автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Процесс ферментации кормового белка на гидролизате в пленочных аппаратах; способы интенсификации и методы расчета

На правах рукописи

ВОЙНОВ Николай Александрович

ПРОЦЕСС ФЕРМЕНТАЦИИ КОРМОВОГО БЕЛКА НА ГИДРОЛИЗАТЕ В ПЛЕНОЧНЫХ АППАРАТАХ; СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

05.21.03 - Технология и оборудование

химической переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск 199 5

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических пр изводств" Красноярской государственной технологической академии

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЕЛИЗАРОВ В.И.

доктор технических наук, доцент ЛЕВИН Б.Д.

доктор технических наук, профессор ШАРАФУТДИНОВ В.Ф.

Ведущая организация:

Государственный Сибирский институт по комплексному проектиров нию промышленных предприятий и разработке технологических процесс« гидролиза и микробиологического синтеза (СИБГИПРОБИОСИНТЕЗ г.Красноярск.

Защита диссертации состоится " ^ " 1995

в >¡0-&0 часов на заседании диссертационного совета Д 083.83.( Красноярской государственной технологической академии по адрес 660049, г.Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан НОА*^ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ИСАЕВА1

и

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность проблемы. Развитие отечественного животноводства :держивается отсутствием сбалансированной кормовой базы, вызванным недостатком белка в рационе питания. Во многих странах в качестве белковых добавок в животноводстве используется соя и рыбная мука. В Рос-:ин общий объем производства этих белковых добавок позволяет покрыть не более 5% их потребности, а его увеличение весьма проблематично.

В связи с этим представляется перспективным получение белковых концентратов путем гидролиза древесины и использования гидролизата для тромышлейного получения кормового белка. Такой процесс не требует по-:евных площадей, не зависит от климатических условий и может быть эсуществлен в непрерывном режиме. Из одного кубического метра рабочей кидкости за одни сутки можно получить около 30 кг белка. Для получения такого количества растительного белка из гороха, например, требуется 18 га посевов этой культуры. Одна тонна кормовых дрожжей, добавленных з корма сельскохозяйственных животных, обеспечивает экономию до 7 т ¡ерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или 3.0 15 тыс.шт. яиц.

Потребность промышленного хозяйства страны в основных видах яикробиологических продуктов значительно превосходит уровень его соименного производства: годовая потребность в кормовых дрожжах со-:тавляет 3 - 4 млн.т, фактическая выработка - 1,5 млн.т в год (1989 г.), в гом числе на гидролнзате - менее 0,4 ылн.т.

Развитие отрасли сдерживается низкой производительностью оборудования, высокими энергозатратами и экологической опасностью. Строительство новых производств продуктов микробного синтеза вызывает рез-<ий протест общественности в связи с возможным загрязнением и отравлением окружающей среды некоторыми компонентами газовых выбросов, выпивающими острые респираторные заболевания у людей.

Возникает необходимость в создании принципиально новых экологи-1ески чистых производств белково-витаминных концентратов и других продуктов микробиологического синтеза, работающих без выбросов загрязняющих газов в атмосферу, что невозможно осуществить на основе применяемых в промышленности биореакторов. Наиболее перспективным предъявляется проведение процесса аэробной ферментации в турбулентной шенке жидкости и применение пленочных аппаратов.

Исследование переноса массы в турбулентной пленке жидкости на фимере абсорбции кислорода воздуха водой подтвердило возможность шачительного увеличения коэффициентов ыассоотдачи по сравнению с их течениями в других промышленных ферментерах. При этом сокращаются >асходы газа, т.к. в пленочных аппаратах газ не используется для разви-гия межфазной поверхности.

Автор выражает благодарность своему учителю и научному консультанту д.т,н., про-[^ссору Казанского ГТУ Н.А.Ннколаеву за оказанную поддержку и помощь в работе.

Создание малогабаритных пленочных биореакторов возможно толы при больших плотностях орошения, которым соответствует турбулентн« течение пленки жидкости с большими значениями критерия Рейнольде Отсутствие надежных корреляционных соотношений и методов расчета bi звало необходимость всестороннего исследования закономерностей течеш пленки жидкости по поверхности.

Поиск способов увеличения удерживающей способности насадки пл( ночного аппарата и стабилизации ее работы привел к использованию н пленкообразующей поверхности крупномасштабной искусственной реп лярной шероховатости. Всестороннее исследование гидродинамики, пер< носа тепла и массы в пленке жидкости, изучение закономерностей биох* мической реакции в пленке дрожжевой суспензии позволили осуществит процесс ферментации кормового белка в пленочных аппаратах, создать ос новы экологически чистой технологии процесса ферментации.

Тематика представленной работы предусмотрена программой Ai СССР по важнейшим фундаментальным проблемам на период 1978-1990 п "Разработка научных основ создания новых процессов и аппаратов химиче ской технологии и методов интенсификации существующих процессов (Подр.1.2), Координационным планом Государственного комитета России ской федерации по высшему образованию "Восстановление и рационально* использование лесных ресурсов", целевой комплексной программой "Вое становление и рациональное использование ресурсов Ангаро-Енисейскоп региона" ("Сибирский лес", 1991-1995).

Цеаь работы. Разработка научных основ проведения процесса фер ментации кормового белка в ферментативной среде на основе гидролизат; в пленочных трубчатых аппаратах в результате всестороннего изученш гидродинамики, тепло- и нассообмена, кинетики биохимического процесс; при пленочном турбулентном течении жидкости по поверхностям труб Разработка экологически чистой технологии ферментации, методов интен сификации тепло- и ыассопереноса.

Научная вовязиа. Представлен новый подход к проведению фер ментации, позволяющий значительно интенсифицировать массоперенос снизить расход потребляемого газа и увеличить концентрацию редуцирую щих веществ в ферментативной среде.

Впервые разработаны и исследованы способы культивирования кор ыовых дрожжей в турбулентной пленке ферментативной жидкости на основе гидролизата.

Впервые проведены комплексные измерения средней толщины идеик* и определены коэффициенты тепло- и массоотдачи в пленке дрожжево£ суспензии, гравитационно стекающей по гладким и шероховатым поверхно стям труб, в широком диапазоне изменения геометрических параметров искусственной шероховатости. Разработаны эффективные типы шерохова тости, выявлены их оптимальные параметры.

Изучена гидродинамика турбулентной пленки гравитационно стекающей по гладким и шероховатым поверхностям труб при больших нагрузкам

по жидкости. Получены зависимости для определения средней толщины пленки и коэффициента трения.

Изучен массоперенос в турбулентной пленке жидкости, гравитационно стекающей по гладким и шероховатым поверхностям труб на примере абсорбции кислорода жидкостью. Установлено влияние газовой фазы на массоперенос при осуществлении неизотермнческой абсорбции. Получены зависимости для расчета коэффициента массоотдачн в пленке ферментативной среды и изменения концентрации газа в пленке культуральной жидкости по длине ее пробега.

Изучена теплоотдача в турбулентной пленке жидкости, гравитационно стекающей по гладким и шероховатым поверхностям труб. Выявлено влияние параметров шероховатости на интенсивность переноса тепла, получены расчетные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи.

Разработаны основы экологически чистой технологии ферментации, конструкции пленочных биореакторов.

Практическая ценность работы. Разработанные конструкции пленочных биореакторов, способы культивирования микроорганизмов и экологически чистая технология ферментации позволяют значительно интенсифицировать процесс получения кормового белка при переработке высококонцентрированной ферментативной среды, увеличить производительность, снизить энергозатраты и загрязнение окружающей среды.

На основе представленных научных исследований разработаны метопы инженерного расчета пленочных биореакторов и способы интенсификации тепло- и ыассопереноса.

Целесообразность использования и эффективность разработанных и защищенных авторскими свидетельствами способов выращивания микроорганизмов, проведения тепло- и массообменных процессов в пленке жидкости, конструкций трубчатых насадок и пленочных аппаратов подтверждены результатами, полученными в производственных условиях Красноярского биохимического завода при культивировании кормовых дрожжей, очистке гндролизата, гашении дрожжевой пены, переработке дрожжевой суспензии. Результаты испытаний позволяют рекомендовать научные разработки цля широкого использования в инженерной практике.

Материалы диссертации вошли в учебное пособие "Основы процесса ферментации в производстве кормового белка" (Казань, 1994 г.) и методические указания к проведению лабораторных работ "Исследование трубча-гых насадок плёночного аппарата" (Красноярск, 1992 г.), которые используются при обучении студентов.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы были использованы при проектировании и изготовлении двух промышленных гепломассообменных аппаратов для переработки дрожжевой суспензии на основе гидролизата производительностью 80-120 м3/ч, пленочного фермен-гера для чистых культур дрожжевого цеха, пленочной вакуум-охладительной установки, пленочного аппарата для гашения пены дрожжевой суспензии, проекта пленочного промышленного биореактора для переработки

ферментативной среды с концентрацией редуцирующих веществ 30 - 70 кг/м3 для Красноярского биохимического завода.

Апробаций работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

Всесоюзных студенческих конференциях "Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии" (Казань, 1982, 1984, 1987, 1989), Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии (Сумы, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления создания нового оборудования для микробиологической промышленности" (ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1982), Всесоюзной конференции по химическим реакторам "Химреактор-8" (Чимкент, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Современные машины и аппараты химических производств" ("Химтехника-83", Ташкент, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Гидромеханические процессы разделения неоднородных систем" (ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции по теории и практике ректификации (Северодонецк, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" ("ПАХТ-85", Харьков, 1985), Всесоюзной научно-технической конференции "Химреактор-9" (Гродно, 1986), областной научно-технической конференции "Машины и установки для добычи и транспорта нефти, газа и газового конденсата" (Сумы, 1988), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение аппаратов "мокрого" типа для очистки отходящих газов от вредных и газообразных примесей" (Москва, 1989), Всесоюзном совещании "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии" (Сумы, 1989), Международном симпозиуме "Строение, гидролиз и биотехнология растительной биомассы" (Санкт-Петербург, 1992); Краевых научно-технических конференциях (Красноярск, 1982-1995), Международной ярмарке оборудования, сырья, новых технологий для химической промышленности "Промхимия-95" (Красноярск, 1995).

Лнчиое участке. Автор является научным руководителем и ответственным исполнителем представленных в диссертации работ. Все основные результаты получены лично автором. При использовании материалов других исследователей приводятся ссылки на соответствующие источники.

Автор защищает: Результаты теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики пленочного течения, переноса тепла и массы в турбулентной пленке жидкости, выращивания микроорганизмов в пленочном биореакторе. Конструкции насадок и пленочных аппаратов для проведения биосинтеза. Способы выращивания микроорганизмов и интенсификации процессов тепло- и ыассопереноса. Методику расчета биореактора. Экологически чистую технологию проведения процесса ферментации.

