Вопрос № 3. Способы перемешивания в ферментерах

Перемешивание в ферментерах осуществляется 3 способами:

- механическое перемешивание,

- пневматическое перемешивание,

- перемешивание с помощью циркуляционных насосов.

Перемешивание влияет на массоперенос из газовой фазы в жидкость по трем причинам:

1) Увеличивает поверхность контакта фаз, т.к. разбивает поток воздуха на мелкие пузыри.

2) Увеличивает время контакта за счет циркуляции газовых пузырьков в объеме жидкости, что повышает ее газосодержание.

3) Увеличивает турбулентный сдвиг и уменьшает толщину стационарной пленки вокруг пузыря, что ведет к увеличению коэффициента массопередачи.

Все эти 3 фактора взаимосвязаны и неразделимы;

Механическое перемешивание.

Типы мешалок, применяемых в ферментерах:

1. Лопастная - применяется для маловязких жидкостей и при низких расходах газа, большой диаметр лопастей, относится к тихоходным мешалкам.

2. Турбинные мешалки: а) с прямыми лопатками; б) с наклонными лопатками. Быстроходные мешалки. Имеют от 4 до 12 лопастей. Применяются при малых расходах газа, обеспечивают более интенсивное перемешивание. Наклонные лопасти создают сильное осевое течение среды.

3. Турбинные дисковые мешалки (открытые): с прямыми лопатками, с загнутыми лопатками, с наклонными лопатками, с V-образными лопатками. Имеют более 2 лопастей. Применяются для более вязких жидкостей при более сильной аэрации.

Диск мешалки препятствует проскоку газа вдоль вала мешалки и упрочняет конструкцию. Обеспечивают более равномерное распределение газа по сечению аппарата. Криволинейные лопасти, создают сильное радиальное течение, а наклонные создают осевое течение. V-образные обеспечивают лучшее перемешивание вблизи мешалки и увеличивают ширину радиального потока.

Рис. 1.1. Турбинные мешалки: а - с прямыми лопатками; б - с наклонными лопатками; в - открытая дисковая с прямыми лопатками; г - открытая дисковая с наклонными лопатками; д - открытая дисковая с криволинейными (загнутыми) лопатками; е - открытая дисковая с V-образными лопатками; ж - закрытая дисковая с прямыми лопатками; з - закрытая дисковая с криволинейными лопатками.

4.Турбинные дисковые закрытые мешалки с прямыми (ж) и с криволинейными лопастями (з). Двусторонняя закрытая турбинная мешалка аналогична двустороннему центробежному насосу. Она имеет больший контакт со средой и эффективнее вовлекает в циркуляцию жидкость у вала мешалки, выбрасывая ее потом в радиальном направлении. Криволинейные лопасти создают больший напор.

Пневматическое перемешивание может иметь место в чистом виде или совместно с механическим перемешиванием. Осуществляется при помощи барботеров различных конструкций.

Эффективность работы мешалки оценивается следующим образом:

,

где K_LF и (K_LF)₀ - объемные коэффициенты массопередачи при перемешивании и без перемешивания мешалкой (но при подаче воздуха барботером); N_уд - удельная мощность на перемешивание (N_ДВ/V_Ж).

Оказалось, например, что эффективность перемешивания полой трубой на 30% выше эффективности лопастной мешалки, но меньше чем эффективность турбинных мешалок любого типа. При работе мешалки в аппарате возникает циркуляция жидкости, размеры которой ограничены по высоте. Поэтому для равномерного перемешивания всего объема аппарата применяются многоярусные мешалки. Число ярусов мешалки и оптимальные размеры определяются на основании эмпирических соотношений. Оптимальное расстояние между ярусами мешалок составляет 1,5-2 d_м. При недостаточно эффективной работе мешалки могут возникнуть вертикальные столбы легкой газожидкостной эмульсии, которая поднимается вверх чаще всего вдоль вала мешалки. Это явление, когда воздух, выходящий из барботера, не распространяется в объёме жидкости, а, обтекая мешалку, направляется, вдоль вала называется захлебыванием мешалки. Оно наблюдается тогда, когда подается увеличенный расход воздуха и неэффективна работа мешалки и отражательных перегородок. Начало захлебывания зависит от конструкции мешалки и особенно конструкции барботера. Для предотвращения захлебывания наиболее предпочтительны квадратные и лучевые барботеры. Образующиеся в аппарате крупномасштабные циркуляционные потоки содействуют равномерному распределению пузырей в жидкости, но слабо воздействуют на массоперенос О₂ из газа в жидкость. Интенсификация массообменного процесса достигается турбулизацией жидкости меньшего масштаба внутри крупных циркуляционных потоков. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы наибольшая часть энергии, затрачиваемой на перемешивание, шла на создание этих турбулентных пульсаций в жидкости. Здесь уместна аналогия с центробежным насосом. Макросмешение, создаваемое работой мешалки, измеряется производительностью V. Микросмешение возникает при наличии напора Н, создаваемого насосом мешалки. Следовательно, целесообразно применение мешалки с максимально допустимым отношением H/V

Согласно теории центробежного насоса Н~n²d², а V~nd³,

где n - число оборотов; d - диаметр мешалки. Следовательно, отношение H/V~ n/d, т.е. чем больше скорость перемешивания и меньше диаметр мешалки, тем выше эффективность перемешивания.

Однако это отношение ограничено сверху для каждого типа мешалки возможностью возникновения застойных зон в аппарате.