Современные тенденции совершенствования конструкций пленочных аппаратов для фотоавтотрофного биосинтеза светозависимых микроорганизмов

В настоящее время для получения суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов (Spirulina, Chlorella, Dunaliella и др.) используют биореакторы плёночного типа, позволяющие снабжать микроводоросли в необходимом объеме углекислым газом, световой энергией и питательными веществами [2].

Большие перспективы имеют аппараты со стекающей турбулентной пленкой жидкости по внутренней поверхности трубы с винтовой шероховатостью (рисунок 1). Скорость переноса газа в пленочных биореакторах и поверхностный коэффициент массоотдачи на порядок выше, чем в других биореакторах [1]. Коэффициент теплоотдачи в турбулентной пленке, при высоких нагрузках по жидкости, в 2–3 раза превышает значения, полученные в барботажных и газлифтных аппаратах. При этом достигается равномерное распределение температуры в объеме культуральной жидкости по причине пропускания всей ее массы через теплопередающую поверхность, что исключает образование застойных зон. Отвод тепла организуется непосредственно в зоне биохимической реакции, что не требует дополнительных конструктивных решений и не влияет на процесс интенсификации тепло- и массообмена.

В пленочных биореакторах исключается накапливание продуктов метаболизма в культуральной жидкости благодаря их интенсивному отводу из пленки с отработанным газом.

Проведение процесса ферментации в пленочных биореакторах возможно при низких расходах газа, так как в этих аппаратах газ не участвует в создании поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости. При этом снижаются потери газа в окружающую среду, вследствие его размещения в зоне контакта с пленкой. Из-за высокой скорости подвода газа, отвода тепла и продуктов метаболизма пленочные биореакторы способны перерабатывать концентрированные питательные среды и получать высокую производительность и в несколько раз уменьшить габариты биореактора.

Небольшие габариты пленочного биореактора при высокой его производительности обеспечивают процесс ферментации при избыточном давлении, что увеличивает степень насыщения жидкости газом и позволяет легко изменять концентрацию газа в культуральной жидкости в процессе ферментации. В пленочном биореакторе исключается эффект флотации биомассы и пенообразования, что позволяет увеличить рабочий объем аппарата и обеспечить равномерное распределение микроорганизмов и питательной среды.

Пленочные биореакторы по конструктивному оформлению можно разделить на одноступенчатые (рисунок 1, а, в) и многоступенчатые (рисунок 1, б).

Рисунок 1. Схемы пленочных трубчатых биореакторов: 1 – корпус; 2 – контактная труба; 3 – газовый патрубок; 4 – камера для ввода газа; 5 – теплообменная секция; 6 – камера для культивирования; 7 – насос

Figure 1. Schemes of film tubular bioreactors: 1 – the case; 2 – contact tube; 3 – the gas pipe; 4 – gas injection camera; 5 – the heat exchange section; 6 – cell culturing; 7 – pump

В многоступенчатом биореакторе на каждой ступени осуществляется насыщение жидкости газом и его исчерпывание микроорганизмами. Это позволяет уменьшить расход перекачиваемой жидкости через аппарат, разместить большее количество культуральной жидкости в рабочей зоне биореактора.

Известные аппараты не могут быть использованы для культивирования автотрофных микроорганизмов, так как в конструкции не предусмотрена установка источника световой энергии для освещения суспензии, а цилиндрические трубы в зоне освещения выполнены непрозрачными.

Кроме этого эти аппараты не позволяют эффективно проводить процесс культивирования микроорганизмов с высоким выходом готовой биомассы, так как в них не предусмотрены различные виды истечения суспензии и оптимальные условия для роста автотрофных микроорганизмов уже на первом цикле культивирования.

В пищевой, комбикормовой и других отраслях промышленности все большую актуальность приобретает алголизация – введение биомассы микроводорослей в состав продукта [8]. Для ввода в материал свежей суспензии микроводорослей ее целесообразно получать в условиях производства, включая в основную технологическую линию участок культивирования, ядром которого является фотобиореактор. Разработанный пленочный фотобиореактор (рисунок 2) предназначен для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, в частности, микроводоросли хлорелла [3].