Публикация работы. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе 28 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения.

Объем в структура работы. Работа изложена на 375 страницах, ключает 130 рисунков, 23 таблицы. Библиография - 275 названия.

Диссертация состоит из восьми глав и приложения.

В главе 1 проведен анализ основных типов промышленных биореак-оров. В главе 2 рассмотрены способы организации пленочного течения в рубчатых насадках, проведена их сравнительная оценка, приведены ре-ультаты исследования гидродинамики турбулентной пленки воды и дрожжевой суспензии, стекающей по гладкой поверхности трубчатой насадки. I главе 3 представлены результаты исследования гидродинамики турбу-ентной пленки жидкости, стекающей по поверхности с искусственной ре-улярной крупномасштабной шероховатостью. В главе 4 на примере изо ермической абсорбции кислорода из воздуха водой и ферментативной сре-ой исследована массоотдача в турбулентной пленке, стекающей по гладей и шероховатой поверхности. В главе 5 представлены результаты иссле-ования теплоотдачи в турбулентной пленке воды и дрожжевой суспензии. 1 главе 6 приведены физические параметры дрожжевой суспензии, кине-ические параметры выращивания микроорганизмов, зависимости для рас-ета изменения концентрации растворенного кислорода в пленке дрожже-ой суспензии по длине трубчатой насадки и в объеме жидкости биореак-ора. В главе 7 рассмотрены конструкции разработанных трубчатых наса-ок и пленочных биореакторов, представлен алгоритм расчета биореакто-а, проведен анализ результатов расчета. В главе 8 рассмотрены варианты кологически чистой технологии ферментации. В приложении приведен ример расчета пленочного биореактора, представлены акты промышленно-о внедрения, расчет экономической эффективности реконструкции дрожжевого цеха Красноярского биохимического завода.

1. АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ БИОРЕАКТОРОВ

Одной из причин, сдерживающих развитие промышленного микробиологического синтеза и создание крупнотоннажных установок производ-тва кормового белка, является низкая растворимость кислорода в культу-•альной жидкости, недостаточный отвод тепла и продуктов метаболизма [3 зоны биохимической реакции. Это не позволяет на базе действующего оборудования проводить процесс выращивания микроорганизмов при высоки концентрации биомассы, что предопределяет низкую производитель-гость биореакторов, большие габариты и большой расход отработанного аза и жидкости, подлежащих очистке.

При исследованиях и разработке аппаратуры для промышленного :интеза наиболее сложной задачей является интенсификация переноса кислорода в жидкой фазе. Попытки ее решения часто приводят к значитель-гому увеличению расходов энергии. В связи с этим проведена оценка тех-шко-экономических показателей работы различных типов биореакторов и »ыявлены наиболее перспективные направления их разработки.

Наибольшее распространение получили реакторы с принудительным даспергированием газа (барботажные). В аппаратах этого типа количество

кислорода, доставляемого в жидкую фазу, определяется величиной меж фазной поверхности, развиваемой в результате массового прохождения пу зырей газа через слой жидкости. Скорость переноса кислорода в жидко] фазе, как и скорость отвода продуктов метаболизма, не превышает 0,7 0,9 кг/ЫЧ), а расход воздуха в связй с этим достигает 50 м3/(м^ч). Не которое увеличение скорости переноса кислорода в аппаратах барботажнс го типа достигается путем применения перемешивающих устройств, чт( обеспечивает дополнительное развитие межфазной поверхности и частич ную турбулизацию жидкой фазы. Однако длительная эксплуатация аппара тов барботажного типа с мешалками показала, что увеличение энергетиче ских затрат не всегда сопровождается адекватным повышением эффектов ности процесса. При увеличении подводимой удельной мощности до 11 12 кВт-ч/м3 рост эффективности массопереноса в жидкой фазе имеет при близительно линейный характер, однако дальнейшее увеличение мощност! не приводит к уменьшению диаметра пузырьков газа и росту межфазно! поверхности. Кроме того, усиление аэрации сопровождается снижение» эффективности перемешивающего устройства из-за роста газосодержанш и уменьшения плотности газожидкостной среды.

Повышенные по сравнению с барботажными аппаратами тепло- \ массообменные характеристики достигаются в эрлифтных биореакторах которые нашли наиболее широкое применение в дрожжевом производстве Однако при расходе воздуха 45 - 50 м3/(ы3ч) в них перерабатывается фер ментативная среда с концентрацией редуцирующих веществ менее 1! кг/м3, производительность аппарата объемом 600 м3 не превышает 6 - 7 ■ сухих дрожжей в сутки, скорость переноса кислорода 1,1 - 4 кг/(м3ч) Увеличение скорости транспорта кислорода за счет установки перемеши вающих устройств в циркуляционном контуре вызывает резкое увеличени< энергетических затрат - расход энергии на единицу полученной биомасс* составляет 2-3 кВт-ч/кг, что значительно больше, чем в аппаратах дру гих типов. Увеличение энергозатрат объясняется тем, что хотя интенсив ное перемешивание культуральной жидкости мешалками и способствуй увеличению межфазной поверхности за счет дробления газовых пузырьш до некоторого размера, течение жидкости между пузырьками газа остаетс! преимущественно ламинарным и затраченная энергия не ведет к соответст вующему повышению скорости транспорта кислорода в жидкой фазе.

Небольшие расходы энергии и воздуха достигаются в струйных био реакторах. Однако низкая скорость переноса кислорода в жидкой фазе ш позволяет перерабатывать в них высококонцентрированные среды - допус тимая концентрация редуцирующих веществ в ферментативной среде » превышает 8 кг/м3 ( что приводит к увеличению габаритов и повышении эксплуатационных расходов на очистку и концентрирование биомассы. I струйных аппаратах, как и в барботажных, проявляется эффект флотаци биомассы, снижающий интенсивность микробиологического синтеза.

Большими перспективами промышленного использования обладаю пленочные аппараты, в которых взаимодействие фаз происходит при стеке

:ии турбулентной пленки жидкости по поверхности насадки при высоких лотностях орошения. Впервые процесс культивирования кормовых дрожжей в турбулентной пленке ферментативной среды на основе гидролизата «л осуществлен автором под руководством профессора Н.А.Николаева.

Исследования показали, что скорость переноса кислорода в турбу-ентную пленку достигает 10 кг/См^) и более, поверхностный коэффици-нт массоотдачи (2 - 5)1&2 м/с, что в десятки раз выше значений, дости-аемых в известных промышленных биореакторах. Вследствие высокой коростн подвода^ 1шслорода, отвода тепла и продуктов метаболизма пле-очные биореакторы способны перерабатывать высококонцентрированные итательные среды (5 = 30 - 1(Ю кг/м3) при концентрации микроорганиз-[ов до 100 кг/м3. Это позволяет значительно уменьшить габариты биоректора, снизить расход воды и газа, обеспечить их качественную очистку.

В пленочных биореакторах отвод тепла организуется непосредствен-о в зоне биохимической реакции, что не требует дополнительных конст-уктивных решений и не влияет на процессы тепло- и массообмена. Кроме ого, возможно резкое локальное снижение температуры в пленке культу-альной жидкости при поддержании оптимальной температуры в объеме «едкости биореактора, что интенсифицирует процесс, культивирования.

В пленочных биореакторах из-за отсутствия циркуляции пузырьков глекислого газа в объеме жидкости и интенсивного отвода из пленки про-уктов метаболизма (в частности СОг) исключается их накапливание в ультуральной жидкости, что характерно для аппаратов других типов.

Так как в пленочных биореакторах газ не участвует в создании раз-итой поверхности контакта фаз и в турбулизации жидкости, то проведе-ие ферментации возможно при низких расходах воздуха или чистого газа, ри этом снижаются и потери газа в окружающую среду.

Небольшие габариты пленочных биореаторов при высокой производи-ельности позволяют проводить ферментацию при избыточном давлении и стерильных условиях, что увеличивает степень насыщения жидкости ки-лородом, дает возможность изменять концентрацию газа в культуральной сидкости в процессе ферментации.

При проектировании пленочных биореакторов легко решаются про-лемы масштабного перехода и полученные в лабораторных условиях ре-ультаты могут быть без поправок перенесены на промышленные образцы.

Изучение различных способов транспортирования пленки жидкости о поверхности насадки показало, что при разработке пленочных биореак-оров благодаря низким энергозатратам и повышенной удерживающей спо-обностью целесообразно использовать гравитационное стеканне пленки <идкости. В связи недостаточной изученностью гидродинамики, тепло- и шссообменных характеристик пленочного течения при больших числах 'ейнольдса в работе проведены исследования, направленные на выявление лтимальных условий проведения технологического процесса.

2. ГИДРОДИНАМИКА ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ, СТЕКАЮЩЕЙ ПО ГЛАДКОЙ И ШЕРОХОВАТОЙ. ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ

Наибольшая эффективность в пленочном биореакторе достигается при размещении в пленке всего объема- культуральной жидкости. Поэтому в задачи исследования входил поиск пленкообразующей поверхности с максимальной удерживающей способностью и получение зависимостей для расчета средней толщины пленки жидкости и коэффициента трения.

Измерение толщины пленки жидкости на поверхности трубчатых насадок пленочного биореактора проведены методами отсечки питания и фотографирования при Ле = 2000-100000. В качестве исследуемой жидкости использовалась вода с температурой 15-55°С, ферментативная среда на основе гидролизата и дрожжевая суспензия при температуре 36-40°С. Вязкость дрожжевой суспензии изменялась от 0,6-10"6 до 2,54-10"® м2/с. Пленка жидкости подавалась на поверхность трубы через кольцевой зазор шириной от 3 до 25 мм. В случае орошения наружной поверхности использовались трубы из стального проката, стекла, резины и пластмассы диаметром 30 и 45 мм с длиной рабочего участка 0,15, 0,63, 1,15, 2,75 и 6 м. При орошении внутренней поверхности использовались трубы диаметром 27, 50 и 80 мм и длиной 0,7, 1,0 и 2,75 м.

Гладка и поверхность. Анализ существующих данных по измерению и расчету средней толщины пленки жидкости показал, что подавляющее большинство работ проведено на воде в узком интервале изменения вязкости и ограничены значением числа Рейнольдса до 20000. Полученные зависимости не отражают влияния кривизны канала и диаметра контактных труб, которое необходимо учитывать при высоких нагрузках по жидкости. Противоречивы имеющиеся данные по влиянию входного участка на среднюю толщину пленки.

Результаты экспериментальных исследований средней толщины пленки жидкости 8 на участке стабилизированного течения (длина трубы /> 1,5м) можно представить уравнением:

Уравнение (1) получено на основе анализа баланса сил, действующих на пленку жидкости при стабилизированном свободном стекании по трубе с использованием закона сопротивления Блазиуса в соответствии с принятой аналогией трения в пленке и эквивалентном однофазном потоке.

