Влияние гидродинамики на эффективность работы химических и биохимических реакторов

Эффективность работы любого биохимического реактора определяется условиями взаимодействия растущей популяции микроорганизмов с окружающей средой.

При глубинном культивировании микроорганизмов в ферментерах развитие клеточной популяции зависит от транспорта питательных веществ из массы жидкости к поверхности клетки и отвода продуктов метаболизма от нее. Эти питательные вещества являются источником конструктивного и энергетического обмена.

3. Условия транспорта питательных веществ к клетке зависит от гидродинамической обстановке в реакторе. Например, от интенсивности перемешивания, от степени турбулизации среды изменяется соотношение между турбулентной и молекулярной диффузией.

Масштаб турбулентных пульсаций при перемешивании определяет условия и перемещения элементов дисперсной фазы(кислородсодержащие газы, углеродсодержащие субстраты).

Время ферментации во многом зависит от структуры потоков.

Гидродинамическая обстановка в биохимическом реакторе определяется условиями ввода энергии в ферментационную среду и типом аппарата.

Основное уравнение гидродинамики: - уравнение неразрывности, где - вектор скорости жидкости

F – плотность жидкости

Решение этого уравнения дает распределение скоростей элементарных объемов жидкости по времени и объему. Известны только частные случаи его решения. В общем случае его решение сопряжено с трудностями. Поэтому рассматривают перемешивания с точки зрения теории турбулентности, что позволяет оценить параметры(масштаб и интенсивность турбулентности).

Интенсивность турбулентности

, вблизи мешалки

Изотропная турбулентность, если пульсации во все стороны одинаковы.

Масштаб турбулентности – размер наименьших вихрей

- длина пути смешения где энергия турбулентного потока диссипирует (распадается)

, где - кинематическая вязкость

- скорость диссипации (распада)

Для биохимических реакторов практически важную задачу представляет выбор количественных показателей, оценивающих гидродинамическую обстановку. К ним относятся вносимая удельная мощность и эффективность перемешивания.

Влияние перемешивания можно учесть двумя составляющими: микро- и макросмешения.

Уравнения классической гидродинамики не дают ответа об уровне смешения жидкости в потоке. Так же как и вносимая мощность и интенсивность перемешивания.

Предположим, что поток состоит из отдельных элементов, т.е. находится на уровне сегрегации.

В реакторе всегда можно выделить элементы среды, подвергающиеся слиянию и диспергированию. При слиянии этих элементов в них изменяется состав реагирующих компонентов не только за счет участия в микробиологическом синтезе, но и за счет их смешения. А это невозможно учесть на основе уравнения классической гидродинамики.

В биохимических реакторах рост микроорганизмов и поступление к ним питательных веществ осуществляется в жидкой фазе, которая находится определенное время в реакторе. От продолжительности времени ферментации зависит концентрация клеток в среде, продуктов их метаболизма и степень утилизации субстрата. Оценка

Условий макросмешения позволяет учесть неравномерность по временам пребывания материальных частиц при наличии байпасных потоков, застойных зон и т.д. Байпас приводит к проскоку продуктов питания, а застойная зона к лизису и образованию инфицирующей микрофлоры.