Рисунок 2. Фотобиореактор пленочного типа: а – общий вид; б – увеличенное соединение прозрачного и непрозрачного элементов цилиндрических трубок; в, д – увеличенная зона ввода смеси воздуха с углекислым газом в цилиндрические трубки

• Figure 2.    Photobioreactor film types: a – general view; b –- increased connection of transparent and opaque elements of cylindrical tubes; c, e – increased air mixture entering the zone with carbon dioxide in the cylindrical tube

Пленочный фотобиореактор состоит из корпуса 24, на котором размещены штуцеры для ввода и вывода суспензии автотрофного организма 3 и 21, штуцера для ввода и вывода охлаждающего воздуха 10 и 12, штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 14 и 17, штуцера для ввода и вывода смеси углекислого газа с воздухом 18 и 2. Корпус аппарата разделен горизонтальными перегородками 9 на секции ввода 1, вывода 20, секцию теплообмена 15 и секцию освещения 5. В горизонтальных перегородках установлены цилиндрические трубки 11 с распределителями жидкости 4. Внутрь цилиндрических трубок вставлена коаксиально винтовая спираль, представляющая собой проволоку круглого сечения. Прозрачные элементы трубок установлены в секции освещения, а непрозрачные – в секции теплообмена. Прозрачные и непрозрачные элементы соединены муфтами 8, снабженными уплотнениями 23. В центре секции освещения установлена цилиндрическая люминесцентная лампа 7, а внутренняя боковая поверхность этой секции выполнена зеркальной. Теплообменная секция пленочного аппарата снабжена наружной тепловой изоляцией 13. В секции вывода имеется барботажное устройство 22, а к штуцерам для ввода смеси углекислого газа с воздухом 18 присоединены изогнутые патрубки 19. Внутри изогнутых патрубков, на выходе, на трех штырях 26 установлена коническая пробка 25. В штуцере 21 для вывода суспензии предусматривается установка вентиля 27.

Предлагаемый фотобиореактор позволяет культивировать фотоавтотрофные микроорганизмы; интенсифицировать процесс теплоотвода от пленки суспензии в цилиндрических трубках; создать в камере вывода дополнительное насыщение суспензии углекислым газом посредством барботажа; обеспечить рациональное распределение потока газовоздушной смеси внутри цилиндрических трубок; создать оптимальные условия для компоновки аппарата в зависимости от требуемого выхода биомассы с использованием более одного комплекта чередующихся секций; повысить на 35…45% точность распределения потока ГВС по цилиндрическим трубкам.

Для интенсификации процесса культивирования была разработана конструкция фотобиореактора с комбинированным истечением жидкости (рисунок 3), которая представляет собой корпус, разделённый прозрачными горизонтальными перегородками 1, 2, 3 на пять герметичных секций: ввода суспензии 4, кольцевого истечения суспензии 5, промежуточную 6, плёночного истечения суспензии 7 и вывода суспензии 8 [4]. В секции 4 установлен штуцер для ввода суспензии 9, спиральный нагреватель 10 с термореле, регулятор давления 11. Между секциями ввода суспензии 4 и кольцевого истечения суспензии 5 закреплена прозрачная горизонтальная перегородка 1 секции ввода суспензии 4, выполненная с углублениями.

В секции кольцевого истечения суспензии 5 расположены штуцеры для ввода и вывода газа-теплоносителя 11 и 12, две лампы накаливания типа ДНаТ 13 в верхней и нижней частях секции и по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга прозрачные цилиндрические трубки 14 с закреплёнными внутри них винтообразными насадками 15, выполненными из полой ПФХ трубки, на поверхности которой зафиксирована лента в виде секторов через каждые 30 градусов.

