автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности массопередачи и моделирование ферментационных аппаратов

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОД На правах рукописи

ШАРИФУЛЛИН Вилен Насибович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАССОПЕРЕДАЧИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ

05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

КАЗАНЬ - 1994

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете на кафедре химической кибернетики.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор О. В. Мамино в

доктор технических наук, профессор И. а Дорохов

доктор технических наук, профессор А. Ю. Винаров

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт биологической техники ВНИИЕиотехника, г. Москва

Защита диссертации состоится _ 1994 г. в _часов на заседании диссертационного Совета Д 063.37.02 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015,. г. Казань, ул. К. Маркса, 68 (зал заседаний Ученого Совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан _ 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,доцент

Л. Г. Ветошкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Биотехнология относится к приоритетным направлениям науки и техники. В ней видят одно из средств преодоления продовольственных, энергетических, сырьевых и экологических .проблем. Основным процессом био-гехнологического производства является процесс ферментации. Он определяет экономику производства в целом. В работе рассматриваются аэробные процессы ферментации. Они относятся к гетерогенным биохимическим процессам, в которых потребность в одном из компонентов биосинтеза -кислороде покрывается за счет его массопередачи из газовой фазы. В некоторых процессах ферментации используются газообразные субстраты, з результате чего эти процессы протекают при одновременной абсорбции двух газоз. Ввиду низкой растворимости используемых газов и высокой скорости их потребления протекание процессов аэробной ферментации связано со значительными затратами энергии. Кроме того, применяемые ферментационные аппараты, в особенности большого масштаба, характеризуются значительной неоднородностью протекания процесса в рабочем объеме, что приводит к повышению удельных капитальных и энергетических гатраг. В структуре себестоимости многих биотехнологических продуктов эти затраты занимают значительный удельный вес. В связи с этим, исследования, направленные на интенсификацию массопередачи кислорода, снижение удельных энергетических и капитальных затрат, более эффективное использование энергии и рабочего обьема ферментационных аппаратов, имеют актуальное значение.

В последние годы интенсификации процессов ферментации и массопередачи кислорода в них уделяется значительное внимание. Наряду с такими традиционными способами интенсификации массопередачи, как повышение давления, увеличение содержания кислорода в исходном газе, интенсивное перемешивание среды и т. д. , появились новые, такие, как,например, применение переносчиков кислорода. Шире используется метод математического моделирования. Однако решение задачи снижения удельных энергетических затрат сдерживается отсутствием теоретических обобщений, учитывающих, с одной стороны, сложность процесса и особенности массопередачи в нем,

а с другой стороны,характер подвода энергии и газа к рабочему объему.

В частности, недостаточно решены некоторые теоретические вопросы массопередачи в процессах ферментации: 1) не проанализировано влияние кинетики ферментации на скорость массопередачи кислорода, 2) отсутствуют рекомендации по выбору ПАВ, интенсифицирующих массопередачу кислорода в процессе ферментации, 3) не изучено влияние структур! энергии среды на массопередачу газовых компонентов, 4) отсутствуют рекомендации по схемам газового питания аппарата, 5) нет анализг особенностей массопередачи при использовании двух газов, 6) не достаточно разработана методика учета неоднородностей процесса . I рабочем объеме аппарата, 7) не изучены особенности переходного процесса при воздействиях по каналу массопередачи.

Целью работы явилось теоретическое обобщение и развитие научньи основ методов интенсификации массопередачи в процессе ферментации, эффективного использования потребляемой энергии и рабочего объема ферме* тационных аппаратов. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи исследования:

1. Анализ влияния ферментации на кинетику массопередачи кислорода

2. Исследование массопередачи кислорода в культуральную среду в отсутствие и присутствии поверхностно-активных веществ ПАК

3. Анализ структуры энергозатрат на массопередачу кислорода и перемешивание среды в аппаратах с циркуляцией потоков.

4. Оптимизация схем газообеспечения ферментационного аппарата при использовании как одного, так и двух газовых потоков.

5. Разработка методов расчета ферментационных аппаратов с учетом неоднородностей протекания процесса в их рабочих объемах.

6. Исследование устойчивости стационарных режимов и переходных процессов при воздействиях по каналу массопередачи.

Поставленные задачи и методы их решения актуальны не только для процессов аэробной ферментации, но и таких процессов, как абсорбция и хемосорбция, имеющих сходства по вопросам массопередачи.

Исследования, проведенные в работе, соответствуют 1) целевой комплексной программе МинБУЗа РСФСР "Интеграция биологических систем" на период 1978-1990г.г., 2) общесоюзной программе АН СССР на 19781990 г. г. "Микробиологический синтез и научная основа микробиологического получения практически ценных продуктов" (Постановление Президиума АН СССР N262-1200 от 24.01.79 г.), 3) целевой комплексной прогр-

1мме ГКНГ 041.01.07(Постановление N9/10 от 27.01.81г.) " Разработка к 1недрение автоматизированных технологических процессов и оборудования ювышенной единичной мощности для производства на основе микробиологи-юского синтеза кормовых белковых веществ,а также аминокислот и других [родуктов для кормовых и медицинских целей", 4) комплексной программе гаучно-технического прогресса СЭВ - пятое приоритетное направление КП ТГП СЭВ 5 "Ускоренное развитие биотехнологии" по проблеме "Разработка (ерментационного оборудования".

Заучная новизна работы

В результате выполненной работы решены следующие задачи.

1. Проведен анализ влияния кинетики ферментации на скорость абсорбции кислорода, получена формула расчета коэффициента ускорения массопередачи.

2. Разработана гипотеза механизма влияния ПАВ на массопередачу кислорода, разработано математическое описание процесса.

3. Установлены условия, при которых ПАВ интенсифицируют массопередачу кислорода. Получена формула " учета влияния ПАВ на массопередачу кислорода

4. Рассмотрено влияние неравномерности скорости диссипации энергии в объеме аппарата на массопередачу . Получена формула учета этого явления.

5. На примере барботажно-эрлифтного аппарата исследована связь циркуляции среды и .массопередачи кислорода. -Предложена формула учета распределения подводимой мощности между затратами на циркуляцию и турбулизацию среды на скорость массопередачи кислорода.

6. Получено условие оптимального распределения газового питания.

7. Проведен анализ двухгазовой хемо- или биосорбции. Получено условие оптимального газового питания для этих процессов.

8. Проведен анализ неоднородности протекания процесса ферментации в рабочем обьеме. Выделены типовые модули структуры газожидкостной системы, составлено их математическое описание.

9. Разработано математическое описание ферментационного аппарата с учетом пространственной неоднородности протекания процесса

10. Исследована динамика процесса аэробной ферментации при воздействиях по каналу массопередачи. Получено условие устойчивости технологического режима.

фактическая ценность работы

1. Сформулированы требования к ПАВ, интенсифицирующим массопередачи кислорода в процессе ферментации.

2. Предложены формулы расчета коэффициента ускорения массопередачи кислорода в присутствии ПАЕ

3. Установлены режимы, при которых проявляется интенсифицирующе влияние ПАК Их внедрение в производстве лизина на Ливанское биохимическом заводе позволило получить экономический эффект 641 тыс. руб в год (25"г.].

4. Разработан способ интенсификации массопередачи в барботажно-эрлифтных ферментационных аппаратах, предложены расчетные формулы.

5. Разработана схема распределения газового питания струйно-зжек-ционного- ферментационного аппарата, внедренная на Светлоярском биохимзаводе.