Для коротких труб, когда влияние входного участка существенно, с целью определения изменения толщины пленки жидкости по длине трубы получено уравнение баланса количества движения жидкости на входном участке

(1)

Г р-2-кг[и + йа)2йг- ] р■ 2кги2(1г = 2Щ рйб( 1 --т0 ¡¿с, (2) ;5-<<5) (й-г) I- -1

•де т0 = Хры2/8, и = «,[(й - гЩ' , и выведено уравнение для расчета лояльной толщины пленки 8 в безразмерном виде

2R(n + l)J п(п + 2)1'

5оП 1, (п + О2

-х" + —-г

(3)

Уравнение (3) позволяет рассчитать изменение толщины пленки жид-гости по длине трубы в зависимости от геометрических размеров канала.

Длина участка стабилизации зависит от расхода и вязкости жидко-:ти, ширины кольцевого зазора распределителя и может достигать 1,5 м.

При исследовании гидродинамики пленки дрожжевой суспензии ис-юльзовались дрожжи Candida scottii при температуре 39°С с концентраци-!Й микроорганизмов х = 4 - 120 кг/м3. Одновременно определялись кон-дентрация микроорганизмов и кинематическая вязкость жидкости. Уста-ювлено, что при х S 80 кг/м3 экспериментальные значения толщины тленки жидкости хорошо согласуются с расчетными по уравнениям (I) и 2). При х > 80 кг/м3 экспериментальные значения б меньше расчетных, jto, вероятно, вызвано резким увеличением вязкости жидкости.

Выявлено, что при стекании по гладкой поверхности трубы толщина 1ленки не превышает 5 мм, в области Re > 50000 наблюдается нарушение )авномерности распределения жидкости по периметру трубы, а при больной вязкости происходит срыв жидкости с поверхности пленки. Это заставляет искать пути увеличения средней толщины пленки и стабилизации 1леночного течения жидкости в диапазоне больших плотностей орошения.

Простым и эффективным способом увеличения удерживающей способности насадки является организация течения пленки по шероховатой юверхности, что увеличивает трение жидкости о поверхность и приводит с увеличению толщины пленки, а отрыв пограничного слоя за выступом пероховатости обеспечивает интенсивное перемешивание жидкости.

Поверхность с искусственной шероховатостью. Исследованию •идродинамики течения турбулентной пленки жидкости по шероховатой юверхности посвящено небольшое число работ. Измерения толщины тленки при использовании кольцевой (поперечной) шероховатости ограни-1ены областью Re 5 6000. Работы по оптимизации поверхностей с искусст-зенной шероховатостью не проводились.

В работе использовались трубы с песочной, продольной, кольцевой и зинтовой искусственной шероховатостью. Основные типы шероховатости и их параметры представлены на рис.1 и в табл.1.

,F=f1

та

га Ш

м

ж

Рис.1. Основные типы шероховатости: а - кольцевая шероховатость с прямоугольным выступом; б - профилированный выступ; в - выступ с тангенциальными проточками; г - винтовая шероховатость на наружной поверхности; д - шероховатость в виде сетки; е - шероховатость с наклонными участками; ж - винтовая шероховатость на внутренней поверхности.

Параметры егсслЕДоглниой шероховатости

Тип шероховатости а б в г д е

Параметры h, км 0,15-1,5 1,5 1,5-2 0,15-1 1-2,5 1-2,5

шероховатости s/h 3,5-200 8 10 3,5-35 8-12 8-12

Таблица 1

ж 0,5-12 4-200

Кольцевая шероховатость. На основе известных физических моделей течения пленки жидкости по шероховатой поверхности получены уравнения для определения средней толщины пленки жидкости и коэффициента трения при различном размещении выступов.

При плотном расположении элементов шероховатости на внутренней поверхности трубы при s/h < 10 уравнение баланса сил, действующих на элемент пленки имеет вид:

(хве + v)2jc(ä-h) = 2n(R - tifc + ejptf, 1 - ^

где xt- касательные напряжения, действующие по ширине выступа; т,- касательные напряжения в зоне отрыва потока; - средняя толщина пленки над выступом; щ - скорость пленки над выстуюм.

ь,}

(4)

После преобразования уравнения (4) получена зависимость для расчета средней толщины пленки

Г2(1±к/Я)

1±—1

hs

2RJ (s -f е)

P2g

U

8(s + е) 4-Jnal(s + е)

-■jl/3

Л .(5)

:одержащая единственную эмпирическую поправку cxi.

Прн определении турбулентных касательных напряжений в зоне отрыва потока использована формула Прандтля для коэффициента турбу-пентного обмена, необходимое распределение скоростей в зоне перемеши-зания получено йз решения задачи о свободной границе струи Гертлера.

Уравнение (5) описывает характер зависимости толщины пленки жидкости 8 от геометрических параметров шероховатости h, е и s/h в лироких диапазонах изменения нагрузок по жидкости, вязкости и параметров шероховатости, а при ff! = 8 расчетные значения средней толщины тленки хорошо согласуются с экспериментальными данными до s/h = 10.

Для расчета коэффициента трения пленки о поверхность насадки с искусственной шероховатостью при s/h < 10 получено уравнение в виде:

8р V

s + е

hPV

Хе

i/з]

8{s + е) 4л/яс,(з + е)

(6)

Сопоставление экспериментальных данных с расчетными значениями соэффициента трения показывает их удовлетворительное совпадение.

Исследования показали, что увеличение отношения s/h от нуля [гладкая поверхность) до s/h - 12 приводит к повышению средней толщины пленки жидкости в 1,7 раза. В интервале параметра s/h от 8 до 12 голщина пленки принимает постоянное максимальное значение. Дальней-uee увеличение параметра шероховатости вызывает снижение удерживаю-цей способности трубчатой насадки.

Повышение высоты выступа шероховатости до 0,7 мм обеспечивает )ост толщины пленки жидкости, при дальнейшем увеличении толщина тленки остается неизменной. Однако в диапазоне нагрузок по жидкости ie > 25000 применение прямоугольного выступа (рисЛа) становится не-юзможным: на поверхности пленки наблюдается струйное течение, поток кидкости, ударяясь о переднюю кромку выступа, срывается с поверхности насадки. Дпя устранения срыва жидкости предлагается кромку выступа шполнять профилированной (рис. 16), благодаря чему жидкость плавно набегает на вершину выступа без отрыва от стенки трубр. Более равномерное распределение жидкости достигается при снабжении кольцевого вы-:тупа тангенциальными проточками (рис.1в).

Песочная шероховатость. При стенании пленки жидкости по поверхности трубы с песочной шероховатостью наблюдается устойчивое те-нение пленки во всем исследованном диапазоне нагрузок и высоты высту-юв (h = 0,15 - 1,1 ым). С увеличением высоты выступов значения к и 5

возрастают. Максимальное значение средней толщины пленки жидкости достигается при к = 1,1 мм.

Анализ экспериментальных данных и известных зависимостей показал, что для расчета коэффициента трения на стенке трубы с песочной шероховатостью можно использовать уравнение А.Д.Альтшуля

а для средней толщины пленки - уравнение (1), представленное в виде:

Вннтошш шероховатость. При стенании пленки жидкости по наружной стенке трубы с винтовой шероховатостью (рис.1 г) при А > 0,3 мм и э/к = 6-12 наблюдается вращательно-поступательное движение жидкости. Возникающая при этом центробежная сила по мере увеличения скорости вращения на длине трубы 0,4 - 2 метра срывает жидкость с поверхности насадки.

Использование винтовой шероховатости, состоящей из участков длиной 200 мм с противоположным наклоном витков (рис.1е), или шероховатости в виде сетки (рис.1д) устраняет срыв жидкости с поверхности трубы. В этом случае с ростом высоты выступов от 0,15 мм до 0,3 мм толщина пленки жидкости увеличивается и ее значения могут быть рассчитаны по уравнению (5). При дальнейшем повышении высоты выступов до 3,0 мм толщина пленки не изменяется.

Установка винтовой шероховатости на внутренней поверхности трубы (рис.1 ж) является наиболее выгодным вариантом, т.к. центробежная сила, вызванная вращательным движением жидкости, стабилизирует пленочное течение, способствует лучшему распределению жидкости по периметру трубы. Толщина пленки жидкости при V = НО*6 м2/с по сравнению с гладкой поверхностью трубы увеличивается в пять раз и может достигать 20 мм и более (рис.2). Одним из важнейших преимуществ течения пленки жидкости по внутренней поверхности трубы с регулярной винтовой шероховатостью является более равномерное распределение жидкости по периметру трубы при ее отклонении от вертикального положения.

Установлено, что при концентрации дрожжей х < 80 кг/м3 и й/к 2 экспериментальные значения средней толщина пленки дрожжевой суспензии, стекающей по внутренней поверхности трубы с винтовой шероховатостью, удовлетворительно совпадают с расчетными по уравнению (5).

Рабочие характеристики для исследованных типов шероховатой поверхности представлены в табл.2.

(7)

(8)

где Не* = АиВ/у = Ш(Х/8)0,Ь¡V = Не(Л,/8)0'5.

б, мм

1

> 5

о- < & р > Й ■4 '3 2

\ 1 »

9

* л ч 1

Уа С Jr »

■<1 vv

> п" > • - а А- б а • в о - Г в - д v - е

<4 Л*'

6 8 10 20 30 40 50 60 70 Re-lO3

Рис.2. Зависимость средней толщины пленхи жидкости от числа Рейнольдса

при стекании по внутренней стенке трубы (d = 51 мм, I = 1,6 м, v = 1-10® и2/с, винтовая шероховатость, s/h - 8): - А = 1,85 мм; б - 3,0; в - 5,5; г - 6,0; д - гладкая внутренняя поверхность; е - гладкая фужная поверхность; точки - экспериментальные данные; линии: 1-5 - расчет по завненшо (5) с учетом угла наклона витков спирали при h = О, 1,85, 3,0, 5,5 и 6,0 мм ¡ответственно; 6 - по уравнению (5) при h = 3,0 мм.

Таблица 2

характеристики шероховатости_

Тип шероховатости Максимальное число Рейнольдса Re Высота h , мм Максимальные значения

8/8г ß/ß. а/а, к/Х,

стекаиие по наружной поверхности трубы

гсочная , 40000 1,1 - 1,25 - 6

¡льцепая 30000 0.7-1,5 8-12 1.7 2,4 - 8

штовая 30000 0,3-1,5 8-12 1,5-2 3,2 1,6 7,5

стеканне по внутренней поверхности трубы

ситовая 100000 и больше 0,5-12 6-в 5 10 1,6 40

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА В ТУРБУЛЕНТНОЙ СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ

Анализ исследований ыассоотдачи в турбулентной пленке жидкости показал, что при стекании пленки по гладкой поверхности они ограничены значениями числа йе - 14000, для шероховатой поверхности Ре ~ 8000.

