Создание мембранных аппаратов трубчатого типа при исследовании процессов в биореакторах

Подавляющее большинство выпускаемых на сегодняшний день мембран и установок признаны решать широкий перечень технологических задач. Однако, интенсификация процессов микро- и ультрафильтрации за счет создания гидродинамических неустойчивостей на межфазной границе «мембрана– продукт» ограничена конструктивными особенностями мембранной системы и комплексом свойств различной природы обрабатываемых растворов.

Более того, в существующих мембранных аппаратах заложены те или иные способы борьбы с концентрационной поляризацией, имеющие постоянный характер воздействия на примембранный слой (ограниченные возможности по интенсификации). Например, спейсеры, которые неподвижно установлены в мембранном канале.

Конструктивные особенности некоторых мембран, например, керамических многоканальных, половолоконных, физически не позволяют размещать внутри них технические средства, направленные на интенсификацию гидродинамических условий.

Поэтому, приходится прибегать к таким методам интенсификации, которые бы позволили воздействовать на примембранный слой, приводя к его удалению с поверхности мембраны.

Концентрационная поляризация приводит к загрязнению мембран. Но этим далеко не исчерпывается ее отрицательная роль в мембранных процессах. Именно она определяет сопротивление массообмену со стороны разделяемого продукта. Из-за повышения концентрации у мембранной поверхности снижается ее селективность и удельная производительность. Поскольку отношение концентраций растворенных веществ у поверхности мембраны и в объеме продукта экспоненциально возрастает с увеличением удельной производительности, то концентрационная поляризация может явиться фактором, лимитирующим проницаемость мембран в процессах мембранного разделения. И усилия, направленные на создание новых высокопроизводительных мембранных аппаратов, могут оказаться напрасными, если одновременно не развивать способы ее эффективного снижения [1].

Рассмотрим физическую картину протекающих явлений в плоском мембранном канале с известными геометрическими размерами (рисуно к 1) .

Рисунок 1. Физическая модель процесса микрофильтрации

Figure 1. Physical model of the microfiltration process

Участок 1 . В рассматриваемом интервале профиля концентраций преобладают составные части потоков исходного раствора и пермеата, протекающих вдоль поверхности мембраны. Для приближенной оценки массопереноса можно принять допущение о неизменности физикохимических свойств компонентов исходного раствора и пермеата.

Участок 2 представляет собой пограничный слой толщиной δ сл , характеризующийся градиентом концентрации D (d с 2 /d y ), давления Δ P , скорости в направлении перпендикулярном к поверхности мембраны. В толще пограничного слоя растворенное вещество переносится к поверхности мембраны основным потоком Gс 3 , одна часть его за счет молекулярной диффузии переносится в противоположном направлении, другая часть – через мембрану с возможной адсорбцией на ее поверхности.

Участок 3 . В рассматриваемом участке могут одновременно протекать диффузионные и адсорбционные процессы, как на поверхности мембраны, так и внутри нее.

Участок 4 представляет собой мембрану, с различными слоями в зависимости от материала и способа ее изготовления. Процессы массопере-носа осуществляются, главным образом за счет диффузии и конвекции. Наличие различных слоев, составляющих мембрану, их количество и свойства будут влиять на величину общего гидравлического сопротивления мембраны и, соответственно, на проницаемость и селективность.

Слой на поверхности мембраны, состоящий преимущественно из растворенных молекул, в процессе микрофильтрации постепенно увеличивается, концентрация растворенного вещества в примембранных границах также растет и достигает максимума у поверхности мембраны. Формируется пограничный слой, в котором образуется диффузионный поток - D ( de 2 / dy ) в направлении противоположном основному разделяемому потоку Gс 3 .

Равновесное состояние в этом случае будет достигнуто при условии:

Для трубчатого мембранного канала число Шервуда при ламинарном режиме движения

- D— + Gc₃ = Gc₅          (1)

d y  ³⁵

Уравнение (1) представляет собой уравнение материального баланса

Введем граничные условия:

Sh = 1,62 ( Re ■ Sc ■ h_K IL ) ^0,33        (7)

при турбулентном режиме

Sh = 0,44Re^0,75 ■ Sc^0,33           (8)

у = 0    >  с 3 = с 4 ;

У = <³. ^ с з = с г             ⁽²⁾

Преобразуем уравнения (7) и (8) с учетом (6) для ламинарного режима:

После преобразования уравнения (1) с учетом граничных условий (2) получим:

kм

0,33

1,62 D [ Re ■^& )

_dк 0,67

L

.