6. Разработаны циклический способ массопередачи и конструкции ферментационных аппаратов при использовании двух реагирующих газов.

7. Разработаны схемы распределения газового питания хемосорбционных аппаратов очистки сернисто-щелочных стоков и кислых газов от сернистых соединений. Годовой эффект составил 141 тыс. рублей

8. Разработаны моделирующие системы ферментационных аппаратов барботажно-эрлифггного, струйного и с перемешивающими устройствами типов,

» ' 9. По результатам моделирования разработаны технические предложения по совершенствованию конструкций и газообеспечения рассмотренных аппаратов.

Апробация работы

Результаты работы обсуждались на итоговых конференциях КХТИ им. С. М. Кирова (1974-1991гг.), научных семинарах кафедры кибернетики .химико-технологических процессов МХТИ им. Д. И. Менделеева (1987.1990гг.), Всесоюзных конференциях по оборудованию микробиологических производств (г. Грозный, 1986 г., г. Иркутск, 1988 г., г. Грозный, 1989 г.), Всесоюзных конференциях по математическим методам в химии (г. Грозный, 1985 г. ,г. Казань, 1991 г.),Всесоюзных конференциях,по мето-

- б -

ам кибернетики в химии и химической технологии (г. Баку, 1987г., г. Казань, 989 г.). Всесоюзной конференции " Химгехника-4" (г.Чимкент, 1988 г.), сесоюзной конференции по очистке сернистых соединений (г.Казань, 989г.),на рабочих совещаниях и конференциях института ЕНИИСинтезбелок г. Москва,1986-1989 гг.), Всесоюзной конференции по молекулярной сорб-Ш биологически активных веществ (г. Пенза, 1990 г).

1убликации

По теме диссертации опубликовано 50 научных работ и получено 4 авторских свидетельства.

Эбьем работы

Диссертационная работа изложена на 257 страницах машинописного текста, иллюстрирована 62 рисунками, 9 таблицами. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектом исследования в данной работе являются процессы массопере-дачи в ферментационных аппаратах. Методической основой решения задач повышения эффективности массопередачи и моделирования ферментационных аппаратов могут служить методы системного и эволюционного анализов,-в соответствии с которыми процесс аэробной ферментации будет рассматриваться как совокупность явлений с разными временами релаксации. К группе микрокинетики отнесены явления,протекающие на уровне пузыря и локального обьема аппарата, а макрокинэтики - явления в масштабе аппарата. Анализ и исследования определенных явлений позволили установить наиболее эффективные способы интенсификации массопередачи.

Микрокинетика массопередачи в процессе аэробной ферментации в отличие от обычной абсорбции осложнена протеканием биопроцесса. Поэтому первый этап работы посвящен оценке его влияния на кинетику массопередачи кислорода.

Из эффектов первой группы наибольший интерес представляет интенсификация массопередачи с помощью поверхностно-активных веществ, поско-

дьку это связано со снижением удельньгх энергозатрат на протекание процесса, Поэтому второй этап работы посвящен анализу механизма и определению условий,обеспечивающих интенсификацию массопередачи кислорода в процессах аэробной ферментации в присутствии ПАЕ

Вторая часть работы посвящена исследованию явлений макрокинетики, которые определяются влиянием трех основных факторов - конструкцией аппарата, характерами подвода энергии и газа. На третьем этапе работы исследуются явления, связанные с характером подвода энергии,на основании чего определяются пути повышения эффективности использования энергии.

Характер подвода газа играет существенную роль в повышении эффективности массопередачи. Особое значение приобретает этот фактор при использовании нескольких газовых потоков. Поэтому на четвертом этапе работы проведен анализ условий и конструкций,обеспечивающих оптимальную систему газообеспечения аппарата

Совместное влияние трех факторов макрокинетики приводит к формированию в некоторых ферментационных аппаратах пространственной неоднородности протекания процесса Математическое моделирование аппаратов с учетом этого явления позволило выработать рекомендации по повышению эффективности - использования их рабочих обьемов. Этому посвящен пятый этап исследования.

Важное значение в задачах интенсификации играют переходные процессы. Поэтому на шестом этапе исследования проведено математическое моделирование переходных режимов ферментационного аппарата при воздействиях по каналу массопередачи, определены условия устойчивой его работы при интенсификации массопередачи.

1.1 Влияние ферментации на кинетику массопередачи.

Ыассопередача газовых компонентов (кислорода, метана, водорода, двуокиси углерода и т. д.) в процессах ферментации - это гетерогенный биохимический процесс. С массопередачей связаны основные затраты энергии ферментационного аппарата Для решения задач повышения эффективности майсопередачи, снижения затрат энергии, а также моделирования ферментационных аппаратов необходимо установить область протекания гетерогенного процесса. Характер влияния ферментации на кинетику массопередачи зависит от того, протекает процесс в диффузионном пограничном слое или объеме жидкой фазы. Во второй главе работы на примере абсорбции

мслорода анализируется процесс в диффузионном слое, в котором молеку-¡ярный перенос сопровождается биохимическими реакциями.

с1С .

л г

г = о ; с = с л с = сь

где С - концентрация растворенного Iкислорода;•Ъ - поперечная координата диффузионного слоя; Б - коэффициент молекулярной диффузии; м - удельная скорость роста; X - концентрация биомассы; Ы.^ - стехиометрический коэффициент; 5"- толщина диффузионного слоя; С0,СЦ- концентрации растворенного кислорода на границах диффузионного слоя.

Увеличение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе за счет протекания биохимических реакций учитывается коэффициентом ускорения

Кф =

где К <50 - коэффициент массоотдачи в процессе ферментации; К^ -коэффициент массоотдачи физической абсорбции.

Получено аналитическое решение для случая максимальной удельной скорости роста биомассы.

зе* = 1 +

¿к? Гс0-с£)

Проведенный эксперимент и анализ полученного выражения показывают, что увеличение коэффициента массоотдачи существенно при очень интенсивных технологических режимах ( Х>=100 кг/м ). В практически реализуемых в настоящее время технологических режимах это увеличение незначительно и км при проведении инженерных расчетов можно пренебречь. Протекание биохимических реакций в этом случае не приводит к снижению сопротивления диффузионного слоя, поэтому для расчета коэффициента

массоотдачи в процессе ферментации молно использовать соответствующие формулы физической абсорбции.

1. 2 Интенсификация массопередачи кислорода в процессе ферментации с помощью ПАЕ

Из физико-химических способов интенсификации массопередачи применение ПАВ представляет особый интерес, поскольку оно ке связано с дополнительными затратами энергии. Добавки поверхностно-активных веществ влияют на массопередачу в системе газ-жидкость по-разному - в одних случаях массопередача ускоряется, а в других-снижается. Механизм этого явления сложен и еще недостаточно изучен. Так, результаты воздействия некоторых ПАВ на массопередачу кислорода не могут быть объяснены традиционным механизмом. Адсорбция ПАВ на границе контакта фаз сопровождается, по-видимому, совокупностью эффектов и явлений, причем явления, несущественные в одних случаях, могут оказаться существенными в других. По нашему предположению,для массопередачи кислорода наиболее важными являются адгезионные и абсорбционные свойства ПАЕ Данная часть работы посвящена исследованию влияния ПАВ на массопередачу кислорода в водную среду, опоеделению условий интенсификации процесса и разработке метода расчета аппарата с учетом влияния ПАЕ Подбор ПАВ для исследования проводился с учетом применения их для биоо.истем и предполагаемого механизма их воздействия на массопередачу. Исследование проведено в 3 этапа -1) на уровне единичного пузыря, 2) на уровне малого объема - однородной зоны, 3) в масштабах промышленного аппарата.