Массоотдача в пленке жидкости изучалась на примере изотермической абсорбции кислорода воздуха водой, водой с добавкой поверхностно-активных веществ (ПАВ), ферментативной средой на основе гидролизата и культуральной жидкостью. Концентрация растворенного в жидкости кислорода измерялась с помощью датчика с тефлоновой мембраной, работающего на принципе гальванического элемента с серебряным катодом и цинковым анодом. Температура жидкости в опытах изменялась от 4 до 55°С. Диапазон исследованных чисел Рейнольдса - от 1600 до 80000.

Пленка жидкости формировалась кольцевым распределителем с шириной зазора 3 - 5 мм на наружной поверхности труб диаметром 30 мм и 3 - 25 мм на внутренней поверхности труб диаметром 27 и 51 мм. Длина рабочего участка в экспериментах составляла от 0,1 до 3 м. Параметры исследованной шероховатости представлены в таблице 1.

Стешшпе пленвв по гладкой поверхности. Исследования показали, что изменение коэффициента массоотдачи по длине трубы наблюдается на участке длиной менее 1,3-1,5 м. Длина участков стабилизации значений р и 8 практически совпадают. Коэффициент массоотдачи на начальном участке возрастает с увеличением ширины кольцевого зазора распределительного устройства и повышением скорости пленки.

Обработка экспериментальных данных по массопереносу в турбулентной пленке жидкости, стекающей по гладкой поверхности длинных труб, показала, что они описываются соотношением р ~ Ие0-8.

Более значительная зависимость коэффициента массоотдачи от числа Рейнольдса наблюдается при стекании жидкости по внутренней поверхности канала, при этом значения {5 в пленке больше коэффициента массоотдачи в пленке, стекающей по наружной стенке (рис.3). В области больших чисел Рейнольдса (20000 - 60000) это расхождение составляет 20 - 30 %.

Результаты экспериментальных исследований массоотдачи в турбулентной пленке воды, стекающей по гладкой поверхности труб длиной более 1,5 м аппроксимированы уравнением:

где А = 6.45-104, число Рейнольдса Ле* рассчитывается по "динамической" скорости на стенке трубы:

(9)

Поверхность с регулярной искусственной шероховатостью.

Зависимость коэффициента массоотдачи от параметра шероховатости s/h аппроксимирована уравнением:

P = Pmto + (Pm«-Pmln>I (11)

9(s/hf Л 13

ГДе й = 64(д/А + 1) ПРИ < 8' а= ПРИ s/h > 12' Здесь Pmm ■ коэффициент массоотдачи в пленке жидкости, стекающей по гладкой поверхности, ртах - коэффициент массоотдачи при отекании пленки жидкости по шероховатой стенке трубы при оптимальных значениях s/Л.

Результаты исследований массоотдачи в жидкости показали, что установка винтовой шероховатости на внутренней поверхности трубы явля-гтся наиболее выгодным вариантом по сравнению с другими типами шероховатости. При этом достигается увеличение коэффициента массоотдачи в десять и более раз по сравнению с гладкой поверхностью (рис.3).

Для расчета коэффициента массоотдачи при стекании пленки жидкости по стенке трубы, покрытой элементами шероховатости, получено выра-кение:

Sh*=^(Re')lSSc°'V(*+), (12)

да А = 6,45-КН, при А+< 150 /(А+) = I и при А+ £ 150 /(А+) = А+/150.

Параметр /(А+) позволяет учесть влияние крупномасштабной турбу-1ентности, генерируемой выступами большой высоты, на массоперенос в гленке жидкости на шероховатой поверхности. Уравнение (12) описывает >езультаты экспериментальных исследований при стекании пленки по вин-■овой и кольцевой шероховатости. Граница применимости уравнения ис-ледована в диапазоне безразмерной высоты элементов шероховатости А+ = 20 - 1600.

Обработка экспериментальных результатов по формуле (12) позволи-ia избежать получения набора эмпирических зависимостей, различных для каждой использованной высоты элементов шероховатости.

Песочная Езерохоиатоеть. Установлено, что при безразмерной вы-оте выступа А+ =11-17 (А =0,15 мм), когда выступы шероховатости утоплены в вязком слое пленки, коэффициенты массоотдачи на 10 - 15% ниже, :еы при стекании жидкости по гладкой поверхности трубы. При дальней-jeM увеличении высоты выступов (А+ - 50 - 122) значения коэффициен-ов массоотдачи, полученные при стекании пленки по шероховатой поверх-[ости н гладкой стенке, совпадают.

В этой области значений безразмерной высоты выступа шерохова-ость выходит за вязкий слой, но не оказывает заметного влияния на тур-¡улентное ядро потока. При А+ > 160 значения коэффициента массоотдачи величиваются на 15% по сравнению со стеканием пленки по гладкой по-ерхности трубы.

вертикальной стенке трубы = </ = 20°С): а - течение по внутренней поверхности трубы при ё =27 мы, I = 2,0 м; б - течение по наружной поверхности при й = 30 мм, I - 2,0 ы; в, г, д. - течение го внутренней поверхности при й - 51 им, I « 1,6 м, в/А = 10 (в - Л = 1,85 мм, г • 3,0, д - 5,0); пунктирная линия - гладкая труба, й = 25 ым, / = 2,0 и (данные Н.Н.Кулова); Сплошные линии - расчет по формулам (9) и (12).

Исследование массообиеаа в пленке ферментативной среды.

Увеличение концентрации редуцирующих веществ в ферментативной среде приводит к уменьшению поверхностного натяжения, что, как было установлено экспериментально, снижает интенсивность переноса массы в пленке. Аналогичные результаты были получены при исследовании массоотда-чи в пленке воды с добавкой отрицательных ПАВ (Синдамит-5). Это показывает, что снижение коэффициента массоотдачи в ферментативной среде обусловлено влиянием поверхностно-активных веществ. При стенании пленки жидкости с ПАВ по гладкой поверхности трубы при Йе 5 10000 и с = 25-10^ Н/м коэффициент массоотдачи в пять раз меньше, чем в чистой жидкости, что обусловлено "гашением" волновой структуры пленки, которая интенсифицирует массообмен в указанном диапазоне нагрузок. Однако с увеличением числа Рейнольдса влияние ПАВ на массообмен уменьшается. При больших значениях йе, а также в случае стекания пленки жидкости по поверхности с крупномасштабной шероховатостью уменьшение коэффициента массоотдачи составляет не более 30% и практически не зависит от нагрузки по жидкости. Обработка экспериментальных данных по известной зависимости

1/0 = 1/(3,+1/Р5, (13) •

где р - общий коэффициент массоотдачи в пленке ферментативной среды, - коэффициент массоотдачи в чистой воде, (35 - коэффициент массоотдачи при наличии редуцирующих веществ в жидкости, позволила для расчета коэффициента массоотдачи в пленке ферментативной среды, стекающей по поверхности с искусственной крупномасштабной шероховатостью получить уравнение:

Р = Р,

где а - поверхностное натяжение воды; ст0 - поверхностное натяжение рабочей жидкости.

Исследовапне непзотермичесвой абсорбция в пленке. Наибольшее число исследований абсорбции в пленке проводились в изотермических условиях при одинаковых температурах жидкости и газа. Однако в инженерной практике температура пленки - 36 - 39°С) может отличаться от температуры воздуха = 10 - 25°С). Установлено, что при ^ > tg наблюдается испарение влаги с поверхности пленки и снижение коэффициента массоотдачи. Согласно полученным экспериментальным данным, испарение приводит к снижению коэффициента массоотдачи до двух раз (рис.4). С увеличением чисел Рейнольдса для жидкости и газа и разности их температур влияние неизотермичности возрастает. Установлено также, что при наличии конденсации влаги из воздуха на поверхность пленки коэффициент массоотдачи увеличивается до 35%.

г Г ( «VI т-1

1Д5ехр + 1

Чсг«,^

(И)

Р-ю?

м/с 60 50 40

30 20

10

8 6

4 68 10 2 346 Ле-Ю"3

Рис.4. Влияние нензотермичности на массоотдачу в пленке воды при контактировании с открытым объемом воздуха при Ц > ¡е: стенание по гладкой наружной поверхности трубы при ¿= 30 мы, I = 1,5 м, 24°С: 1 - Ц - 40°С, 2 - 50, 3 - 60, пунктирные линии 6 и 7 - опытные данные при изотермической абсорбции: 6 = 40°С, 7 - 60; стекание по наружной

поверхности трубы с винтовой шероховатостью при й ~ 30 мм, I = 1,36 м, ¡д =24°С, « = 1,5 мм, в/к = 10: 4 • tf = 40°С, 5 = 50, пунктирные линии 8 и 9 - опытные данные при гр V- 8 ' 40°С, 9 - 50.

На основании уравнений сопряженного неэквимолярного тепло- и массообмена проведена обработка опытных данных по абсорбции кислорода из воздуха водой. Подтверждено, что при неизотермической абсорбции сопротивление массопереносу сосредоточено в обеих фазах. Испарение воды в воздух определяется диффузионным сопротивлением газовой фазы, в то время как процесс абсорбции кислорода полностью определяется сопротивлением жидкой фазы, которые существенно влияют друг на друга.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ В ТУРБУЛЕНТНОЙ СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ

В пленочном биореакторе в процессе жизнедеятельности микроорганизмов выделяется тепло, которое отводит« из пленки культуральной жидкости через стенку трубчатой насадки. Аяализ известных экспериментальных и теоретических зависимостей для расчета коэффициента теплоотдачи в пленке, стекающей по гладкой и шероховатой поверхности труб, не позволил отдать предпочтение одному иг уравнений вследствие их существенного различия, что потребовало дополнительных исследований.

Экспериментальные исследования проводились на трубчатых насадках из нержавеющей стали диаметром 30x1,6 мм и 57x2,5 мм длиной 2,13 - 2,5 м. Исследовалась винтовая шероховатость из медной проволоки при h = 0,13, 0,3, 0,7, 0,85, 1,0, 1,5, 2,0 мм и s/h = 10. Изучалась теплоотдача в пленке воды, воды с добавкой ПАВ (Синдамит-5) и культуральной жидкости.

При расчетах коэффициент теплоотдачи относился к поверхности гладкой трубы. При нахождении количества переданного тепла учитывались его потери в окружающую среду с поверхности пленки. Расчет осуществлялся для участка с линейным распределением температуры по длине трубы по специально разработанной методике.

Поверхность стальной трубы из проката. Установлено, что при Рг = 4 - 4,2 опытные значения а удовлетворительно описываются уравнениями, полученными Shmerler (1986 г.) и Нигматулиным (1987 г.).

