ВОПРОС №2. МАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИОРЕАКТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Для биореакторного оборудования необходимо знать значения следующих массообменных характеристик:

- Скорость переноса кислорода;

- Объемный коэффициент массопередачи;

- Поверхностный коэффициент массопередачи;

- Удельный расход воздуха;

- Концентрация биомассы (АСВ);

- Коэффициент заполнения;

- Удельный расход энергии.

Скорость переноса кислорода (кг/м³·ч)

В идеальном варианте скорость переноса кислорода должна измеряться непосредственно в биологическом реакторе, содержащем как питательную среду, так и изучаемую популяцию клеток. Такой эксперимент, однако, возможен только при соблюдении всех требований, предъявляемых к работе со средой и посевным материалом, и всех предосторожностей, необходимых для предотвращения случайного заражения и загрязнения среды и культуры; поэтому для изучения эффектов массообмена такой подход слишком сложен и трудоемок. В связи с этим скорость переноса кислорода обычно изучают на синтетических системах, не содержащих живых организмов. Свойства таких систем должны примерно соответствовать свойствам системы в биологическом реакторе. Основной целью этих экспериментов является выяснение зависимости k_la от гидродинамики системы.

Для того чтобы синтетическая среда достаточно точно соответствовала изучаемой культуре клеток , необходимо, чтобы у них были идентичны:

1. Вязкость и другие реологические характеристики;

2. Сопротивление массообмену на границе раздела «газ – жидкость»;

3. Коалесценция пузырьков;

4. Растворимость кислорода и его коэффициент диффузии.

В общем случае пригодность синтетической (бесклеточной) системы для изучения и приближенного описания биологического процесса зависит от степени выполнения указанных условий. Эксперименты по изучению поглощения кислорода чистой водой, например, не удовлетворяют практически ни одному из этих условий.

Объемный коэффициент массопередачи (ч^-1) и поверхностный коэффициент массопередачи (м/с)

Следует отметить, что действительная поверхность контакта фаз известна довольно редко. Так, в барботажных колоннах поверхность контакта зависит от режима движения фаз и практически не может быть определена. Даже в аппаратах с фиксированной поверхностью контакта (насадочные) действительная поверхность контакта, активная для массопередачи, не совпадает с геометрической поверхностью насадки. Поэтому на практике часто пользуются условными коэффициентами массопередачи, отнесенными , например, к единице рабочего объема аппарата (объемный коэффициент массопередачи). Объемный коэффициент массопередачи является основным кинетическим критерием оценки аэрационных систем, который суммарно учитывает влияние гидродинамической обстановки процесса и физико-химических свойств жидкости и газа.

Где С_р – равновесная концентрация кислорода в воде; С_t1 и С_t2 – концентрация кислорода в воде в момент времени t₁ и t₂.

Связь между объемным (КА) и поверхностным (К) коэффициентами массопередачи выражается уравнением:

Где а – удельная поверхность контакта фаз, то есть поверхность, приходящаяся на единицу рабочего объема аппарата. Аналогично можно найти и объемные коэффициенты массоотдачи b, умножив на «а» соответствующих поверхностных коэффициентов.

Объемный коэффициент массопередачи зависит от размера пузырьков и скорости их всплывания. С одной стороны, с уменьшением диаметра пузырька площадь межфазового контакта увеличивается, что должно вести к увеличению объемного коэффициента массопередачи. Однако с уменьшением диаметра пузырька уменьшается скорость его подъема, что приводит к замедлению процесса обновления поверхности пузырька, а следовательно, и к замедлению процесса диффузии. Поэтому объемный коэффициент массопередачи достигает своего максимального значения при пузырьке воздуха диаметром 0,22 – 0,25 см, являющимся наиболее благоприятным с точки зрения как площади диффузии, так и скорости обновления поверхности пузырька. При уменьшении диаметра пузырька воздуха менее 0,2 см, несмотря на увеличение площади диффузии, значение объемного коэффициента массопередачи резко падает.

Удельный расход воздуха (м³/кг×ч)

Объемный расход – в гидравлике объём жидкости или газа, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени. В случае биологического процесса с аэрацией, объемный расход воздуха – это объем воздуха, поступающего в биореактор в единицу времени.

Удельный расход воздуха – это объем воздуха, поступающий в биореактор в единицу времени и отнесенный к единице массы культуральной жидкости. Иными словами удельный расход указывает на количество воздуха, а с ним и кислорода, растворяемое в культуральной жидкости:

Где V – объем воздуха, поступающего в биореактор; t – время аэрации; m – масса культуральной жидкости.