Первый этап исследования проведен на автоматизированной лабораторной установке Института технической химии Ганноверского университета (ФРГ). Задача этапа заключалась в исследовании влияния ПАВ на массопередачу кислорода из единичного пузыря в отсутствие побочных факторов. Методика эксперимента сгодилась к фиксации газового пузыря в определенном положении стеклянной конической трубки с помощью потока и определению концентрационных полей растворенного кислорода в окрестностях пузыря в отсутствие и присутствии ПАВ разной концентрации. Для измерения концентрации растворенного кислорода использовался оптический метод флюоресценции, в качестве флюорофора служил трис-1,10-фенантролин-рутений 2-хлорид; изменяющий под влиянием растворенного кислорода интенсивность своего сигнала флюоресценции. Датчиком служил оптический зонд диаметром 0.6 мм, сигнал с которого подавался на преобразователь и ЭВМ.

Для исследования выбраны следующие ПАВ - ЛСН (лаурилсульфат натрия), фоксанол (оксиэтилированный полипропиленгликоль) и кремнийсодержащее ТАБ. Интенсификация массопередачи кислорода наблщалась при использовании проксанола и кремнийсодержащего ПАК Ниже на рисунках приведены результаты измерений концентраций растворенного кислорода непосредственно под кислородным пузырем, а также рассчитанные по ним скорости массопередачи кислорода в водную среду, содержащую проксанол.

Рис. 1 Изменение концентрации растворенного кислорода в вихревом следе кислородного пузыря ¿=6. 25мм в отсутствие ПАВ (1) и в присутствии проксанола с концентрациями 0.005г/л (2) и 0.01г/л (3) Рис. 2 Изменение скорости массопередачи кислорода в водную среду при тех же условиях

Полученное ускорение массопередачи нельзя объяснить традиционным механизмом воздействия ПАЕ На основании анализа результатов исследований предложен следующий механизм влияния некоторой группы ПАВ на массо-передачу кислорода, действующий в определенном диапазоне гидродинамических условий вокруг- пузыря. ПАВ с высокими адгезионными свойствами (низкие коэффициенты поверхностной активности) при адсорбции на поверхности пузыря смываются гидродинамическими силами в его кормовую зону, в результате чего там образуется пограничный слой с очень высокой Концентрацией адсорбированного ПАК Этот слой может обладать уже опреде-

ленной абсорбционной емкостью. При определенных гидродинамических условиях в кормовой зоне пузыря происходит срыв пограничного слоя и образование под ним вихревого следа. Вихревые потоки будут непрерывно смывать часть погранслоя ПАВ вместе с растворенным в нем кислородом. Если ПАВ при этом обладает большей, чем вода,растворимостью кислорода, то концентрация растворенного кислорода под пузырем резко возрастает (что и наблюдалось в эксперименте), и скорость массопередачи увеличивается. В соответствии с исследованиями Ганноверского и Массачусетско-го университетов именно кормовая зона пузырей рассматриваемого диапазона обеспечивает основную долю массопереноса, а при ускорении массопередачи в ней в 3-4 раза она становится определяющей.

Расчет скорости массопередачи в этом случае можно производить как и обычно, но с учетом изменившейся га счет ПАВ растворимости кислорода. Растворимость кислорода в пограничном слое кормовой зоны с учетом ПАВ может быть описана следующим уравнением:

н,-нг+ня-

Г во

где Н р , Н у , Н0 - растворимости кислорода в ПАВ, воде и растворе ПАВ; Г0, Г„- концентрации ПАВ в зоне.

Увеличение растворимости кислорода в зоне может быть учтено коэффициентом ускорения.

Н* нр г0

зе, =-•=! + - -

Н. Н„ Г,«,

С помощью коэффициента ускорения можно учесть ускорение массопередачи за счет применения ПАВ, при этом в практических расчетах ферментации несущественно - относится коэффициент ускорения к растворимости или к коэффициенту массопередачи.

Составлено математическое описание процессов, протекающих при всплытии пузыря в среде с ПАК Оно включает в себя описания'обтекания пузыря жидкостью, адсорбции ПАВ на поверхности пузыря и абсорбции кислорода из пузыря в среду.

Для описания обтекания пузырей диаметром 2-5 мм могут быть использованы уравнения Навье-Стокса. Эти уравнения, записанные в погранслой-

ом приближении для тел вращения при допущениях о неизменности их форы и установивкегося режима движения,, имеют следующий вид:

где X - координата вдоль контура меридианного сечения пузыря, У -нормаль к контуру, V, - скорости в продольном и поперечном направлениях, г0- расстояние от оси тела до точки поверхности, у - вязкость :меси, и - скорость за пограничным слоем, <ё> - поверхностное натяжение, а - концентрация ПАВ на границе контакта

Второе граничное условие учитывает силу, обусловленную градиентом поверхностного натяжения вдоль поверхности пузыря. Для зоны пузыря, в которой можно принять постоянной поверхностную скорость, распределение скоростей в поперечном направлении будет иметь вид:

где с1 - диаметр пузыря, Г - коэффициент поверхностной активности или растекания.

Описание адсорбции ПАВ на пузыре получено при условии того, что скорость адсорбции значительно выше скорости диффузионного процесса, что справедливо для рассматриваемых ПАВ. Оно включает в себя уравнение адсорбции в погранслое вместе с граничными условиями, уравнения Ленг-мюра и Шишковского, а также уравнение, учитывающее унос ПАВ в кормовой зоне пузыря.

у -г оо : 1?~х и (х) х=.0 : = и [о),

IT 2±- + ir - 7) Ъга U% дх * дУ ~ Я* ¿pr

V

y oo : CL —» ¿2

y = O : .D p- - & dr ■

j—t ¿—t К CL-

= 00 1 + ко. > ¿ = ¿O - /"U Я т £n, (i + kcl) • =&оГ0.

где D*- коэффициент молекулярной диффузии ПАВ, а„- концентрации ПАВ в среде, Г - величина адсорбции, К - константа фазового равновесия, Гм-емкость адсорбированного слоя, ¿0- поверхностное натяжение для чистой жидкости, R - универсальная газовая постоянная, Т - температура,у* -скорость адсорбции, S - поверхность обтекания, Г0- концентрация ПАВ в кормовой зоне,1^>- скорость уноса ÍIAB.

В результате решения системы уравнений движения и абсорбции определены профили скоростей и концентраций ПАВ как в пограничном слое, так и по поверхности пузыря, что позволяет рассчитать коэффициент ускорения абсорбции. Для рассматриваемых ПАВ он достигает значений 5-7.

Процесс абсорбции кислорода из пузыря будет описываться уравнениями:

* дк Uy дх ЗУ*

у = оо : С —* ^ v

У = о : с = Н рА

Н = Hv + нр г0/г^

X = О : С - С- {0,4)

где Dc - коэффициент молекулярной диффузии кислорода; С^.С^ -концентрации растворенного кислорода на границе контакта с газом и в среде, С - концентрация кислорода на выходе из верхней зоны пузыря,/^ - коэффициент массопередачи в кормовой зоне, р - парциальное давление

гелорода в газе, Я - скорость абсорбции.

На основании исследования сформулированы требования к ПАВ, интен-ифицирующих массопередачу кислорода в процессе ферментации.

1.ПАВ должны быть безвредными для. биологических систем.

2. Они должны обратимо сорбировать кислород.

3. ПАВ должны обладать значительно большей растворимостью кислорода, ем вода, Н >> 7мг/л.

