Пневматическое перемешивание сжатым газом

Является малоинтенсивным процессом, хотя расход энергии сопоставим с механическим перемешиванием. Аппараты такого типа снабжены газораспределительными устройствами – барботерами, которые устанавливают в нижней части аппарата.

Основными требованиями к барботерам являются равномерность насыщения жидкости пузырьками воздуха и образование пузырей малого размера. Размер единичных пузырей, выходящих из отверстий при низкой скорости, определяется из уравнения, выражающего равенство подъемной силы пузырька и силы, удерживающей его в отверстии:

Где V_н – объем пузырька; r – радиус пузырька; R – радиус отверстия барботера; Dr - разница плотностей жидкости и газа; s - поверхностное натяжение жидкости.

Из этого равенства можно установить соотношение между объемом пузырька и диаметром отверстия в барботере:

При малой скорости подачи газа образуются пузыри сферической формы, которые с увеличением скорости деформируются. При высоких скоростях подачи газа возникает струйное течение пузырей.

Важным параметром является скорость подъема пузырьков (определяющая время контакта фаз), которая зависит от ряда параметров среды и размеров пузырька. Кроме того, необходимо учитывать увеличение объема пузырька по мере всплытия за счет уменьшения гидростатического давления. Пузырьки воздуха в барботажных ферментерах обычно имеют диаметр от 1,5 до 10 мм. Скорость их подъема колеблется от 20 до 30 см/с, если не наблюдается коалесценция пузырьков в процессе аэрации, а также больших различий в их размерах.

Всплывающие пузыри заставляют жидкость перемещаться, тем самым перемешивая ее и проделывая определенную работу, которая может быть оценена по уравнению Бернулли. Энергия, затрачиваемая на микросмешение, реализуется в дроблении пузырей воздуха и клеточных агломератов, увеличивая удельную поверхность контакта фаз и объемный коэффициент массопередачи.

Для интенсификации тепло- и массообмена барботажные аппараты снабжаются дополнительными устройствами – диффузорами – и различными контактными элементами. Диффузоры обеспечивают возможность циркуляции жидкости в аппарате. Например, схема классического ферментера, работающего по системе Лефрансуа, где применен эрлифтный принцип аэрации и перемешивания среды, который широко используется в производстве кормовых дрожжей и гидролизатов древесины.

Предложено большое количество разнообразных конструкций барботажно-эрлифтных ферментеров, основные отличия которых заключаются в форме трубы диффузора, количестве диффузоров, устройстве воздухораспределителей, в сочетании диффузора и теплообменника и др.

Существенной модернизацией барботажных аппаратов явилось создание различных видов колонных ферментеров, снабженных всевозможными контактными устройствами и внешними циркуляционными контурами.

Контактные устройства предназначены для увеличения поверхности контакта между жидкой и газовой фазами, которое осуществляется следующим образом:

- Дополнительным диспергированием газа;

- Разделением жидкой фазы на слои (секционированием) для увеличения числа ступеней контакта фаз при их направленном движении;

- Увеличение времени пребывания пузырьков газа в жидкости;

- Созданием локальных зон с повышенным давлением.

Секционирование аппарата на высоте осуществляют различного типа тарелки – с организованным переливом (колпачковые, клапанные, ситчатые) и провального типа (дырчатые, решетчатые, щелевые). Газ в каждой секции барботирует через небольшой слой жидкости, при этом поверхность контакта фаз обновляется на каждой тарелке, что увеличивает скорость растворения кислорода.

При необходимости обеспечения циркуляции жидкости колонный ферментер соединяют с циркуляционной трубой, по которой движется нисходящий поток. Циркуляция осуществляется за счет разности плотностей жидкости и газо-жидкостной эмульсии. Колонны соединяются сверху камерой, в которой создается большая поверхность, способствующая хорошему сепарированию газа и пеногашению.

При конструировании газлифтных колонных аппаратов большое значение имеет выбор отношения площади сечения аэрированной и неаэрированной зон. Оптимальной величиной является 1,0 – 1,5, а высота барботажной колонны – 15 – 20 метров, выше которой циркуляция не увеличивается из-за значительно возрастающих гидравлических потерь на преодоление сил трения.

Важное значение в конструкции эрлифтных колонных ферментеров имеет принцип организации отбора газовой фазы (G) и культуральной жидкости (L) из аппаратов, определяющий во многом эффективность их работы.