или

ln ^{c 4}

- ^С 5

^С 1 - ^С 5

G 5 _Cл

D

c ₄

c ₁

- ^С 5

- ^С 5

для турбулентного режима:

0,04 D Re^0,75Sc^0,33

км =------------------, hк

Отношение D / δ сл = k м представляет собой коэффициент массопереноса, с учетом которого:

c ₄

- ^С 5

c ₁

- ^С 5

= exp

( G

V ^kM

где Re = h кv /η – число Рейнольдса, v – скорость потока исходного раствора, м/с; η – кинематическая вязкость исходного раствора, м²/с; Sc – число Шмидта.

Уравнения (7) и (8) для плоского мембранного канала после аналогичных преобразований для ламинарного режима:

Анализируя равенство можно показать, что при увеличении отношения концентраций (с 4 – с 5 )/(с 1 – с 5 ) коэффициент массопереноса k м уменьшается, вследствие роста толщины пограничного слоя. Основными параметрами, значительно влияющими на процесс микрофильтрации, являются величины расхода G исходного раствора, коэффициента массопереноса k м , с уменьшением которого снижается и G .

Поскольку в процессе микрофильтрации значения коэффициента диффузии D очень малы, а величины расходов исходного раствора Gс 3 и Gс 5 относительно велики, то явление концентрационной поляризации имеет решающую роль в ходе процесса разделения и накладывает ограничения на конструкции применяемых мембранных аппаратов, требует специальных условий организации режима движения разделяемых растворов вдоль мембранной поверхности [2].

Для того чтобы оценить, насколько существенным является организация гидродинамических режимов течения потока исходного раствора, приведем критериальные уравнения, связывающие параметры процесса микрофильтрации и геометрию применяемой конструкции мембранного модуля.

Число Шервуда

Sh = к м • h к (6)

_ 1,85D ( Re ■ Sc V,33 км = ,0,67 I " I hk   V L У для турбулентного режима:

0,04 D Re^0,75Sc^0,33

kM =---------------- hк

.

.

где h к – геометрическая высота мембранного канала, м.

Как видно из представленных зависимостей (9)–(12), возможностей для увеличения коэффициента массопереноса в процессе микрофильтрации достаточно в рамках решаемой задачи.

Решающую роль на ход процесса микрофильтрации играют режим движения исходного раствора, физико-химические свойства, геометрия мембранного канала. Известно, что коэффициент диффузии можно существенно увеличить за счет повышения температуры разделяемого раствора, что не всегда технологически возможно, а в некоторых случаях – недопустимо, поэтому наиболее перспективными вариантами увеличения коэффициента массопереноса выступают вышеназванные параметры.

При грамотном подходе к организации мембранных процессов в биореакторах с использованием пульсационного поля, обеспечивается эффективное воздействие гидродинамических параметров, изменяющихся во времени, на слой высокой концентрации, который за счет создаваемого насосного эффекта, не достигает устойчивого равновесия с мембраной и, поэтому легко может удален. Особенно актуальным является использование данного способа интенсификации в мембранных процессах,

связанных с обработкой жидкостей микробиологического происхождения, содержащих микроорганизмы, подверженных инактивации, например, культуральных жидкостей.

Исследована проницаемость мембран с размерами пор 5,0 и 0,40 мкм при наложении пульсационного поля со следующими характеристиками: частота 0,002 Гц; периодичность 3–5 c; амплитуда 0,1–0,25 МПа; величина тангенциальной скорости 2,0–3,0 м/с. При наложении пульсационного поля проницаемость мембран увеличивается в 1,5–2,5 раза по сравнению с отсутствием каких-либо мероприятий по интенсификации (рисунок 2) .

Анализ влияния концентрации дрожжевых клеток на проницаемость выбранных керамических мембран (рисунок 3) показал условия проявления сопутствующего процесса – закупорки пор, которая была незначительной.