4. ПАВ должны иметь низкие коэффициенты поверхностной активности ли растекания, при этом ГЛБ >15.

Расчеты показали, что основными факторами, влияющими на ускорение ассопередачи кислорода пузыря, являются объемная концентрация ПАВ и :ритерий Рейнольдса. При этом с увеличением скорости обтекания пузыря оэффициент ускорения массопередачи падает, а с увеличением объемной юнцентрации ПАВ он растет.

Второй этап исследования проведен в лабораторном аппарате У=3л с •урбинной мешалкой. Задача второго этапа заключалась в исследовании ¡лияния ПАВ на массопередачу кислорода в водную среду в условиях тур->улентности жидкой фазы и взаимодействия пузырей между собой. В качес-:ве ПАВ исследовались проксанол и некоторые перфторуглероды. В связи с отсутствием данных по растворимости кислорода в проксаноле и перфтор-,Флероде вначале определены растворимости в них кислорода в зависимости от температуры в пределах от 20 до 40 С и парциального давления кислорода в газе в пределах от 160 до 760 мм рт. ст. Метод определения растворимости основывался на измерении десорбированного кислорода из' предварительно насыщенных ПАЕ Получены графики растворимости, а также установлено, что растворимость кислорода в ПАВ подчиняется закону Генри, при этом в перфторуглероде растворяется кислорода в 16 раз, а в 50% растворах проксанола в 5 раз больше, чем в воде.

Для исследования массопередачи кислорода использована сульфитная методика. Определены скорости массопередачи кислорода в присутствии и отсутствие ПАВ в зависимости от объемной концентрации ПАВ и числа оборотов" мешалки. Эксперименты представлены в форме зависимости коэффициента ускорения массопередачи кислорода от удельной мощности и концентрации ПАВ в воде. Коэффициент ускорения определялся как отношение сульфитных чисел в присутствии и отсутствие ПАЕ

Результаты экспериментов подтвердили характер влияния факторов, вытекающий из гипотезы механизма влияния ПАЕ

%г/л ' 0,1 3 в Цквт/м*

Рис.3 Зависимость коэффициента ускорения массопередачи кислорода за счет использования ПАВ (перфторуглерода) от концентрации ПАВ (1,2,3,4,5 - число оборотов мешалки от 300 до 1000 об/мин)

Рис.4 Зависимость коэффициента ускорения массопередачи за счет ПАВ от удельной мощности ( 1,2,3,4 - концентрации ПАВ от 1 до 3 г/л).

По экспериментальным данным получена эмпирическая формула для расчета коэффициента ускорения. С учетом монотонности влияния факторов в пределах исследования расчетная формула получила следующий вид:

X = 1 + А

нР , £

а.

где Л,, - удельная мощность; СХЧ- концентрация ПАВ; А,а,в -эмпирические коэффициенты.

Составлено математическое описание процесса в однородной зоне. Расчет усредненных значений гидродинамических параметров базируется на уравнениях Кальдербанка, построенных на базе теории локально-изотропной турбулентности. Влияние ПАВ на массопередачу учитывается с помощью коэффициента ускорения следующим образом (к4аЭ£ к,_а (где к^а - коэффициент массопередачи в отсутствие ПАВ). Расчет коэффициента ускорения в однородной зоне проводился по эмпирической формуле, приведенная выше модель одиночного пузыря служила для определения ориентировочных значений. Влияние взаимодействия пузырей может быть учтено поправочным коэффициентом. Проведен расчет процесса ферментации однородной зоне с учетом влияния ПАВ на массопередачу кислорода. По результатам расчетов определены оптимальные техноло-

гические параметры процесса - объемная концентрация ПАВ и удельная вводимая мощность.

На третьем этапе работы проведены опытно - промышленные испытания по применению проксанола и перфторуглерода в процессе получения лизина на Ливанском опытно-промышленном биохимзаводе Латвийской ССР. Испытания проводились в барботажных ферментерах, рабочим объемом 5м с низкими массообменными характеристиками. Скорость массопередачи кислорода по сульфитной методике составляла около 2 кг/м /час. Применение ПАВ привело к увеличению концентрации биомассы на 17Х, лизина 20X, продуктивности процесса на 11Z по сравнению с контролем при тех же энергетических затратах. Годовой экономический эффект составил 641 тыс. рублей в ценах 1989г.

Проведен расчет ферментационного аппарата с учетом макрофакторов и неоднородности протекания процесса в рабочем объеме. Методика расчета изложена в разделе 2.3.

Большое влияние на эффективность массопередачи в промышленном аппарате как в отсутствие, так и в присутствии ПАВ оказывают неравномерности распределения газа и энергии. Анализу влияния этих факторов посвящены последующие этапы работы.

2.Моделирование и оптимизация ферментационных аппаратов

2.1 Повышение эффективности использования энергии

В этой части работы проводится анализ влияния распределений энергии на массообменные характеристики аппарата.

Коэффициент массопередачи и коэффициент ускорения массопередачи за счет ПАВ зависят от значения локальной скорости диссипации энергии, которая, в свою очередь, неравномерно распределена по объему аппарата. Эта неравномерность зависит от многих факторов: характера ввода энергии, конструкции, и т.д., при этом с увеличением масштаба аппарата она деформируется. Ввиду трудности расчета поля скоростей диссипации энергии в промышленном аппарате для оценки неравномерности ее пространственного распределения предлагается использовать статистическую функцию распределения долей объема аппарата по скоростям диссипации энергии f(£" ), при этом величина f (£ )d£ характеризует долю объема аппарата, скорость диссипации энергии в которой находится в пределах от £ до £ + d£ . Среднее значение распределения будет равно удельной мощности, подводимой к аппарату N . Представляется, что введенная функция проще и деформацию ее с изменением факторов прогнозировать легче.

Для коалесцирующих систем удельная поверхность

контакта фаз и коэффициент ускорения массопередачи за счет ПАВ с учетом распределения будут рассчитываться по формулам:

а = г0,4 / с с) с1&

х. /Зг £ * f (а) (¿С В -постоянная.

При расчете аппаратов средние значения этих параметров в аппаратах выражаются как функции удельной мощности.

а = б, . М = В, Щ Л /

Показатель степени при удельной мощности является мерой эффективности использования энергии как по созданию поверхности контакта фаз, так и применения ПАЕ Его величина будет зависеть от распределения скорости диссипации энергии в объеме аппарата.

' ¿ьСТ-е гпйТе

В работе проведен анализ влияния распределений: нормального, треугольного, экспоненциального. Показано, что наибольший эффект достигается при дельта 1 распределении (равномерное распределение энергии по объему) и что неучет реального распределения может привести к значительной ошибке при расчете поверхности контакта фаз.

Из проведенного анализа вытекает также, что для некоалесцирующих систем оптимальным является сосредоточенный ввод энергии.

С другой стороны, в аппарате циркуляционного типа на массопередачу "работает" не вся энергия среды. Мощность, подводимая к аппарату, расходуется как на образование циркуляции, так и турбулизацию среды. Дня газожидкостных систем эти эффекты влияют на характеристики смешения и

ассопередачи в аппарате. Следовательно, характеристики аппарата долж-¡ы быть взаимосвязаны между собой. Перераспределяя расходуемую мощность 1ежду ее составлявшими, можно будет интенсифицировать массопередачу при ■ех же затратах энергии. Для проверки этого предположения были провеяны исследования циркуляции и массопередачи кислорода в барботажно->рлифтном аппарате, рабочим объемом 10 л. Для снятия кривых леремеши-шния использовался фотокалориметрический метод,а для определения мас-юобменных характеристик - стандартная сульфитная методика. В целях герераспределения подводимой мощности в пользу турбулизации было пред-гожено заполнять внутренний объем диффузора разными насадками. В качестве регулярных использовалась насадка Коха, нерегулярных - Рашига. Сравнение аппаратов полого и заполненных насадками Коха или Рашига показало, что в среднем их кратности циркуляции находятся в соотношении 5:2,5:1, а скорости массопередачи - 1:1,35:1,65 при тех же затратах энергии.