Значения коэффициента теплоотдачи в пленке жидкости, рассчитанные на основе аналогии переноса тепла в пленке и однофазном потоке в области развитого турбулентного течения примерно на 20% больше экспериментальных. Аналогичные результаты получены при сравнении опытных значений коэффициента теплоотдачи в пленке и в однофазном потоке при Re > 10000. Снижение коэффициента теплоотдачи в пленке по сравнению с однофазным потоком при больших числах Рейнольдса обусловлено тем, что гашение турбулентных пульсаций в пленке осуществляется не только силами вязкого трения вблизи стенки насадки, но и за счет сил капиллярного характера на поверхности пленки, а также наличия струйного течения. Примерное равенство коэффициентов теплоотдачи в пленке и однофазном потоке при Re й 6000 можно объяснить интенсифицирующим действием волн.

В области низких значений критерия Рейнольдса при h*< 4 изменение числа Прандтля от 4 до 7 приводит к незначительному увеличению коэффициента теплоотдачи (рис.5), что подтверждается экспериментальными данными других исследователей. Однако при больших значениях Re получено увеличение а в 1,4 раза.

Обработка экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи

в виде зависимости а = (где высота выступов шероховатости принималась h = 0,025 мм) показала, что максимальное увеличение коэффициента теплоотдачи достигается при > 4, показатель степени при числе Прандтля равен 0,57 - 0,62. В этой области нагрузок по жидкости поверхность стальной трубы не является гидравлически гладкой, выступы шероховатости разрушают вязкий пристенный слой пленки жидкости и интенсифицируют процесс переноса тепла.

Для расчета коэффициента теплоотдачи в пленке жидкости можно рекомендовать следующую зависимость:

а = ß • Re0,3 Pro,6(Xo/0). (15)

Значения параметра В в зависимости от А+ и Рг представлены в табл.3.

а-103, Вт/(М2.К) 20

10

8

6

4

Рис.5. Зависимость коэффициента теплоотдачи от числа Реннольдса при стекании пленки по поверхности трубы из проката, при й - 30 мм, I = 2,2 м: экспериментальные точки: I - Рг = 7,4 - 7,9; 2 - 5,7 - 6; 3 - 5,0; 4 - 4; 5 - 6,8 и 6 - 3,6 (вЬтггкг); 7 - 5,4 и 8 - 9,4 (АУЛке); линии 9 и 10 - расчет по уравнению (15) при Рг = 4 и Рг = 7 (Л+ < 4); 11-13 - уравнение (15) при Рг = 5, Рг = 6 и Рг = 7,5 (А+> 4).

При йе > 10000, влияние ПАВ на теплоотдачу не обнаружено. Однако при малых нагрузках по жидкости наблюдается снижение коэффициента теплоотдачи до двух раз, что согласуется с данными И.И.Чернобыльского (1968 г.).

Результаты исследования теплоотдачи в пленке дрожжевой суслен-зии при развитом турбулентном течении пленки показали, что значения коэффициента теплоотдачи для воды и дрожжевой суспензии совпадают и могут быть рассчитаны по уравнению (15).

Поверхность с винтовой шероховатостью. Экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи в пленке воды, стекающей по поверхности с искусственной винтовой шероховатостью при различной высоте выступа, представлены на рис.6.

Наличие винтовой шероховатости на поверхности трубы позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи в 1,6 раза. Максимальная интенсивность теплоотдачи достигнута при к0р\ — 0,13 мм и безразмерной высоте выступа й+ > 29. При увеличении высоты выступа коэффициент теплоотдачи уменьшается, достигая значения для гладкой поверхности, что согласуется с данными Шейнкмана (1977 г.) Снижение коэффициента теплоот-

Таблица 3

Значения параметра в_

к* ¿4 > 4

Рг 4 - 7 4 5 6 7

В 0,0106 0,0106 0,0129 0,0143 0,0162

а-103, Вт/ (м2К) 20

10

8

6

4

1 2 3 4 5 6 7 8 910 20 30 Re-lO3

Рис.6. Зависимость коэффициента теплоотдачи от числа Рейнольдса при стекании пленки воды по наружной поверхности трубы с винтовой шероховатостью

при d = 30 мм; I = 1,9 м; Рг = 4,5; s/h = 10: экспериментальные точки: 1 - h = 0,13 им; 2 - 0,3; 3 - 0,7; 4 - 0,85; 5 - 1,0; 6 - 1,5; 7 -пленка на внутренней поверхности трубы при d = 51 мм, / = 2,3 м, к = 2,0 мм; 8 -гладкая поверхность стальной трубы при d = 30 мы; линии: 9 - расчет по данным Шейнкмана (1977 г.); 10 - Чернобыльского (1972 г.); 11 - по уравнению (15) для гладкой поверхности.

дачи с ростом h обусловлено в большей степени изменением структуры потока жидкости вследствие увеличения газосодержания в пленке.

Для расчета коэффициента теплоотдачи в пленке жидкости, стекающей по поверхности с искусственной шероховатостью, при Л+ > 29 предложена зависимость:

аг = 1,58а(А/А0^Д, (16)

где A0pt - высота выступа, при которой достигается максимальное значение коэффициента теплоотдачи.

Б. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВШ2Ш!ЕРШ!СГЕЙ ТЕКЛО- И МАСООПЕРШССЛ ПРИ КУЛЬИШНРШАННИ МЙКРОСРТАШШШВ

На основании анализа известных данных и экспериментальных исследований выявлены зависимости для определения основных физических параметров дрожжевой суспензии и кинетических параметров процесса культивирования, что позволило на базе исследования гидродинамики, тепло- и массопереноса осуществить процесс выращивания микроорганизмов в пленочном аппарате при стекании пленки жидкости по поверхности с трубчатыми насадками с различной шероховатостью.

Культивирование микроорганизмов в турбулентной пленке, осуществлялось периодическим и непрерывным способом на ферментативной среде, включающей гидролизат и дрожжи Candida scottii.

.-1 о-5 V-2 0-6 Q-3 X - 7 о - 4 +- 8

9 0 о- -- и 9л- лг cr

jn-

у jjj К' t x A

10^ 4

11

Исследования показали, что оптимальной конструкцией пленкообразующей поверхности является винтовая крупномасштабная шероховатость, установленная на внутренней поверхности трубы.

Результаты выращивания дрожжей непрерывным способом в аппарате объемом 50 литров с трубой диаметром 51 мм и длиной 3 м при h = 4 мм, s/h = 10 представлены в табл.4.

Полученные данные показали возможность интенсификации процесса культивирования дрожжей в пленочном биореакторе. При выращивании дрожжей на ферментативной среде на основе гидролизата с концентрацией редуцирующих веществ до 40 кг/и3 (в заводских условиях S = 7 - 9 кг/м3, х - 4 г/л), экономический коэффициент составил от 43 до 58% в зависимости от скорости протока = 0,18 - 0,27 ч1.

При проведении исследований оказалось возможным изменять в широком диапазоне концентрацию растворенного кислорода в емкости для культивирования за счет изменения кратности циркуляции жидкости через насадку, чего невозможно достичь при барботаже и газлифте. Так, при концентрации дрожжей х = 20 г/л, ц = 0,23 ч1 и кратности циркуляции 100 ч-1 концентрация растворенного кислорода в дрожжевой суспензии составила 0,7 с*, а при кратности 50 ч-1 снизилась до 0,2 с*.

Свободное стекание пленки жидкости в режиме слабого взаимодействия с потоком воздуха исключило интенсивное пенообразование, обеспечило равномерное распределение биомассы в объеме. Небольшие добавки пе-ногасителя стабилизируют слой крупноячеистой пены высотой 30 - 70 мм на поверхности жидкости. Относительно высокая кратность циркуляции жидкости и отвод тепла непосредственно из реакционной зоны позволили поддерживать оптимальную температуру культивирования.

Поглощение кислорода культуральной жидкостью. Наличие микроорганизмов в жидкости, дыхательная активность которых сопоставима со скоростью абсорбции кислорода, приводит к снижению концентрации растворенного кислорода в пленке культуральной жидкости по сравнению с пленкой жидкости без микроорганизмов. В этой связи получена и экспериментально подтверждена зависимость, позволяющая определять концентрацию кислорода в пленке дрожжевой суспензии:

Таблица 4

Результаты выращивания дрожжей непрерывным способом

Концентрация PB в ферментативной среде S, кг/м3 Скорость протока ц = D\, ч1 Рабочая концентрация биомассы х„, кг/м3 Остаточное содержание PB So, кг/м3 Экономический коэффициент У, %

10,6 0,18 17 1,3 48

9,0 0,23 17 1,5 58

9,0 0,27 17 2,0 50

9.5 0,30 13 3,7 -

9,0 0,34 режим вымывания -

25,1 0^25 36 4,1 43

40,0 0,24 64,8 4,0 45

где к = ^ ± ± - коэффициент, учитывающий влияние кривизны

канала на поверхность контакта.

мг/л б

. 1

i 3__ 2

/ 4

5

fr

Зависимости концентрации кислорода в пленке от длины показаны на рис.7. При х= 100 кг/м3 концентрация практически не растет - скорость подвода кислорода в жидкость равна скорости его потребления. Однако количество поглощенного кислорода при этом максимально, поскольку движущая сила процесса ас имеет наибольшее значение. Наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных данных получено при подстановке в

О 1 2 3 4 5 I.»

Рнс.7. Изменение концентрации кислорода в пленке дрожжевой суспензии по длине трубчатой насадки при ¿=51 мм, А= 3 мм, s/fi= 10, Re= 50000: Линии - расчет по уравнению (17) при t = 38°С, уравнение (17) значений ко-с*= б-io-3 кг/м3, с, = 0,1с*, q = 4,17-10-5кг/(кг-с):эффИЦИента массоотдачи, 1 - * = 0; 2 -10 кг/мЗ; 3 - 20; 4 - 50; 5 - 100. „айденных по формуле (14).

При размещении жидкости в объеме аппарата важно определить концентрацию кислорода по высоте слоя жидкости. Зависимость имеет вид:

«*)-•-(—'-?;Н-¥)-1 ««

Уравнение (18) позволяет определить концентрацию кислорода в црожжевой суспензии по высоте аэрируемого слоя жидкости в рабочем эбъеме биореактора при равномерном распределении микроорганизмов, которое достигается при скорости движения слоя жидкости й0 > 0,008 м/с.

6. СХЕМЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Традиционная схема получения продуктов микробиологического синтеза включает бнореактор, систему подготовки воздуха и установку очист-т газа. Вследствие большого объема воздуха, перекачиваемого через био-эеакторы, установки подготовки воздуха и очистки отработанного газа шеют значительные габариты, что определяет высокую стоимость оборудования и большие эксплуатационные расходы. В этой связи возникает не->бходимость создания принципиально новых экологически чистых способов получения продуктов микробиологического синтеза без непрерывное тотребления воздуха и выброса отработанного газа в атмосферу.