Однако этот биореактор имеет следующие недостатки:

─ невысокий выход биомассы, поскольку отсутствует рециркуляционная труба, обеспечивающая интенсивное перемещение культуральной жидкости;

─ низкое качество получаемой биомассы в связи с тем, что не созданы условия для более равномерного освещения культуральной жидкости при ее рециркуляции посредством коаксиального размещения лампы;

─ компоновочное решение аппарата нельзя признать оптимальным, т. к. в центральной зоне рабочего объема аппарата расположены лампы для освещения культуральной жидкости, а не рециркуляционная труба, обеспечивающая многократный возврат жидкости с последующим культивированием до достижения заданной концентрации биомассы культуральной жидкости с требуемым выходом;

─ сложность конструкции аппарата из-за чередующихся секций при культивировании суспензии с учетом чередования участков освещения и охлаждения делает её части труднодоступными при профилактическом обслуживании, а также непосредственно связана с увеличением габаритных размеров аппарата;

─ высокие удельные энергозатраты на получение биомассы, поскольку не используется кинетическая энергия газового субстрата на входе в биореактор;

─ не позволяет обеспечить рациональное распределение потока газа, так как в конструкции не используется кольцевой коллектор по всему сечению аппарата;

Перечисленные недостатки исключаются в предлагаемой авторами конструкции фотобиореактора.

Вид А

Рисунок 3. Конструкция фотобиореактора с комбинированным истечением жидкости

Вид Б

участок образования кольцевого истечения суспензии the plot of ring formations on the expiry of the suspension

участок образования плёночного истечения суспензии the site of the formation of a film of expiry of the suspension

участок подвода ГВС / Gas supply portion

• Figure 3.    Construction of photobioreactor with combined expiration of the liquid

Фотобиореактор состоит из корпуса 1, который разделен горизонтальными перегородками 2 на секции ввода культуральной жидкости 3, вывода культуральной жидкости 4, и дополнительную секцию 5 с внутренней зеркальной поверхностью, предназначенную для освещения суспензии автотрофных микроорганизмов. В горизонтальных перегородках 2 вертикально установлены прозрачные цилиндрические трубки 6 с пленкообразующим устройством 7, и прозрачная рециркуляционная труба 8, расположенная вертикально по оси симметрии аппарата в дополнительной секции 5. По длине прозрачных цилиндрических трубок на их внутренней поверхности нанесена винтовая спираль из проволоки 9.

В дополнительной секции 5 коаксиально установлена лампа накаливания 10 с возможностью освещения прозрачных цилиндрических трубок 6 и прозрачной рециркуляционной трубы 8.

В секции вывода культуральной жидкости 4 размещено барботажное устройство 11, выполненное в виде кольцевого коллектора по всему сечению аппарата, с патрубком 12 подачи смеси углекислого газа и воздуха. Внутри рециркуляционной трубы 8 по всей высоте аппарата установлен вал 13 в подшипниках 14 и 15. Корпус 16 подшипника 14 с крышкой 17 и сальником 18 закреплен в верхней части аппарата. Корпус подшипника 15 с крышкой 20 и сальником 21 расположен в патрубке барботажного устройства 11.

Рисунок 4. Конструкция фотобиореактора

выполненных в виде канавки полукруглого сечения на внутренней стороне прозрачных цилиндрических трубок 6, жидкостная пленка в противотоке со смесью углекислого газа и воздуха, интенсивно взаимодействуют.

Винтовая спираль 9 обеспечивает вращательно-поступательное движение жидкости и позволяет удержать большое количество культуральной жидкости на внутренней поверхности трубок 6. Наличие центробежной силы, вызванной вращательным движением пленки жидкости, предотвращает ее срыв и обеспечивает равномерное распределение по высоте прозрачных цилиндрических трубок 6.