Рис. 5 Зависимость кратности циркуляции среды от удельной мощности для барботажно-эрлифтного аппарата:1 - полого, 2-е насадкой Коха, 3-е насадкой Рашига Рис.6 Зависимость скорости абсорбции кислорода (сульфитного числа) от удельной мощности для барботажно-эрлифтного аппарата: 1-полого, 2- с насадкой Коха, 3- с насадкой Рашига

В связи с трудностями непосредственного измерения доли мощности

турбулизации для ее оценки предлагается использовать фактор гидродинамического состояния двухфазной системы Г , введенный В.В.Кафаровым. Опираясь на то, что фактор f является результирующей характеристикой межфазной турбулентности, можно предположить, что между ним и долей мощности турбулизации существует монотонная положительная связь, при этом с увеличением фактора f доля мощности турбулизации стремится к своему предельному значению, равному единице. Такой закон роста будет выражаться зависимостью:

= / - ехр(к(?-и)),

где К - постоянная.

На основании проведенного исследования была предложена следующая формула расчета коэффициента массопередачи в барботажно-эрлифтном аппарате:

По результатам обработки* эксперимента получено 0=26; п=0,54.

С учетом результатов исследования разработаны рекомендации по интенсификации дрожжерастителъных аппаратов Волжского гидролизно-дрожжевого завода.

2.2 Повышение эффективности системы газообеспечения.

Пространственная неравномерность распределения энергии снижает как эффективность действия ПАВ, так и массообменные показатели аппарата. Однако имеется еще один фактор воздействия на массопередачу - система газообеспечения - способ ввода газа, которым можно управлять, и структура газового потока, зависящая от конструктивных особенностей аппарате В связи с этим в работе решается задача оптимизации массопередачи ферментационного аппарата за счет распределенного газового питания-в условиях неравномерности пространственного распределения энергии и применения ПАВ.

На первом этапе этой части работы проведена оптимизация массопередачи кислорода в аппарате каскадного типа с распределенным вводом энергии за счет распределенного питания кислородосодержащим газом.

Массовый поток кислорода в реакторе складывается из соответствующих (токов в зонах.

п. _

М -- ¿г М£ ±KfiLüü Vr

где К1Л/ А> I/- - коэффициенты массопередачи, движущие силы массопе-здачи, рабочие объемы в зонах реактора.

Коэффициенты массопередачи в коалесцируицкх системах для подобных тааратов рассчитываются по формуле.

de = i +A fgr.af.M*

v ' 77"

где/V, & , S - вводимая мощность, расход газа, площадь попе-ечного сечения зоны; А • Ct, ß - постоянные.

Движущая сила массопередачи выражается через расход газа и энерго-атраты следующм образом:

л = _

& + HVA fN/vWG/S)*-»'

где Н , 20- растворимость кислорода в среде и входная концентрация сислорода в газе.

Исходная задача формулируется следующим образом:

М = М f/V; G, ) —* ПО-Х 61 = S Gc Aj - ±N£

tat

Эта задача была решена для ферментационного аппарата каскадного типа с 13 зонами, в результате чего определена оптимальная система его газообеспечения.

В целях получения более универсального и аналитического решения этой задачи распределение газа по зонам аппарата было заменено на перераспределение средней движущей силы массопередачи. Задача оптимизации в этом случае формулируется следующим образом:

- Hl -

м

__ . Л// OL,

- XA*<ff) Ai Mi

N = E A/£ Л = А П, = E A; M = M (Nl ? д. ) /пах

Для решения поставленной задачи использовался метод множителей Лагранжа.В результате решения получено условие оптимального распределения газа, в соответствии с которым большую движущую силу массопере-дачи необходимо создавать на участках аппарата с большим энергопотреблением.

t AL , В / ( —Г ) - -- - const

С учетом полученного решения была разработана система газообеспечения струйно-эжекционного ферментационного аппарата, в соответствии с которой свежий газ подается в наиболее' интенсивные зоны аппарата-эжекторы, начальные участки струйного течения и т.д. Это позволило увеличить скорость массопередачи кислорода и снизить- удельные энергозатраты.

На втором этапе данной части работы рассмотрено газообеспечение реакторов несколькими газами.

Некоторые процессы ферментации, а также хемосорбции протекают при одновременной абсорбции двух газов, взаимодействующих между собой в жидкой фазе. К ним относятся процессы аэробной ферментации на метане, культивирование водородокисляющих бактерий, процессы хемосорбции в производстве соды, при очистке кислых газов или жидких стоков и т.д. Газовые компоненты при этом могут содержаться как в одном,так и разных потоках.

В работе решена задача■максимизации производительности реактора в аппарате каскадного типа с распределенным вводом энергии и распределенной подачей двух газовых потоков G^h

Мх = ¡й X V

Зонные концентрации кислорода в жидкой и газовой фазах определяются > уравнений материального баланса с учетом идеального смешения потоков.

-<к)Сс*-с,{)к -Си) -Си) К-

в, [ги -ги) -ка (с*-Си)\/, - О в с -г*;) -«А (с/,: -Сг1)К-' о

С ( ^ О ^ ■ О ¿с

6с > " ¿V

<?с = 61С +

Задача оптимизации формулируется следующим образом;

/V =

В результате решения задачи для процесса ферментации на природном

газе определено оптимальное распределение природного газа и техническо го кислорода по зонам аппарата.

При использовании для ферментации аппаратов других типов газовые потоки могут либо предварительно смешиваться, либо подаваться рассредоточение. При сосредоточенном вводе газов при их предварительном смешивании наблюдаются два отрицательных эффекта. Во-первых, при смешении потоков происходит безвозвратная потеря химического потенциала, вследствие чего движущая сила массопередачи снижается. Во-вторых, эволюционный анализ этих процессов по их характерным временам реакции и диффузии показал, что области протекания процесса по абсорбируемым компонентам будут различны. При этом концентрации растворенных компонен тов в объеме среды также будут существенно различаться вследствие - их различия на границе раздела фаз.

Если процесс двухгазовой ферментации ллп хемосорбции протекает в диффузионной или диффузионно-кинетической областях, это явление может привести к тому, что он будет лимитироваться абсорбцией только одного компонента. В результате этого потенциал массопередачи для второго компонента не используется, поскольку процесс по нему протекает в кинетической области. Для того, чтобы затрачиваемая энергия использовалась эффективно, необходимо перевести процесс в диффузионную или диффузионно-кинетическую области по обоим компонентам и поддерживать их концентрации на оптимальном уровне. Из уравнений материального баланса по обоим компонентам вытекает следующий способ выполнения этого условия:

Al = = 2LL.SLZ£L аг vz cct 'с*-с/

где С*, С,, С*, Cz - концентрации компонентов на границе раздела и объеме среды; oit, оС^- стехиометрические коэффициенты.

В соответствии с этим условием поверхности контакта фаз для отдельных компонентов должны различаться, что можно реализовать за счет раздельного ввода газов в аппарат. С учетом этого была разработана система газообеспечения эжекционного аппарата для процесса ферментации на метане, в соответствии с которой точки ввода природного газа и технического кислорода рассредоточены по аппарату.