Основной принцип создания экологически чистой технологии состоит в организации замкнутого цикла по газу, реализуемого за счет удаления выделяющихся в реакторе двуокиси углерода и других продуктов метаболизма, возврата очищенного газа в реактор после добавления необходимого количества кислорода (рис.8). Внедрение предлагаемого способа позволит достичь полного использования кислорода, повысить стерильность процесса, исключить линию подготовки воздуха и его выброс вместе с микроорганизмами в атмосферу. Поглощение двуокиси углерода из газа может проводиться известными методами химической или физической сорбции.

Реализация предлагаемого способа ведения микробиологического синтеза предполагает использование высокоэффективных биореакторов, способных перерабатывать высококонцентрированные питательные среды при низких расходах потребляемого воздуха (газа) и энергии. Наиболее предпочтительными для достижения указанных целей являются пленочные биореакторы.

Разработана технологическая схема с замкнутым циклом по газу при получении кислорода из атмосферного воздуха путем его контакта с нейтральной жидкостью. В этом случае атмосферный воздух поступает в абсорбер, контактирует с нейтральной жидкостью, обладающей большой поглотительной способностью по кислороду. Насыщенная кислородом культуральная жидкость поступает в дегазатор, где осуществляется выделение кислорода, который затем поступает в биореактор. Газ с продуктами метаболизма из биореактора поступает на очистку в абсорбер, контактирует с абсорбентом, который затем отводится на регенерацию, а очищенный газ вновь поступает в биореактор.

Указанная схема позволяет исключить контакт атмосферного воздуха с микроорганизмами, что предотвращает его загрязнение, а при дополнительном вводе переносчика кислорода в нейтральную жидкость исключаются проблемы его извлечения из культуральной жидкости.

1 - реактор; 2 - абсорбер; 3 - десорбер; Т - теплообменник; С - сепаратор; Е - сборная емкость; К - компрессор; Ф - фильтр.

Несомненный интерес представляет разработанный способ совмещен-зго культивирования микроорганизмов, потребляющих в процессе своей ;изнедеятельности кислород и выделяющих двуокись углерода, с микроор-шизмами, потребляющими двуокись углерода и выделяющими кислород, апример, совмещенное получение биомассы дрожжей Candida scottii и пореллы, которая может быть использована в качестве кормовой добавки, овмещенный способ позволяет организовать экологически чистое и безот-одное производство продуктов микробиологического синтеза при сущест-гнном сокращении необходимого для этой цели оборудования и резком экращении капитальных и эксплуатационных затрат.

Реализация предлагаемых экологически чистых технологий предпола-зет использование очищенных питательных сред, что позволит увеличить ыход биомассы. В этой связи были проведены исследования очистки гид-олизата в пленочных аппаратах, которые показали их эффективность.

7. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ БИОРЕАКТОРОВ

В работе представлены различные варианты пленочных биореакто-ов, которые можно разделить по конструктивному оформлению на одно-тупенчатые и •многоступенчатые. Наличие контактных ступеней по высоте ппарата позволяет снизить кратность циркуляции жидкости и обеспечить азмещение жидкости в аэрируемых зонах.

В качестве пленкообразующих поверхностей в биореакторе разрабо-аны конструкции трубчатых насадок, выполненные в виде цилиндриче-ких каналов, на внутренней поверхности которых установлена винтовая :рупномасштабная шероховатость. Проведена оптимизация основных гео-нетрических параметров насадки и оценка их эффективности. В качестве »аспределительного устройства в трубчатой насадке предлагаются щелевые гаспределители, которые обладают высокой пропускной способностью и юзволяют обеспечить требуемый уровень жидкости на горизонтальной герегородке 100 - 500 мм при ширине кольцевого зазора 10-25 мм.

На основании полученных результатов разработана методика расчета тленочного биореактора. В предлагаемом варианте расчета определяются технологические параметры биореактора (рабочий объем жидкости, концентрация микроорганизмов, расход питательного сусла и количество потребляемого кислорода), рассчитываются физические параметры культу-эальной жидкости (вязкость, плотность, поверхностное натяжение и т.д.). На основе заданных параметров трубчатой насадки определяются гидродинамические характеристики (коэффициент трения, средняя толщина пленки жидкости) и иассообменные параметры (коэффициенты массоотдачи, конечная концентрация кислорода в пленке культуральной жидкости). Осуществляется оптимизация насадки с целью определения оптимальных длины и диаметра, параметров шероховатости. Проводится тепловой и конструктивный расчет биореактора, рассчитывается высота столба жидкости на контактных ступенях и размеры циркуляционных труб.

Анализ результатов расчета пленочных биореакторов и их эксплуатация позволяют сделать следующие обобщения. С повышением содержания редуцирующих веществ в питательном сусле (5 = 1-10%) происходит незначительное увеличение энергозатрат, уменьшается рабочий объем биореактора, увеличивается концентрация' микроорганизмов в культуральной жидкости. Для каждого диаметра трубчатой насадки пленочного биореактора определен оптимальный расход культуральной жидкости, при котором достигаются наименьшие удельные затраты энергии. С увеличением диаметра трубчатой насадки их количество на контактной ступени уменьшается. Наименьшие удельные затраты при установке трубчатой насадки с винтовой шероховатостью достигаются на длине трубы 1,5-2 метра. Повышение, давления газа в аппарате не приводит к существенному изменению энергозатрат на проведение процесса. Затраты на компримирование газа компенсируются повышением равновесной концентрации кислорода в жидкости и уменьшением мощности перекачивающего устройства. Снижение кратности циркуляции жидкости через насадку, и, следовательно, уменьшение энергозатрат, возможно путем повышения парциального давления кислорода в зоне контакта и секционирования биореактора. Для снижения расхода отработанного газа целесообразно подавать в аппарат чистый кислород или воздух с повышенной его концентрацией. При конструировании биореактора рабочий объем культуральной жидкости рекомендуется размещать в циркуляционном контуре, что уменьшает габариты аппарата.

Сравнение основных показателей работы биореакторов (табл.5) показывает преимущества пленочных аппаратов. Их применение снижает энергозатраты и расходы на очистку отработанной жидкости и воздуха, уменьшает габариты и увеличивает производительность оборудования.

Таблица 5

_ Показатели биореакторов

Газлифтный

Газдафтьйс

механическими

С самовсасывающей

Струйный

Шахтный

Пленочный

устройствами Скорс мешалкой сть переноса кислорода, кг/(м3ч)

1Д -4,0 4-7 7 | 0,4-0,7 | 1-3 | 10

Объемный коэффициент кассоотдачи, ч"1

200 -450 450- 1000 1000 I 100-150 | 250 - 400 | 1500 - 4000

Поверхностный коэффициент ыассоотдачи. м/с

<1,3- 5)10-4 (5-6)НН 61СИ /(0,4-0,7)-1СН | (1.5 - 4)-10~4 | (2 - 5)-10-2

Концент рация редуцирующих веществ, кг/м3

8 30 30 30 I 8 | 30 | 100

Удельный раыод воздуха, ы3/кг

30 -50 34 29 -43 I 10 | 19 | 0- 10

Концентрация биомассы (АСВ), кг/м3

4- 10,5 10 10 • \ 4 | 10 I 50- 100

Коэффициент заполнения

0,33 0,7 0,4 1 0,33 | 0,33 | 0,8

Удельный расход янергии, кВт-ч/кг

0,8 -1,75 2-3 I 3-4 I 0,4-0,5 | 0,6-0,7 | 0,6 - 1,4

ВЫВОДЫ

1. На основании всестороннего изучения гидродинамики, тепло- и массообмена, биохимического процесса в пленке ферментативной среды, стекающей по гладкой и шероховатой поверхностям труб, предложен новый подход и разработаны научные основы ферментации кормового белка в пленочном биореакторе.

2. Анализ показателей работы биореакторов показал, что пленочные аппараты являются практически единственным типом оборудования, который может удовлетворять требованиям, предъявляемым к биореакторам. Они обеспечивают наибольшие значения коэффициента массоотдачи, не накапливают в жидкости газообразные продукты метаболизма, исключают пенообразование и флотацию микроорганизмов, способны перерабатывать высококонцентрированные питательные среды при низких расходах газа и отработанной жидкости, имеют малые габариты, исключают неравномерность распределения температуры и концентрации микроорганизмов в рабочем объеме аппарата, обеспечивают варьирование температурой, давлением и концентрацией газа в жидкости в широких диапазонах значений.

3. Сравнительная оценка различных способов организации пленочно- ' го течения (гравитационное стекание, восходящий и нисходящий прямоток) с целью обеспечения минимальных удельных затрат показала, что наиболее перспективным является проведение процесса аэробной ферментации в гравитационно стекающей турбулентной пленке жидкости. Исследования гидродинамики стекающей пленки жидкости с целью достижения максимальной удерживающей способности трубчатой насадки по жидкости

и создания малогабаритных пленочных биореакторов большой единичной мощности показали необходимость установки на поверхности насадки крупномасштабной искусственной регулярной шероховатости. Установлено, что максимальной удерживающей способностью обладают трубчатые насадки, на внутренней поверхности которых установлена винтовая шероховатость, позволяющая увеличить удерживающую способность насадки по сравнению с гладкой поверхностью трубы в пять раз. На основании известных физических моделей течения пленки жидкости разработан метод расчета средней толщины пленки жидкости и коэффициента трения, необходимых для расчета, и проведено их сопоставление с экспериментом.

4. Экспериментальные исследования массообмена в турбулентной пленке жидкости, стекающей по гладкой и шероховатой поверхности, позволили выявить эффективные варианты конструкций трубчатых насадок и оптимальные геометрические параметры искусственной шероховатости, при которых достигается максимальная интенсивность массообмена. Установлено, что при безразмерной высоте выступа А+= 20 - 150 коэффициент массоотдачи в Пленке жидкости практически не зависит от геометрической высоты и формы выступа шероховатости. Наибольшее влияние на массооб-мен оказывают элементы шероховатости, расположенные на стенке трубы с оптимальным параметром s/h и имеющие безразмерную высоту h*> 150.

Получены расчетные зависимости для определения коэффициента массоот-дачи в турбулентной пленке жидкости, стекающей по гладкой и шероховатой поверхности трубчатой насадки. Выявлено влияние поверхностно-активных веществ на массоотдачу в турбулентной пленке воды и ферментативной среды на основе гидролизата. Установлено, что наибольшее увеличение массообмена (в 10 раз по сравнению с гладкой поверхностью) достигается в трубчатой насадке при стенании турбулентной пленки жидкости по внутренней поверхности трубы с крупномасштабной винтовой шероховатостью при h = 4 - 5 мм и s/A = 6 - 8.