Величину газожидкостного слоя, стекающего по пленкообразующей поверхности во впадине винтовой спирали определяли по зависимости [1]:

вп

1_- ⁵ вп

I 2R J

h ) hs +

2R J ( s + e )

Г 2 (1 - h/R )    X e         s

P ² g     8( s + e )  4 Vn^ (s + e)

1/3

• Figure 4.    Photobioreactor construction

На валу 13 внутри рециркуляционной трубы 8 в зоне вывода жидкости 4 закреплен роторный нагнетатель 22, направляющий культуральную жидкость из секции вывода культуральной жидкости 4 через рециркуляционную трубу 8 в секцию её ввода 3. Нижняя часть вала 13 снабжена крыльчаткой 23, которая расположена в патрубке 12 барботажного устройства 11 с возможностью вращения вокруг своей оси за счет кинетической энергии потока смеси углекислого газа с воздухом, подаваемой в секцию вывода культуральной жидкости 4.

На корпусе аппарата 1 размещены штуцера для ввода культуральной жидкости (суспензии автотрофного организма) 24 и вывода культуральной жидкости (готовой биомассы) 25, штуцера для ввода и вывода охлаждающего воздуха 26 и 27, штуцера для вывода отработанной смеси углекислого газа с воздухом 28.

Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов работает следующим образом. Суспензия автотрофного микроорганизма поступает через штуцер 24 в камеру для ввода культуральной жидкости 3, проходит через кольцевой зазор пленкообразующих устройств 7 и в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 6. Обтекая витки винтовых спиралей 9, где рсм - плотность газожидкостной смеси, кг/м3; e, h – ширина и высота выступа винтовой спирали, м; 5вп - толщина пленки газожидкостной смеси, м; Г = G /nd - массовая плотность орошения, кг / (с-м); R - радиус трубчатой насадки, м; s – расстояние между витками спирали, м; о = 8 - эмпирическая поправка.

Плотность газожидкостной смеси определяли с учетом плотности жидкости р ж , плотности газа р г и газосодержания ф :

р = р ж ^(1- ф^{) +} р _гф, ⁽²⁾

При этом подача смеси углекислого газа с воздухом в аппарат осуществляется через патрубок 12 барботажного устройства 11, которое обеспечивает дополнительное насыщение жидкости углекислым газом в секции 4 и равномерное распределение потока газовоздушной смеси в прозрачных цилиндрических трубках 6.

За счет кинетической энергии потока смеси углекислого газа с воздухом, подаваемого в секцию вывода культуральной жидкости 4 через патрубок барботажного устройства 12, крыльчатка 23 приводится во вращательное движение и заставляет вращаться вал 13, установленный в подшипниках 14 и 15, а вместе с ним и роторный нагнетатель 22, направляющий культуральную жидкость из секции вывода 4 через рециркуляционную трубу 8 в секцию её ввода 3.

Для определения изменения концентрации СО 2 , растворенного в жидкой фазе по высоте рабочей зоны реактора с учетом кинетических закономерностей использована однопараметрическая диффузионная модель:

dCd v—L = Dl dzdz

C, k,aAC - aco2 и ----Lx

Lm

^KCO₂ ^{+ C}L

где v – скорость потока, м/с; z – продольная координата, м; C – рабочая концентрация СО 2 в жидкой фазе; D – коэффициент осевой диффузии; ka – объемный коэффициент массопе-редачи, м/с; a co₂ - расходный коэффициент по потреблению СО 2 , клетками кг/кг; A C - разность концентраций СО 2 в газовой и жидкой фазах (движущаяся сила массопереноса); U - максимальная скорость роста биомассы; индексы: G – газовая фаза; L – жидкая фаза; x = 1,13т + 1,59 - концентрация АСБ в суспензии, г/дм³, здесь τ – продолжительность культивирования.

Модель (3) была решена при следующих допущениях:

─ концентрация СО 2 меняется только вдоль оси z , в радиальном направлении она выровнена;

─ движение газовой фазы описывается моделью идеального вытеснения;

─ рассмотрен установившийся режим культивирования;

─ в аппарате отсутствуют застойные зоны и байпасные потоки;

─ концентрация растворенного СО 2 превышает критическую.

─ скорость потребления СО 2 клетками составляет q ( 1,13т + 1,59 ) .