Дня того, чтобы снизить или исключить 'смешение газовых потоков, 5ыл разработан ряд конструкций ферментационных аппаратов с раздельной абсорбцией по компонентам, в которых реализуется циклический способ протекания процесса - жидкость попеременно насыщается то одним, то другим газовыми компонентами. Для предложенных аппаратов проведены исследования гидродинамики и маесопередачи.

1

газ

>

Л

---

3

2

лгаз

Рис.7 Схема аппарата с раздельной абсорбцией по компонентам

Наряду с ферментацией в работе рассмотрены и некоторые процессы двухгазовой хемосорбции, например, процесс очистки малосернистых кислых газов от сероводорода, протекающий по реакции:

Для этого процесса была проанализирована область его протекания, исследована кинетика реакции, предложен аппарат барботажного типа, проведены лабораторные исследования, разработана математическая модель процесса и идентифицированы по экспериментальным данным ее параметры.

Модель использована при оптимизации системы газообеспечения аппарата.

2.3 Моделирование ферментационных аппаратов циркуляционного типа

Стадия моделирования необходима для анализа эффективности использования рабочего объема предлагаемых конструкций и усовершенствований

Влияние рассмотренных выше факторов повышения эффективности мас-сопередачи было учтено при моделировании ферментационных аппаратов циркуляционного типа. В связи с этим были.проведены исследование и математическое описание процесса в ферментационном аппарате, протекаю цего в условиях действия ПАВ, пространственных распределений энергии и газового питания, а также циркуляции потоков газа и жидкости.

На первом этапе работы проведены теоретическое и экспериментальное исследования структуры потоков жидкости и газа в аппаратах барбо-тажно-эрлифтного и с перемешивающими устройствами типов. Макросмешение жидкости характеризовалось с учетом особенностей циркуляции в ферментационном аппарате как распределением времени пребывания, так и временем циркуляции. Для математического описания структуры потоков использованы циркуляционные модели, адекватность которых проверена по экспериментальным данным. В целях идентификации параметров модели с использованием 'уравнения связи моментов распределения времени пребывания с передаточной функцией получена зависимость безразмерной дисперсии распределения от параметров циркуляции.

г _ /г. - /

? " 1 ~ >ъ(1 + гс)'

где п - число ячеек, гс- коэффициент рециокуляции.

Циркуляция обеспечивает смешение среды. Однако однородность среды по данному компоненту будет зависеть не только от циркуляции жидкости, но и скорости протекания процесса. С помощью математического моделирования исследовано влияние циркуляции на однородность среды в процессе ферментации путем сравнения изменений концентрации компонента в циркуляционном контуре и аппарате идеального смешения того же объема. В результате анализа установлены требования к времени циркуляции по обеспечению заданного уровня однородности среды р по данному компоненту при времени процесса .

^ р

За уровень однородности среды принято отношение изменений концентрации компонента в циркуляционном контуре и аппарате идеального смешения, а за время процесса - отношение изменения концентрации к скорости

ё

:акции или массопередачи.

с* -С« . г - С°~Се

Р = ~с0 - су > 4 " *

где г - скорость реакции, массопередачи и.т.д.; - входная

выходная концентрации компонента.

Аэробная ферментация - ,это наложение процессов с разными времена-I релаксации, поэтому уровни смешения среды по разным компонентам ¡иомассе, растворенному кислороду) при данном времени циркуляции могут сличаться. Расчеты показывают, что обеспечить однородность среды по ютворенному кислороду за счет реальных кратностей циркуляции жидкости тактически невозможно. Распределение концентрации растворенного кисло-эда зависит, в основном, от структуры потока газа и распределений га-эсодержания и энергии. В связи с этим нами проведено исследование груктуры потока газа в барботажно-эрлифтном аппарате объемом 4м5. В ачестве индикатора использовался гелий. Получены кривые распределения эемени пребывания газа при различных кратностях циркуляции жидкости, э которым определялась величина потока рециркуляции, зависимость для эторого выражена в виде:

, ч

¿2 = 0,1 Л// е.хр (-0,гн/дал)

На втором'этапе работы проведено моделирование процесса в аппарате.

Модели, построенные только на концепции распределения времени пре-авания, не учитывают всех неравномерностей. Конструктивные особенности характер подвода энергии и газа промышленных ферментационных аппара-ов приводят к значительной пространственной неоднородности структуры азожидкостной системы, теплового и технологического режимов в них. ля учета этого явления рабочий обьем аппарата можно рассматривать как истему однородных зон, объединенных материальными потоками.

Анализ структуры газожидкостной системы в ферментационных аппара-ах разного типа показал, что можно выделить типовые модули, из кото-ых формируются их рабочие обьемы. К таким относятся: 1) барботажная она с восходящим потоком газа, 2)зона с нисходящими потоками газа и идкости,,3)зона со струйным движением жидкости и газа,4)зона действия ;ешалки. Эти зоны различаются способом турбулизации среды, схемой кон-акта газа и жидкости и направлениями движения потоков, что отражается :а их функциональных характеристиках. Математическое описание парамет-юв гидродинамики, массо - и теплопередачи в этих зонах построено в

работе с единых теоретических позиций. Для расчета удельной поверхнос ти контакта фаз, коэффициента массоотдачи в жидкой фазе, коэффициент теплопередачи используются формулы и уравнения, базирующиеся на теори ях локально - изотропной турбулентности и обновления поверхности кон такта фаз, в соответствии с которыми параметры выражаются как функци скорости диссипации энергии независимо от способа ее ввода. Формул расчета газосрдержаний и скоростей диссипации энергии в типовых зона различны и учитывают способ подвода энергии. Параметрическая идентифи кация моделей проведена по результатам гидродинамических и массообмен ных испытаний опытно-промышленных аппаратов.

. -Объединяя рассмотренные модули в соответствии с топологией потоков и дополнив их уравнениями покомпонентного материального и теплового балансов, можно получить модель рассматриваемого аппарата. Для расчета аппаратов использованы методы разрыва обратных потоков.

Ниже приведены результаты расчетов профилей концентраций растворенного кислорода в струйном аппарате.

Рис.8 Схема струйно-эжекционного ферментационного аппарата Рис.9 Расчетные профили концентраций растворенного кислорода по •зонам участков аппарата,расположенных по направлению движения циркуляционного потока жидкости (давление 3 атм)

С использованием указанного подхода проведено моделирование предлагаемых конструкций колонных ферментационных аппаратов, а также действующих аппаратов с учетом предлагаемых изменений. Получены поля

О

с г/ма

_1_•_I-—а--

1 2 3 4 П

энцентраций кислорода в газе и жидкости, на основании которых указаны слабые" зоны аппарата, предложены способы интенсификации процесса в их. Разработанные рекомендации учтены либо на стадии проектирования, ибо при интенсификации действующих аппаратов очистки сточных вод в . Камское Устье, кормового белка на Светлоярском биохимическом заводе, изина в г. Ливны.

4 Динамика процесса ферментации при интенсификации массопередачи.

ГОэстая часть работы посвящена моделированию динамики процесса аэро-ной ферментации при воздействиях по каналу массопередачи. Интенсифи-ация процесса тесно связана с динамическим режимом. С одной стороны, инамический режим сам по себе может быть средством интенсификации, а другой стороны,переход на интенсивные режимы зависит от динамических войств объекта. Воздействия по каналу массопередачи осуществляются вменениями состава и расхода поступающего газа или давления в аппара-е путем регулирования еыходным сечением потока.