5. Экспериментальные исследования позволили выявить влияние выступов шероховатости на интенсивность переноса тепла в турбулентной пленке жидкости, стекающей по гладкой поверхности трубы из стального проката. Максимальное воздействие шероховатости проявляется при безразмерной высоте выступов А+ > 4. Изучено влияние параметров шероховатости на коэффициент теплоотдачи в пленке жидкости в зависимости от физических свойств теплоносителя и нагрузки по жидкости. Установлено, что максимальная интенсивность теплообмена достигается при шероховатости А* > 29 и минимальной геометрической высоте выступа. Применение искусственной винтовой шероховатости приводит к повышению коэффициента теплоотдачи в турбулентной пленке жидкости в 1,6 раза. Получены зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи в турбулентной пленке жидкости, стекающей по гладкой и шероховатой поверхности труб.

6. Исследован процесс неизотермической абсорбции в турбулентной пленке жидкости, сопровождающейся конденсацией и испарением влаги на поверхности пленки. Установлено влияние газовой фазы на интенсивность массообмена при неизотермической абсорбции кислорода жидкостью.

7. Рассмотрены закономерности выращивания дрожжей в ферментативной среде иа основе гидролизата, представлены физические параметры дрожжевой суспензии. Показана принципиальная возможность интенсификации процесса аэробной ферментации в пленочном биореакторе, представлены результаты выращивания дрожжей в непрерывном и периодическом режимах. Получены зависимости для расчета изменения концентрации растворенного кислорода в пленке дрожжевой суспензии по длине насадки и в рабочем объеме жидкости, проведено сопоставление с экспериментом.

8. Предложены новые способы получения биомассы дрожжей и интенсификации тепло- и массообмена в турбулентной пленке жидкости, конструкции трубчатых насадок и пленочных аппаратов. Разработана методика расчета пленочного биореактора, проведен анализ результатов расчета.

9. Разработаны основы экологически чистой технологии проведения ферментации микроорганизмов, исключающей выбросы вредных примесей в атмосферу и позволяющей решить накопившиеся проблемы, что дает новый импульс развитию микробного синтеза.

10. Проведенные исследования и результаты промышленной апробации свидетельствуют о перспективности применения разработанных подходов для усовершенствования процесса аэробной ферментации.

заключение

Проведено комплексное исследование гидродинамики, массообмена и теплообмена в турбулентной пленке жидкости, стекающей по гладкой и шероховатой поверхности труб. Полученные результаты позволили повысить скорость транспорта кислорода, осуществить выращивание аэробных микроорганизмов в пленке жидкости и показали перспективность нового подхода к проведению процесса ферментации.

Выполненный цикл исследований обеспечил создание экологически чистой технологии выращивания микроорганизмов, позволил разработать биореактор большой производительности. Результаты исследования, методы расчета являются базой для дальнейшего развития научных работ и внедрения новой технологии в производство.

the conclusion

The complex research of hydrodynamics, of mass transfer and exchange of heat in turbulent liquid films, which down flow on smooth and rough tubes surfaces was carried out. The results, which were received, have allowed to increase the intensity of oxygen transfer, to cultivate of aerobic microorganismes in a film of a liquid and have shown the perspective of the new approach to intensification of biosynthesis process.

The executed cycle of researches had ensured creation of ecological unpolluted technology for industrial production of microbiological synthesis products, allowed to elaborate multitubular film fermenters with large productivity. The results of research, methods of calculation are the base for further development of scientific works and application of new technology in production.

Основные условные обозначения

с - концентрация растворенного газа в жидкости; с* - равновесная концентрация газа в жидкости; С\ - начальная концентрация газа; Dm - коэффициент молекулярной диффузии; в - ширина выступа элемента шероховатости; h - высота элемента шероховатости или высота столба жидкости на контактной ступени; I - длина трубчатой насадки; п - показатель степени; g -ускорение свободного падения; q - скорость потребления кислорода микроорганизмами; R, d, - радиус и диаметр трубчатой насадки; s - расстояние между элементами шероховатости; S - концентрация редуцирующих веществ (PB); t - температура жидкости; й- среднерасходная скорость жидкости; и*- "динамическая" скорость пленки жидкости; х - концентрация абсолютно сухих дрожжей в жидкости; хп - содержание дрожжей в жидкости в пересчете на прессованную массу (при влажности 75%); а -средний коэффициент теплоотдачи; Р - коэффициент массоотдачи; р„ -объемный коэффициент массоотдачи; So - ширина кольцевого зазора распределителя жидкости; Ô - средняя толщина пленки жидкости; Ô - локальная толщина пленки жидкости; v - кинематическая вязкость жидкости; X -

коэффициент трения пленки жидкости на гладкой стенке трубы; Х<>-коэффициент теплопроводности жидкости; т0 - касательные напряжения на гладкой стенке трубы; р - плотность жидкости; о - поверхностное натяжение жидкости; Г = G/rÄ - массовая плотность орошения; G = (v2/g)'/3 -приведенная толщина пленки жидкости; Re = 4Г/ру - число Рейнольдса пленки; А+ = hu*/v - безразмерная высота шероховатости; Sh* = ßS/Д, -

число Шервуда; Sc = v/Dm - число Шмидта; Рг = v/a - число Прандтля. Индексы: г - шероховатая поверхность; f - жидкость; g - газ. Знак "+•" в формулах соответствует течению пленки жидкости по наружной поверхности; по внутренней.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Савельев Н.И., Войнов H.A., Николаев H.A. Закономерности массо-переноса на многоэлементных контактных ступенях прямоточно-вихревых аппаратов //Изв.ВУЗов. Химия и хим.технология.- 1983.- №1.- С.107-110.

2. Савельев Н.И., Войнов H.A., Николаев H.A. Закономерности массо-переноса в прямоточных пленочных устройствах при ректификации бинарных смесей //Теор.основы хим.технол.- 1983,- JMg 2.- С.254-256.

3. Исследование толщины жидкостной пленки в пленочном ферментере /Н.А.Войнов, В.А.Марков, А.А.Веретнов, Н.А.Николаев / /Новые процессы и аппараты химической технологии: Расш.тез.докладов /Всесоюз.конф. "Современные проблемы химической технологии", Красноярск, 1986.-С. 185-188.

4. A.c. 1219121 (СССР), МКИ3 BOl D53/14. Способ абсорбции /Н.А.Войнов, Е.В.Сугак,- 1986.- Бюлл.изобр. № 11.

5. A.c. 1233923 (СССР), МКИ3 BOl D53/20. Насадка для тепломассо-обменных аппаратов для систем газ(пар)-жидкость /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.А.Николаев, В.Н.Щербаков.- 1986.- Бюлл.изобр. № 20.

6. A.c. 1263273 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Аппарат для контактирования пара(газа) с жидкость /НАВойнов, В.А.Марков, Н.М. Коновалов, Н.А.Николаев, П.П.Снапкус.- 1986.- Бюлл.изобр. № 38.

7. Закономерности пленочного течения жидкости в трубчатых аппаратах микробиологического синтеза /А.А.Веретнов, В.А.Марков, Н.А.Вой-нов, Н.А.Николаев //Казанский хим.-технол.ин-т.- Казань, 1987,- 21 с.-Деп.в ОНИИТЭХИМ, г.Черкассы, № 389хп-87.

8. Исследование процесса выращивания кормовых дрожжей в пленочном биореакторе /А.А.Юдаков, В.А.Марков, Н.А.Войнов //Тез.докл.З-й Всесоюз.студ.конф."Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии".- Казань, 1987.- С.201-202.

9. A.c. 1292796 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Аппарат для контактирования пара(газа) с жидкостью /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.М. Коновалов, Н.А.Николаев, 1987.- Бюлл.изобр. № 8.

10. Расчет толщины стекающей жидкостной пленки тепло- и массообменных аппаратов /Н.М.Коновалов, Н.А.Войнов, Н.А..Николаев / /Тез.

докл. обл.конф. "Машины и установки для добычи и транспорта нефти, газа и газового конденсата".- Сумы, 1988.- С.20-21.

11. Закономерности течения газа и пленки жидкости в условиях нисходящего прямотока /Н.А.Войнов, А.А.Веретнов, Н.М.Коновалов, Н.А.Николаев / /Массообменные процессы и аппараты химической технологии: Межвуз.сб.науч.трудов.- Казань, КХТИ- 1988.- С.54-59.

12. Марков В.А., Воинов H.A., Николаев H.A. Исследование толщины свободно стекающей пленки дрожжевой суспензии при больших числах Рейнольдса //Изв.ВУЗов.Химия и хим.технология.-1988.- №1.- С.109-112.

13. A.c. 1445741 (СССР), МКИ3 В01 D3/26. Аппарат для контактирования газа с жидкостью /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.А.Николаев, А.И.Те-рентьев.- 1988,- Бюлл.изобр. № 47.

14. Исследование гидродинамики и массообмена в пленочном абсорбере /Н.А.Войнов, Н.М.Коновалов, В.А.Марков, Н.А.Николаев //Тез. докл. 3-го Всесоюзн.науч.-техн.семинара "Применение аппаратов "мокрого" типа для очистки отходящих газов от твердых и газообразных вредных примесей",- Москва, 1989,- С.22-23.

15. Расчет гидродинамических параметров пленки жидкости, стекающей по шероховатой поверхности /Н.А.Войнов, Н.М.Коновалов, Н.А.Николаев //Тез.докл.Всесоюзн.совещания "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии".- Сумы, 1989,- С.99-100.

16. К расчету гидродинамических и массообменных характеристик пленочных абсорбционных колонн /А.А.Веретнов, В.А.Марков, Н.А.Войнов, Н.М.Коновалов //Межвуз.сб.науч.тр. "Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на проипредприятиях и ТЭС".- JI., Лесотехническая академия, 1989.- С. 14-15.

17. Исследование работы пленочного биореактора с высокоэффективными трубчатыми контактными элементами /И.А.Карпова, В.А.Марков, Н.А.Войнов / /4-я Всесоюзн.студ.конф. "Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии": Тез.докл.- Казань, 1989.-С. 143-144.

18. A.c. 1472083 (СССР), МКИ3 В01 D3/28, 53/8. Насадка для пленочного аппарата /Н.А.Войнов, А.А.Веретнов, А.А.Юдаков, В.А.Марков, Н.А.Николаев.- 1989.- Бюлл.изобр. № 14.

19. A.c. 1498717 (СССР), МКИ3 C02F 3/02, В01 D3/26. Способ аэрации жидкости /Н.М.Коновалов, Н.А.Войнов, А.А.Веретнов, В.А.Марков, Н.А.Николаев,- 1989.- Бюлл.изобр. N° 29.