Модель (3) в безразмерной форме принимает вид:

dC G dZ

- a G ( C g - C l ) = 0

1 d 2 C L   dC L

Pe dZ 2 dZ

^ (4)

+ a_L ( C g - C l ) - b = 0

где Pe = vLL - диффузионный критерий k aH       k aH

Пекле; aG = —--- и aL = —--безразмер-фGVGV         vl^L ные параметры, определяющие массопередачу

СО 2    из газовой фазы в жидкую;

b = q ( 1,13т + 1,59 ) ^L / ( v_LC 0 ) - безразмерный параметр, определяющий скорость потребления СО 2 клетками микроводоросли (Сток СО 2 ); Z = z/H ; Cl = C, W ./C ⁰⁰ ; Cg = C_r/C r -от-

LG  GG носительные длина и концентрации соответственно; H – высота рабочей зоны реактора, м; ф - содержание фазы в рабочей зоне аппарата; C0 – концентрация  СО2  в газовой фазе на входе в рабочую зону реактора; w - константа фазового равновесия.

Граничные условия при работе биореактора в режиме противотока:

при Z = 0: ^L = 0;

dZ

1 = C G

dCg при Z = 1: ----= 0;

dZ

C L = C L

dC L

^ (5)

--.----------------

Pe dZ

Расчет диффузионной модели (1–3) на ЭВМ с использованием метода Рунге-Кутта проводили при рациональных значениях параметров культивирования, полученных в ходе исследования кинетических закономерностей процесса квазинепре-рывного культивирования хлореллы.

Проверка адекватности результатов моделирования (рисунок 4) реальному процессу показала, что средняя ошибка аппроксимации по концентрации СО 2 в жидкой фазе составила 13%.

Модель позволяет определить распределение абсорбированного СО 2 в пленке суспензии по высоте рабочей зоны фотобиореактора и проводить масштабирование, то есть нахождение условий, при которых возможен непосредственный переход с экспериментальной установки на промышленный аппарат.

Рециркуляция культуральной жидкости позволяет обеспечить необходимое время культивирования автоавтотрофных микроорганизмов для достижения необходимой концентрации биомассы при заданном расходе смеси углекислого газа с воздухом (газового субстрата) с минимальными энергозатратами на процесс массообмена.

В дополнительной секции 5 суспензия автотрофного микроорганизма подвергается воздействию световой энергии посредством коаксиально установленной лампы накаливания дневного света 10. В процессе освещения лампой накаливания 10 выделяется теплота, которая компенсируется подачей охлаждающего воздуха в секцию 5 через штуцер 26. Отвод охлаждающего воздуха из секции 5 осуществляется через штуцер 27.

Рисунок 5. Влияние параметров диффузионной модели на изменение концентрации CO 2 в жидкой фазе по высоте рабочей зоны фотобиореактора: —□— – влияние параметра а G : 1 – 65; 2 – 30; 3 – 10;

– влияние параметра b : 4 – 1,5; 5 – 2,0; 6 – 3,0.

Figure 5. The influence of parameters diffusion models the change in the concentration of CO2 in the liquid phase along the height of the working area of the photobioreactor: —□— – influence of parameter а G : 1 – 65; 2 – 30; 3 – 10;

– influence of parameter b: 4 – 1,5; 5 – 2,0; 6 – 3,0.

На выходе из цилиндрических трубок 6 насыщенная углекислым газом суспензия автотрофного микроорганизма поступает в секцию для вывода культуральной жидкости 4, где дополнительно насыщается газовоздушной смесью с помощью барботажного устройства 11, при этом повышается суммарный коэффициент массообмена и тем самым интенсифицируется процесс культивирования. Из секции для вывода культуральной жидкости 4 суспензия автотрофного организма выводится в качестве готовой биомассы через штуцер 25.

Предложенный аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов позволяет:

─ повысить выход готовой биомассы, поскольку предусмотрено использование рециркуляционной трубы, обеспечивающей интенсивное перемещение культуральной жидкости;