Для исследования динамики процесса била разработана математическая юдель, включающая уравнения материального баланса по биомассе, кисло-юду в жидкости и газе, субстрату, а также общий ' баланс по газовому ютоку. В уравнениях кинетики ферментации учтены два типа зависимости гдельной скорости роста от концентрации растворенного кислорода, )тра«аю1дих как лимитирующее, так и ингибируюцее влияния кислорода.

Г - Iй-» л^ГГ

где - максимальная удельная скорость роста, К^ - константа гасыщения, К у - константа ингибирования.

Процессам со второй кинетикой роста свойственна множественность стационарных состояний. Для проверки устойчивости технологического режима использован метод линеаризации Ляпунова, в соответствии с эценка устойчивости производится по матрице Якоби. Используя кри^ер^З ЗильЕестра, получены следующие условия устойчивости технологического

режима:

с//У

йС С

> О

На втором этапе исследования проведено моделирование переходного процесса ферментации при изменениях давления, расхода и состава газа.

Проведение расчетов осложнялось жесткостью системы дифференциальных уравнений модели. Поэтому были использованы как методы квазистаци( нарности, так и специальные методы решекия жестких систем уравнений.

з 4 « в «

Врлыи

Рис.10 Изменение концентраций биомассы (а) и растворенного, кислорода (б) в переходном процессе ферментации с первой кинетикой роста при повышении давления от 1 до 1,5 ат (1), 2 ат(2) и 3 ат(3) Рис.11 Изменение концентраций биомассы (а) и растворенного кислород (б) в переходном процессе ферментации со второй кинетикой роста пр повышении давления от 1 до 1,5 ат (1), 2 ат (2) и 3 ат (3),

4 ат (4): 1-4 - расчетные данные; 5 -экспериментальные данные

Численное моделирование переходного процесса биореактора при уве-чениях давления или расхода кислородсодержащего газа позволило уставить характер изменения концентраций компонентов от времени,сравнить намические режимы процессов аэробной ферментации с разной кинетикой ста, исследовать причины "срыва" технологического режима при резких еличениях давления или расхода газа.

На рис. 10 приведены кривые переходных процессов аэробной ферментации з ингибирующего влияния кислорода при увеличении давления с 1 ат до 5; 2.и 3 ат (рис. 10,кривые 1,2,3 соответственно). Как следует из кри-IX рис. 7, концентрация биомассы растет по экспоненциальному закону, а шцентрация растворенного кислорода в начале процесса резко возраста' до максимума, а затем медленно снижается до стационарного значения.

Переходный процесс аэробной ферментации с ингибирующим влиянием клорсда (рие.И) меж г протекать как аналогично рассмотренной выше ¡рментации, так и иметь существенное отличие, поскольку на нем отразится неустойчивость некоторых стационарных состояний. Если скачкооб-*зные приращения расхода кислородсодержащего газа'или давления л ректоре превышают определенные критические значения, происходит "срыв" г/.нологического режима, г. е. концентрация биомассы вместо ожидаемого :ета снижается'до нуля, а концентрация растворенного кислорода растет э насыщения. Данное явление объясняется переходом процесса в область ^устойчивости, где скорость роста оказывается'меньше скорости прото-а. Критические приращения давления и расхода газа, .при которых наблюдается "срыв" технологического режима, как показало моделирование, за-исят от кинетических констант и скорости протока Экспериментальная роверка, проведенная на опытном биореакторе ферментации на метане = 1 м5, подтвердила результаты моделирования. Моделирование реактора оэволило разработать программу поэтапного перехода процесса на режим повышенным давлением.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ влияния кинетики ферментации на скорость абсорбция кислорода. Получена формула расчета коэффициента ускорения массо-

передачи. "

2. Разработана гипотеза механизма влияния ПАВ на массопередачу кя слорода, разработано математическое описание процесса.

3. Сформулированы требования к ПАВ, способным интенсифицироват массопередачу кислорода в процессе ферментации.

4. Определены технологические условия, при которых обеспечиваете наибольшая интенсификация массопередачи за счет ПАК

5. Предложено учитывать интенсификацию массопередачи за счет ПАВ коэффициентом ускорения абсорбции. Получена расчетная формула коэффициента ускорения.

6. Рассмотрено влияние неравномерности распределения энергии в объеме аппарата на его массообменные характеристики. Предложена форму ла учета этой неравномерности на удельную поверхность контакта фаз в аппарате.

7. Исследована связь циркуляции и массопередачи в барботажно-эрл фгном аппарате. Предложен способ интенсификации массопередачи пр1 снижении удельных энергозатрат за счет заполнения диффузора насадками.

8. Предложена формула расчета коэффициента массопередачи в барб( тажно-эрлифтном аппарате с учетом фактора гидродинамического состояни; двухфазной системы.

9. Получено условие оптимального распределения газового питаню С учетом этого разработана схема газообеспечения струйно-эжекционногс аппарата.

' 10. Проведен теоретический анализ процессов двухгазовой ферментацш и хемосорбции. Получено условие повышения эффективности массопередачи при раздельном вводе газовых потоков. Разработаны конструкции аппараты и схемы их газообеспечения с циклической абсорбцией газов.

И. Проведены моделирование и оптимизация процессов хемосорбционно; очистки кислых газов от сероводорода и обезвреживания сернисто-щелочных стоков.

12. Проведен системный анализ рабочего объема ферментационного аппарата, выделены типовые модули газожидкостной системы, составлены и> математические описания.

13. Проведен анализ структуры потока культуральной жидкости. Получено условие обеспечения заданного уровня смешения по различным компонентам среды в аппаратах циркуляционного типа

14. С использованием системного анализа рабочего обьема разработань

^тематические модели ферментационных аппаратов барботажно-эрлифт-эго, струйно-эжекционного, и с перемешивающими устройствами типов.

15. разработаны моделирующие системы ферментационных аппаратов, спользованные для целей проектирования и моделирования. На базе полу-енных концентрационных полей рабочего объема разработаны технические редложения по совершенствованию конструкций аппаратов.

16. Разработана математическая модель динамики процесса аэробной ерментации. Получено условие устойчивости технологического режима при оздействиях по каналу массопередачи.

17. Проведено моделирование переходного процесса реактора аэробной ерментации при изменениях давления, состава и расхода.газов. Показано, :то при сравнительно больших и скачкообразных приращениях этих параме-ров возможен "срыв" технологического режима. Разработана программа [еревода реактора на режимы с повышенным давлением.

18. Результаты работ внедрены в научно-исследовательских институ-■ах, производствах лизина, кормового белка, процессах хемосорбционной [ биоочистки. Общий экономический эффект составил около 800 тысяч руб. ,1987 г.).1

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих заботах:

1. Шарифуллин Е Е К вопросу расчета удельной поверхности контакта &аз //ТОХГ - 1979 - N6 - с. 341-343

2. Шарифуллин Е Е К вопросу использования энергии в абсорбере (/ ЖПХ - 1987 - N2 - с. 311-315

3. Шарифуллин ЕЕ Одновременная абсорбция двух газов // ЖПХ- 1986 - т. 59 - N6 - с. 1131-1134

4. А. С. 1454841 СССР, ШИ С12 М1/04. Установка для выращивания микроорганизмов /ЕЕ Шарифуллин, Е А. Литманс и др.

5. А. С. 1449576 СССР, ЫКИ С 12 М 1/04. Аппарат для выращивания микроорганизмов /ЕЕ Шарифуллин, Е А. Литманс и др.