20. A.c. 1507786 (СССР), МКИ3 С12 MI/04. Способ культивирования биомассы дрожжей./Н.А.Войнов, Н.А.Николаев, В.А.Марков, Н.М.Коновалов.- 1989,- Бюлл.изобр. № 34

21. A.c. 1526785 (СССР), МКИ3 BOl D53/20. Насадка пленочного аппарата /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.М.Коновалов, И.М.Хон.- 1989.-Бюлл.изобр. № 45.

22. Марков B.A., Войнов H.A., Николаев H.A. Массоотдача в турбулентных пленках жидкости, стекающих по гладкой и шероховатой поверхностям //Теор.основы хим.технол.- 1S90.- № 4.- С.442-449.

23. Пленочные ферментеры для культивирования дрожжей /НАВой-нов, В.А.Марков, Н.В.Лаишевкин, Н!А.Николаев //Научно-техн.конф. "Научно-технический и социальный прогресс лесопромышленного комплекса Восточно-Сибирского региона": Сб.статей,- Красноярск, I990.-C. i 65-170.

24. Экологически чистая технология промышленных производств продуктов микробиологического синтеза /А.В.Володин, Н.В.Лаишевкин, H.A. Войнов //Науч.-техн.конф."Молодежь и научно-технический прогресс": Сб.статей.- Красноярск, 1990.- С.158 -160.

25. Марков В.А., Войнов H.A., Коновалов Н.М., Николаев H.A., Воронин С.М. Выращивание кормовых дрожжей на гидролизате в пленочном ферментере / / Гидролизная и лесохим.пром-сть,- 1990.- № 7.- С.23-25.

26. Коновалов Н.М., Войнов H.A., Николаев H.A. Закономерности пленочного течения в условиях прямоточного движения газа и жидкости в вертикальных цилиндрических каналах / /Изв.ВУЗов.Химия и хим.техно-логия,- 1990,- № 9,- С.108 -111.

27. A.c. 1533720 (СССР), МКИ3 В01 D3/28. Трубчатая насадка пленочного аппарата /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.А.Николаев/- 1990,- Бюлл. изобр. № 1.

28. A.c. 1535563 (СССР), МКИ3 В01 D3/26. Массообменный аппарат /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.М.Коновалов, А.А.Юдаков, H.A. Николаев.-1990,- Бюлл.изобр. № 2.

29. A.c. 1572672 (СССР), МКИ3 В01 D3/26. Гепломассообменный аппарат /Н.А.Войнов, Юдаков A.A., В.А.Марков, Н.А.Николаев.-1990.-Бюлл.изобр.№ 23.

30. A.c. 1611360 (СССР), МКИ3 В01 Dl/08, 1/22. Тепломассообмен-ная секция пленочного аппарата /Н.А.Войнов, А.А.Юдаков, Н.М. Коновалов, Н.А.Николаев,- 1990.- Бюлл.изобр. № 45.

31. Nikoiaev N.A., Voynov N.A., Markov V.A. Liquid film bioreactors for cell mass production //Acta Biotechnoloqica.- 1991.- № 3,- P.205-210.

32. Расчет и конструирование трубчатых насадок пленочного биореактора /Н.А.Войнов, Н.В.Лаишевкин, В.А.Марков, Н.А.Николаев //Всесо-юзн.науч.техн.конф. "Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона".- Красноярск, 1991.- С.159-162.

33. Николаев H.A., Войнов H.A. Закономерности гидродинамики и мас-сопереноса в турбулентных пленках жидкости //Изв.ВУЗов. Химия и хим.технол.- 1991.- № 12.- С.3-25.

34. A.c. 1655980 (СССР), МКИ3 С12 N1/16. Способ получения биомассы микроорганизмов/НАНиколаев, НАВойнов, ВАМарков.- 1991.-Бюлл.изобр.№22.

35. A.c. 1669473 (СССР), МКИ3 В01 D3/26. Трубчатая насадка пленочного аппарата /НАВойнов, ААЮдаков, Н.М.Коновалов, H.A. Николаев.- 1991.- Бюлл.изобр. № 30.

36. 1669475 (СССР), МКИ3 В01 D3/28. Насадка пленочного аппарата Н.А.Войнов, А.А.Юдаков, Н.М.Коновалов, Н.А.Николаев/- 1991,- Бюлл. зобр. № 30.

37. A.c. 1681879 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Массообменный аппарат 'Н.А.Войноз, А.АЮдаков, Н.АНиколаев.- 1991.- Бюлл.изобр. № 37.

38. A.c. 1682384 (СССР), МКИ3 С12 N1/02. Способ сгущения кормо-ых дрожжей /Н.А.Войнов, Войнова H.A.- 1991,- Бюлл.изобр. № 37.

39. Воинов H.A., Коновалов Н.М., Николаев H.A. Конструирование и гетоды расчета трубчатых пленочных аппаратов / /Химическая пром-сть.-992.- № 2.- С.46-49.

40. Расчет и конструирование пленочных биореакторов /Н.А.Войноз, 1.А.Марков, Н.В.Лаишевкин //Всесоюзн.науч.техн.конф."Использование i восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона": Сб.статей.- Красноярск, 1992.- С.255 -263.

41. A.c. 1717627 (СССР), МКИ3 С12 N1/16. Способ получения био-лассы дрожжей /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.АНиколаев.- 1992.- Бюлл. нзобр. № 9.

42. A.c. 1717628 (СССР), МКИ3 С12 N1/16. Способ получения биомассы дрожжей /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.А.Николаев,- 1992.- Бюлл. изобр. № 9.

43. Ас. 1719009 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Пленочный аппарат /Н.А.Войнов, А.А.Юдаков, Н.АНиколаев.- 1992.- Бюлл.изобр. № 10.

44. A.c. 1733033 (СССР), МКИ3 BOl D3/28, BOl J 19/32. Насадка пленочного аппарата /Н.А.Войнов, А.А.Юдаков, В.А.Марков, Н.А.Николаев.- 1992,- Бюлл.изобр. № 18.

45. A.c. 1761174 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Насадка пленочного аппарата /НАВойнов, Н.А.Николаев.- 1992,- Бюлл.изобр. № 34.

46. A.c. 1770289 (СССР), МКИ3 С02 F3/00, 3/02. Азротенк /H.A. Войнов, А.А.Юдаков, В.А.Марков, Н.А.Николаев.-1992.-Бюлл.изобр. № 23.

47. Коновалов Н.М., Войнов H.A., Николаев H.A. Гидродинамические закономерности вертикального прямоточного движения газа и пленки жидкости в трубах //Теор.основы хим.технол.- 1993. -№ 2, Т.27.- С.192-196.

48. Расчет толщины пленки и коэффициента массоотдачи при стека-нии жидкости по гладкой поверхности трубы /Н.А.Войнов, В.Ф.Терентье-ва, А.В.Гаврилов, Н.ВЛаишевкин //Всесоюзн.науч.прак.конф."Проблемы химико-лесного комплекса": Сб.статей.- Красноярск, 1993,- C.I64-168.

49. Николаев H.A., Войнов H.A., Марков В.А., Гаврилов A.B. Экологически чистая технология промышленного производства микробного синтеза //Биотехнология.- 1993,- №3.- С.23-24.

50. Коновалов Н.М., Войнов H.A., Марков В.А., Николаев H.A. Массо-отдача при свободном стекании пленки жидкости по наружным и внутренним поверхностям труб //Теор.основы хим.технол.- 1993.- № 3.- С.309-314.

51. Войнов H.A., Коновалов Н.М., Николаев H.A. Особенности свободного стекания пленки жидкости по внутренним и наружным поверхностям

труб с регулярной винтовой шероховатостью //Теор.основы хим.технол,-

1993,- № 6,- С.638-641.

52. Получение кормовых дрожжей в пленочном биореакторе /Н.А.Войнов, Н.А.Николаев, В.А.Марков, А.В.Гаврилов //Биотехнология.- 1993.-№ 6.-С.27-28.

53. A.c. 1787483 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Насадка пленочного трубчатого аппарата /Н.А.Войнов, Н.М.Коновалов, Н.А.Николаев.- 1993,-Бюлл.изобр. № 2.

54. A.c. 1792720 (СССР), МКИ3 BOI D3/28. Пленочный аппарат /Н.А.Войнов, Н.А.Николаев, Н.М.Коновалов.- 1993.- Бюлл.изобр. № 5.

55. A.c. 1801539 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Трубчатая насаДка пленочного аппарата /Н.А.Войнов, В.А.Марков, Н.В.Лаишевкин.-• 1993.-Бюлл.изобр. № 10.

56. A.c. 1801540 (СССР), МКИ3 BOl D3/26. Пленочный аппарат /Н.А.Войнов, Н.А.Николаев, Н.М.Коновалов.- 1993.- Бюлл.изобр. № 10.

57. A.c. 1801570 (СССР), МКИ3 BOl J19/32, BOl D3/26. Насадка пленочного аппарата/Н.А.Войнов,А.И.Терентьев,Н.А.Николаев.-1993,-Бюлл.изобр.№10.

58. Воинов H.A., Гаврилов A.B., Николаев H.A. Технико-экономический анализ показателей работы газожидкостных реакторов, применяемых в процессах микробиологического синтеза //Химическая про-сть.- 1994.-№ 3,- С.46-49.

59. Исследование турбулентной пленки жидкости при наличии поверхностно-активных веществ /Н.А.Войнов, В.Ф.Терентьева, Н.В.Лаишевкин, Н.А.Николаев //Российская научно-практич.конф. "Проблемы химико-лесного комплекса": Сб.науч.трудов.- Красноярск, 1994.- С. 159-164.

60. Воинов H.A., Марков В.А. Анализ биореакторов с рециркуляцией жидкости //Российская научно-практическая конф."Проблемы химико-лесного комплекса": Сб.науч.трудов.- Красноярск, 1994.- С.178-184.

61. Осипова Л.Э., Воинов H.A., Николаев H.A. Моделирование процесса неизотермической абсорбции / /"Массоб'бменные процессы и аппараты химической технологии": Межвуз.темат.сб.научн.тр.- КХТИ, Казань, 1994,-С. 108-114.

62. Патент № 2012593 (РФ), МКИ3 С12 М1/4. Аппарат для выращивания микроорганизмов /Н.А.Войнов, Н.А.Николаев, Н.М.Коновалов.-

1994,- Бюлл.изобр. № 9.

63. Патент № 2021834 (РФ), МКИ3 BOl D3/28. Трубчатая насадка пленочного аппарата / Н.А.Войнов, Н.М.Коновалов, Н-А-Николаев, A.B. Гаврилов.- 1994.- Бюлл.изобр. № 20.

64. Патент № 2023462 (РФ), МКИ3 BOl D3/28. Способ абсорбции / Н.А.Войнов, Н.А.Николаев, Н.М.Коновалов,- 1994. - Бюлл. изобр. N° 22.

1.И!'ТЯГ ЗаН. S36, Тир. /00 9UJ.