ВОПРОС №5. ТЕПЛООБМЕН В БИОРЕАКТОРАХ. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Эффективное удаление теплоты из ферментера наряду с техническими и технологическими решениями на стадии проектирования ферментеров в большей степени зависит от правильной эксплуатации аппарата.

Поэтому при рассмотрении теплового баланса аппарата особый интерес представляет момент, когда нагрузка на теплообменные устройства максимальна: при работе мешалки, микробиологическом синтезе – тепло, вносимое с аэрирующим воздухов и отводимое с охлаждающей водой, затрачиваемое на испарение жидкости и при потерях в окружающую среду.

Температура, при которой ведется культивирование, оказывает большое влияние на физиологическое состояние микроорганизмов. Прежде всего это проявляется в изменении скорости рота. Данная зависимость носит экспериментальных характер, поэтому для каждого продуцента необходима оптимальная температура выращивания. В производственных условиях ее обычно поддерживают в пределах до 1 градуса. Однако такая точность регулирования в некоторых случаях недостаточна, особенно в лабораторных исследованиях и на опытно-промышленных установках.

Обеспечение оптимальной температуры в процессе культивирования является сложной техпроблемой. На практике теплоотвод связан с большими капиталовложениями и необходимостью строительства сложных систем оборотного водоснабжения, теплообменных устройств в ферментерах, а иногда и дополнительных холодильных установок. Затраты на теплосъем соизмеримы с затратами на обеспечение клеток кислородом, поэтому они могут быть решающими при выборе конструкции ферментера.

Проблемы повышения эффективности теплоотвода обусловлены следующими причинами:

- Низкий коэффициент теплопередачи, который характеризует способность проводить тепло. Это связано с малой интенсивностью теплоотдачи со стороны микробной суспензии, а так же с образованием отложений во внутренней стороне охлаждающих элементов, которое объясняется практически ламинарным обтеканием их микробной суспензией;

- Небольшая величина движущей силы теплопереноса, то есть передача температур охлаждающей воде и микробной суспензии;

- Необходимость отводить не только тепло, выделяющееся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, но и практически все тепло, в которое превращается работа, затраченная на перемешивание;

- Инерционность теплообменных устройств, обладающих большой металлоемкостью, которая, в свою очередь, обусловлена необходимостью развития поверхности теплопередачи.

Суммарное тепловыделение в процессе культивирования определяется двумя составляющими:

- Тепловой эффект микробиологического синтеза, который может меняться в зависимости от состава питательной среды, количества биомассы и аппаратурного оформления ферментера;

- Теплота, выделяющаяся при перемешивании среды (при превращении механической энергии мешалки в тепловую), которая определяется мощностью, затрачиваемой на перемешивание.

Расчет системы регулирования температуры культивирования и теплообменных устройств невозможен без знания суммарного тепловыделения и его составляющих. В зависимости от объема тепловой нагрузки для отвода тепла используют поверхность корпуса аппарата (типовые рубашки), а также внутренние функциональные конструкции (стенки диффузора, отраженные перегородки, тарелки, вал и лопасти мешалки). Или выносные теплообменники.

Охлаждение (обогрев) ферментера снаружи в большинстве случаев осуществляется через рубашку. Основным преимуществом этого типа теплообменного устройства является освобождение внутреннего объема аппарата от конструктивных элементов, что способствует надежной герметизации рабочего объема.

В тех случаях, когда тепловыделение велико, применяют различные встроенные теплообменники. В качестве внутренних теплообменных устройств чаще всего применяют змеевики. В аппаратах до 5 м³ используется один змеевик, расположенных по центру. В аппаратах больше объема используют несколько змеевиков, расположенных по периферии и играющих роль отражательных перегородок. Очень важно в данном случае, правильно выбрать место монтажа змеевиков, чтобы интенсивность потока в этих местах была максимальная. Всегда необходимо помнить, что использование внутренних змеевиков повышает риск заражения, ухудшает гидродинамическую обстановку, уменьшает полезный объем, усложняет промывку, стерилизацию и ремонт.

Другой тип внутреннего теплообменника – вертикальные трубчатые отражательные перегородки, размещенные радиально вблизи стенок аппарата. По сравнению со змеевиками они имеют большее количество сварных швов и поэтому более трудоемки и недостаточно надежны в эксплуатации.

Конструкция внутренних теплообменных устройств должны отвечать следующим требованиям:

- Доступность и простота осмотра, стерилизации и чистки;

- Отсутствие вибрации путем жесткого крепления к стенке аппарата.

Расположение теплообменников, особенно нескольких, внутри реактора ухудшает условия перемешивания и теплообмена в объеме.

Наилучшим решением проблемы является использование выносных теплообменников (кожухотрубные, пластинчатые и т.д.), располагаемых на внешних циркуляционных трубах, если такие имеются.

В конечном итоге, при расчете необходимо определить нагрузку на теплообменное устройство аппарата из уравнения теплового баланса и оценить возможность теплообменного устройства (змеевика, рубашки) отводить избыток выделяющегося тепла.

[1] СПЗ – сантипуаз. 1 Па×с = 1000 спз