6. Шарифуллин ЕЕ Моделирование процессов хемосорбции с образованием новой фазы на примере карбонизации растворов сернистого бария: Автореф. дис____ канд. техн. наук - М.: ЫХГИ, 1972 - 15 с.

7. Нафаров Е Е , Реутский Е А., Шарифуллин Е Е Новый метод расчета процессов хемосорбции // ЖПХ - 1974 - т. 47-N12 - с. 2665-2667

8. Шарифуллин Е Е , Кропачев Е Ф., Литманс Е А. Анализ динамических свойств биореактора аэробной ферментации // Биотехнология - 1989 -

т. 5, N3 - с, 363-366

9. Шарифуллин ЕЕ ,Вояринов А, И. .Гумеров А. И. Связь перэмешивани и масеопередачи б барботажно-эрлифтном аппарате // Мэжвуз. сборни "Массообменные процессы и аппараты химической технологии" - Казань : КХТИ, 1980 - с. 82-86

10. Шарифуллин К Е , Владимирова К С., Емельянов В. М. Условия интен сификации массопередачи кислорода с помощью ПАВ // II Всес. конф "Процессы и аппараты для микробиологических производств" : Тез. докл

- Грозный, 1989 - с. 25

11. Мазгаров А. М., Шарифуллин К Н., Вильданов А. Ф. Очистка выбросны; газов от сероводорода с получением элементарной серы // ХГТМ - 198!

- N1 - с. 39-42

12. Шарифуллин Е Е,Танеев И. М Анализ биореактора как

объекта со сложной структурой. 1,2,3,4 части. - М, , 198Ь - 50 с. -Деп. ЕНИИСЭНГИ, NN 256-258, КБ-Д85; Аннотация в л "Биотехнология" -1988 - N1 - с. 115-116

13. Владимирова К С., Шарифуллин Е Е , 15аевский Е. Т1 Анализ влиянш стационарного поверхностного слоя между фазами на массопередачу // Межвуз. сборник "Массообменные процессы и аппараты химической технс логии" - Казань: КХГИ, 1988 - с. 117-121

14. А. С. 1148852 СССР, МКИ С 08 3/24. Способ получения полимерной композиции / Р. Я. Дебердеев, Е Е Шарифуллин и др.

^5. Тамеев И. М.,Шарифуллин ЕЕ Оптимальное проектирование ферментационного аппарата // Всес. конф. " Математические методы в хш. ММХ-85: Тез. докл. - Грозный, 1985 - ч. 2 - с. 115

16. Шарифуллин Е Е , Литманс Е А., Сафиуллина А. К Кинетика абсорбщ кислорода в процессе ферментации // Межзуз. сборник "Массообменные прс цессы и аппараты химической технологии" - Казань: КХГИ, 1989- с. 31-33

17. Кафаров ЕЕ, Реутский ЕА., Нврифуллин ЕЕ Зонная модель процесса хемосорбции // Труды международной конференции по химическим реакторам / Магдебург (ГДР): 1972 - с. 39-40

18. Кафаров Е Е , Реутский Е А. , Шарифуллин В. Е Расчет хемосорбци ь колонных аппаратах// ЖПХ - N9 - с. ПОЗ - 1107

19. Шарйфуллш ЕЕ Изменение обл'сти протекания процесса хемооорб ции // -Межвузовский сборник " Машины V аппараты химической технологии"

- Казань: 1975 - с. 33-35

21. А. С. 1214683 СССР,МКИ СОВ ] 3/20, СОВ Ь 23/60. Аппарат полу-

ия полимерной композиции / Дебердеев Р.Я. ,Шарифуллин ЕЕ и др.

22. Шарифуллин ЕЕ Математическое моделирование биореактора с цир-ицией среды. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Методы киб.

и техн. процессов " / ЫХГИ - Ы. ,1984 - с. 38

23. Шарифуллин Е Е , Гордеев Л. С. Некоторые оптимальные свойства »реакторов // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Процессы и ап->аты микробиологических производства "/ г. Грозный, 1986 - с. 78-80

25. Шарифуллин Е Е , Тамеев И. М., Прогнозирование неравномерности отекания процесса в ферментере на ЭВМ // Тезисы докладов Всесоюзной 1ференции "Процессы и аппараты микробиологических производств."// г. ззньй, 1886 - с. 80

26. Шарифуллин Е Е Структурный анализ биореактора // Тезисы докла-в Всесоюзной конференции "Основные направления совершенствования и здания нового оборудования для медицинской и микробиологической омышленности." / г. Иркутск, 1988 - с. 85

27. Шарифуллин Е Е Динамические свойства биореактора // Тезисы кладов Всесоюзной конференции "Методы киберн. хим. техн. проц." Баку, 1987 - с. 115

28. Куницын Е М., Шарифуллин Е Е , АхмадулЛина А.- С. Разработка про-сса обезвреживания сернисто-щелочных стоков // Тезисы докладов Все-юзной конференции по сернистым соединениям /г. Казань,1988 - с.76

29. Куницын Е М. .Шарифуллин Е Е , Ахмадуллина А. С., Сафиуллина А. К метка сернисто-палочных стоков в барботажно-эрлифтном аппарате // •зисы докладов Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты шического производства Хиытехника - 88." Часть 1 / Чимкент, 1988 -

225-227

30. Зиятдинов Е Е , Назарова Т. М., Шарифуллин Е Е Моделирующая 1стема производства ЕБК // Тезисы докладов Всесоюзной конференции " ?тоды кибернетики сложных ХТС" / Казань,1989 - с. 20

31. Шарифуллин ЕЕ , Касимов Р. Ы. Моделирование биореактора типа ЭР // КХГИ: - Казань, 1989 - 20 с.

32. Владимирова И. С., Шарифуллин Е Е , Емельянов Е М. Использование орбционных свойств ПАВ для ускорения переноса кислорода в системе аз-жидкость // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Молекулярная орбция биологически активных веществ / Пенза, 1990 - с. 75-77

33. Шарифуллин Е Е Энергетический анализ массопередачи и циркуля-ИИ в барботажно-эрлифтном аппарате // Известия ВУЗов. Химия и химичес-

кая технология - 1991 - N ? - с.

34. Стиканс А., Шарифуллин В.Н., Емельянов В.М., Владимирова И.С, Интенсификация процесса биосинтеза лизина с помощью ПАВ // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология - 1991 - N 6 - с.

35. Шарифуллин В.Н..Сафиуллина А.К. Оптимизация распределения га; вого питания // Тезисы докладов Всес. конф. " Матем. методы в химии / Казань , 1991 -с.

36. Шарифуллин В.Н. Соотношение между движущей силой и диссипаци( в аппарате // ТОХТ - 1993 - N3 - с.

37. Scharifullin W..Schuegerl К. Optimierung des Sauerstoffeintn in Bioreaktoren mit verteilen Sauerstoff- und Leistungseintrag//Cher Ing. Techn.-1993 - N1 - s.64-68.

38. Scharifullin W..Schmidt J.,Luebbert A. Der Sauerstoffuebergai aus einzelnen Blase im Wassermedium mit oberflaechaktiven Stoffen// Chem. Ing. Techn. - 1993 - N3 - s.315-318

Соискатель:

1

В.Н.Шарифуллин

Сдано в набор 5.04.94 г. Подписано в печать 7.04.94 г. Форм.бум. 60 х 84 1/16. Печ.л.2,25. Тираж 100. Заказ 132.

Лаборатория оперативной полиграфии КГУ 420008 Казань, Ленина, 4/5