — 711 с.

31. Kataoka K., Doi H., Kotai T. Heat and Mass Transfer in Taylor Vortex Flow with Constant Axial Flow Rates. // Int. Y. Heat Mass Transfer, 1977. — v. 20 -No. 1-p. 57-63.

32. Жаворонков B.A., Казенин Д.А. Фотобиосинтезирующие реакторы полостного типа и оценка абсорбционного газообмена на межфазной поверхности. // Всесоюзное совещание "Абсорбция-87". Тезисы докладов.1. Таллин, 1987. -z.il- 78.

33. Петров И. А., Зеньковский А.Г., Овчаренко Е.Г. Исследования пылеуловителя ВЗП-К (конического)//Исследования новых технологических процессов в промышленной теплоизоляции./Сб. трудов ВНИПИТеплопроект, М.:1987, с.86 90.ъ

34. Шургальский Э.Ф., Еникеев И. X., Петров И.А., Карепанов С.К. Расчет трехфазных течений в аппаратах со встречными закрученнымипотоками./ Расчет и конструирование аппаратов для разделения дисперсных систем/ Сб. трудов МИХМ, М.:1990, с 117-123

35. Горлин С. М., Слезингер И. И., Физические измерения в газовой динамике и при горении, ч. 1—2, М., 1957;

36. Седов. Л.И. Методы тории подобия и размерности в механике М.: Физматгиз, 1953. — 223 с.

37. Гупало Ю.П., Полянин А. Д., Рязанцев Ю.С. Массотеплообмен реагирующих частиц с потоком. — М.: Наука, 1985. — 336 с.

38. Кутепов А.Н., Полянин А.Д., Запрянов З.Д., Вязьмин А.В., Казенин Д.А. Химическая гидродинамика. — М.: Квантум, 1996. — 336 с.

39. Кругляков П.М., Ексерова Д.Р. Пена и пенные пленки. — М.: Химия, 1990. —427 с.

40. Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П., Сумм Б.Д. Поверхностные явления в белковых системах. — М.: Химия, 1988. — 240 с.

41. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. — М.: МГУ, 1985 — 376 с.

42. Wise W. S. The Aeration of Culture Media, a Comparison of the Sulphite and Polarographic Methods. — J. Soc. Chem. Ind. London, Sup. 1, 40, 1950.

43. Бегачев В.И., Брагинский Л.И., Глуз М.Д., Малышев Г.А О расчете мощности на перемешивание неньютоновских сред/ Перемешивающие устройства/ (Материалы всесоюзного совещания) ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1966 г.,с.78

44. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. / Пер. с польского под ред. И.А. Щупляка. — Л.: Химия, 1975. — 384 с.

45. Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. — М.: Госхимиздат, 1949. — 230 с.

46. Штербачек 3., Тауск П., Перемешивание в химической промышленности, Ленинград, 1963 г. ,стр.117, стр. 125

47. Романков П.Г. Гидравлические процессы химической технологии. — М.; Л.: Госхимиздат, 1948. — 264 с.

48. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для ВУЗов — 3-е изд., перераб. и доп. — М.гХимия, 1987. — 496 с.

49. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев JI.C. Моделирование биохимических реакторов. — М.: Лесная промышленность, 1979. — 344 с.

50. Литманс Б.А., Кукуреченко И.С., Туманов Ю.В., Бойко И.Д / Исследование массоотдачи в жидкой фазе в барботажном аппарате с механическим перемешиванием при высоких вводах энергии/. — ТОХТ, 1974, №8,3, с. 344-350.

51. Литманс Б.А., Кукуреченко И.С., Туманов Ю.В. Теория и практика перемешивания в жидких средах. — М.: НИИТЭхим, 1973. — с. 137 140.

52. Ефимов Б.Л., Соломаха Г.П. — В кн.: Теория и практика перемешивания в жидких средах. — М.: НИИТЭхим, 1973. — с. 131 137.

53. Zlokarnik М., Sorption characteristics for gas-liquid contacting in mixing vessels In Adv. Biochem. Eng., 8, p. 135-150, 1978

54. Cooper C.M., Fernstrom G.A., Millis S.A. — Ind. Eng. Chem., 1944, 34, p. 504 -520.

55. Кафаров B.B. Основы массопередачи. — M., 1972. — 494 с.

56. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. — Л., 1976.— 213с.

57. Еремин В.А. Исследование массоотдачи в жидкой фазе в барботажных аппаратах с механическим перемешиванием. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — М.: МИХМ, 1968. — 193 с.

58. Касаткин А.Г., Кафаров В.В., Панфилов М.И. Исследование процесса перемешивания механическими мешалками в системе газ — жидкость. — Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1957, вып. XXIV, с. 413 427.

59. Кутателадзе С.С. ,Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990, 367 с.

60. Calderbank P.H., Moo-Joung M.B. — Trans. Inst. Chem. Engrs., 1958, v. 36, № 5, p. 443 448.

61. Foust H.C., Mack D.E., Rushton J.H. — Ind. Eng. Chem., 1944, v. 36, p. 517 -525.

62. Van de Vusse S.G. — Chem. Ing. techn., 1959, Bd. 31, № 4, p. 539 542.

63. Joshida F., Miura J. — Ind. Eng. Chem., Proc. Des. Dev., 1963, v. 2, № 6, p. 263 266.

64. Gallaher J.B., Resnick W. — Ind. Eng. Chem. Fundam., 1966, v. 5, № 1, p. 15 -21.

65. Rushton J.H., Gallaher J.B., Oldshoe J.J. — Chem. Eng. Progr., 1956, v. 52, № 2, p. 319-326.

66. Van Dierendonck L.L., Fortuit J.M.H., Vanderboss D. — In.: Proc. Fourth European Symp. On the Chem. Reaction Eng. Brussel, 1968, p. 205 211.

67. Бальцежак C.B., Соломаха Г.П. Теория и практика перемешивания в жидких средах. — М.: НИИТЭхим, 1982, с. 86.

68. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1971, с. 258-273.

69. Аиба Ш., Хемпфри А., Миллис Н. Биохимическая технология и аппаратура. — М.: Пищевая промышленность, 1975. — 288 с.

70. Слободов Е.Б., Кутепов A.M., Чепура И.В. Массоотдача в сплошной фазе двухфазных сред при больших числах Пекле и малых числах Рейнольдса. — Журнал прикладной химии, 1983, с. 1818-1821.

71. Барабаш В.М. О размере пузырей при перемешивании газожидкостных систем. // В сб. «Теория и практика перемешивания в жидких средах».

72. Тезисы докладов 6-ой Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах, Л., 1 5 октября 1990 года. — JI.:1990, с. 15-17.

73. Темкин М.И. Перенос растворенного вещества между турбулентно движущейся жидкостью и взвешенными в ней частицами. — Кинетика и катализ, т. 18, вып. 2, 1977, с. 493-496.

74. Рамм В.Е. Абсорбция газов. — М.: Химия, 1976. — 656 с.

75. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1981, 560 с.

76. Белянин В.И., Сидько Ф.Я. Энергетика фотосинтезирующей культуры микроводорослей. — Новосибирск: Наука, 1980. — 131 с.

77. Robert Henrikson. Earth Food Spirulina. — Ronore Enterprises, Inc., Kenwood California, 1997.

78. Biochemicals Organic Compounds for Research and Diagnostic Reagents. — In: SIGMA, 1992, p.p. 814, 918.

79. Ермошин Н.Г., Петров И.А., Казенин Д.А. Совмещенный газообмен и разделение пузырьковых сред./Материалы III -ей международной конференции "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Украина, Донецк ,2004 г., с. 32-33.C

80. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Петров И.А., Мальцевский В.В. К вопросу расчета демпферных перемешивающих в фотобиореакторах /Успехи современного естествознания, 2004 г., Т.1, № 6, с. 119 -121.с

81. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Петров И.А., Гладышев П.А. Проблемы культивирования фототрофов в условиях средней полосы России /Экология антропогена и современности: природа и человек, С.- Пб, Гуманистика, 2004 г., с.590 593

82. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Петров И.А., Кавитационная гидродинамика и вихревой массообмен в полостном аппарате, Современные проблемы аэрогидродинамики, Тезисы докладов XIII школы семинара, М.:МГУ, 2005 г., с.39 - 40.