Концептуальный подход заключается в необходимости разработок мембранных аппаратов с таким расчетом, чтобы они уже содержали технические средства и приемы по вариативной интенсификации гидродинамики в мембранном канале. Большинство же научных изысканий направлены на интенсификацию мембранного процесса в уже имеющейся или эксплуатирующейся технике. Уровень интенсификации, в этом случае, сильно ограничен.

Необходимо подчеркнуть создание мембран сложных геометрических форм (рисунок 4, а), в виде трубок большого диаметра (рисуно к 4 б, в), позволяющих размещать в них движущиеся многообразные турбулизирующие устройства для создания гидродинамических неустойчивостей различной интенсивности. Мембраны должны иметь возможность перемещаться и/или вращаться относительно друг друга, создавая сочетанием своих геометрических форм каналы переменного сечения. В этом случае, появляется достаточно возможностей для создания гидродинамических неустойчивостей различной интенсивности. Причем уровень накладываемой интенсивности имеет возможность регулирования в достаточно широких пределах. Сочетание различных геометрических форм технических средств, размещаемых в мембранном канале, их динамических характеристик, алгоритмов движения, с гидродинамическими параметрами разделяемого потока создают условия для концептуального подхода к созданию мембранных аппаратов с низким уровнем концентрационной поляризации [5–10].

Все это в итоге позволит создавать более универсальные мембранные аппараты для решения различных технологических задач в пищевой промышленности.

Рисунок 2. Зависимость удельной скорости микрофильтрации пива на керамических мембранах с различным размером пор при наложении пульсаций: 1 – 0,40 мкм; Δ Р b = 0,25 МПа; τ 1 = 3 с; Т = 600 с; 2 – 5,0 мкм; Δ Р b = 0,10 МПа; τ 1 = 5 с; Т = 600 с

Figure 2.Dependence of beer microfiltration specific rate on ceramic membranes with various pore size upon application of pulsations: 1 – 0.40 microns; Δ P b = 0.25 МРа; τ 1 = 3; T = 600 seconds; 2 – 5.0 microns; Δ P b = 0.10 МРа; τ 1 = 5; T = 600 s.

Рисунок 3. Зависимость удельной скорости микрофильтрации пива на керамических мембранах с различным размером пор от концентрации дрожжевых клеток в фильтруемом пиве: 1 – 0,40; 2 – 5,0 мкм

Figure 3. The dependence of the specific rate of beer on ceramic microfiltration membranes with a pore size different from the yeast cell concentration in the filtered beer: 1 – 0.40; 2 – 5.0 microns.

Следует отметить, что в последние годы значительное внимание уделяется разработке пульсационных режимов разрушения или разрыхления поляризационного слоя. Этот, эффект достигается возвратно-поступательным движением концентрата, периодической регенерацией мембраны тангенциальным пульсирующим потоком фильтрата или более труднореализуемым техническим приемом – обратной прокачкой. Эффективность пульсационных режимов обычно повышается с ростом частоты пульсаций. К высокочастотным пульсационным режимам можно отнести интенсификацию массопереноса ультразвуковыми или механическими колебаниями. Техническая реализация пульсационных режимов осуществляется периодическим перекрытием линии фильтрата, в результате чего происходит выравнивание давления по обе стороны мембраны, или переключением давления на линию фильтрата, обеспечивающих обратную прокачку. Разрушение и разрыхление слоя осадка достигается также возвратно-поступательным движением концентрата с помощью изменения направления его потока или введением в линию концентрата подвижных элементов, обеспечивающих модуляцию рабочего давления.

(a)

(b)

Гкмчш                                       Ikprran ftrnEDte                                                  PPTfTHltP

(c)

Рисунок 4. Концептуальный подход к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей: (a) – за счет создания мембран сложных геометрических форм, перемещающихся относительно друг друга; (b) – в виде пористых трубок большого диаметра; (c) – с техническими средствами для создания гидродинамических неустойчивостей различной интенсивности

Figure 4. Conceptual approach to the intensification of the processes of micro- and ultrafiltration process liquids: (a) – by creating a membrane complex geometric shapes that move relative to each other; (b) – in the form of porous tubes of large diameter; (c) – with the technical means for creating hydrodynamic instabilities of varying intensity

Заключение

Физические методы регенерации, например, воздействие на мембрану магнитного и электрического полей, ультразвуковых колебаний не нашли массового применения в мембранной технике. Несмотря на очевидные преимущества физических методов воздействия