2.2. Ферментаторы с механическим диспергированием газа

Принцип механического перемешивания жидкости с сопутст­вующим явлением диспергирования вводимого в нее газа сейчас широко используется при разработке ферментаторов небольших объемов.

Основным достоинством этого процесса является возможность создания развитой межфазной поверхности газ — жидкость за счет интенсивного дробления газовых пузырей и равномерного их распределения в объеме жидкости.

Несмотря на то, что в лабораторных условиях ферментаторы с механическим перемешиванием используются довольно давно, методы расчета их промышленных аналогов до сих пор еще окон­чательно не отработаны. Поэтому в дальнейшем изложении мы будем в основном опираться на опыт химической технологии, где методика расчета газожидкостных реакторов более совершенна. Исходя из этого опыта, ферментаторы с механическим дисперги­рованием газа следует подразделить на две группы: фермента­торы с мешалкой в свободном объеме и в циркуляционном контуре.

Ферментатор с мешалкой в свободном объеме. Опыт эксплуа­тации как газожидкостных реакторов в химической промышлен­ности, так и ферментаторов показал, что аппараты с механическим перемешиванием газа в жидкости целесообразно выполнять с но­минальным объемом до 100 м³ при диаметре сосуда не более 3,6 м. Пропускная способность таких аппаратов по газу обычно не пре­вышает 2000 м³/ч.

Конструктивно аппарат выполняется (рис. 2.16) в виде сосу­да 1 (с эллиптическими или плоскими крышкой и днищем), заключенного в рубашку 2. На ферментаторах с объемом менее 6,3 м³ рубашка делается сплошной, а при объемах более 6,3 м³ — секционированной.

Внутри сосуда на вертикаль­ном валу закреплены мешалки 3, число которых (от 1 до 4) зависит от высоты аппарата. Под нижней мешалкой размещен газораспредели­тель (первичное аэрирующее устройство) 6. Вдоль образующих сосуда установлены четыре вертикальные отражательные перегородки 4 шириной b_п = 0,lD и высотой h_п = H_ж/( 1—), где H_ж — высота исходного слоя жидкости в ап­парате;  — газосодержание системы. При ем­кости сосуда более 16 м³ внутри него устанавли­ваются дополнительные теплообменные элемен­ты — змеевики 5.

Рис. 2.16. Фермен­татор с мешалками в свободном объеме

Наиболее эффективной при диспергировании газа в жидкости считается открытая турбин­ная мешалка 1 с прямыми или изогнутыми ло­пастями (рис. 2.17) при следующих соотноше­ниях размеров ее элементов:

Dd_м/D = 0,2- 0,3; h_л /d_м = 0,2; l_л/d_м = 0,25.

Газораспределитель 2 выполняется в виде кольцевого откры­того снизу желоба с равномерно распределенными по его верх­ней кромке отверстиями. Диаметры отверстий d_o = 2—5 мм при шаге размещения t2d_o. Скорость газа в отверстиях _о =20 — 25 м/с. При диаметре сосуда D > 2 м необходимо устанав­ливать несколько параллельно работающих кольцевых желобов, число их определяется по методике, изложенной в п. 2.1.

При размещении одного кольцевого желоба (наружного при многокольцевом варианте) относительно турбинной мешалки (рис. 2.17) используются следующие установочные размеры:

D_o = (1—0,75)d_м; h_r = 0,25d_м.

Идея использования механического способа диспергирования газа в аппаратах больших объемов привела к созданию ферментаторов с многовальным перемешивающим устройством. В ста­дии проектной проработки имеются ферментаторы объемом до 2000 м³, выполненные в виде емкости с плоскими днищем и крыш­кой. Диспергирование газа в них должно осуществляться не­сколькими перемешивающими устройствами с многоярусным рас­положением открытых турбинных мешалок при подаче газа раз­дельно под каждое устройство.

Ферментаторы с мешалкой в циркуляционном контуре.

Их использование особенно эффективно в ферментационных периодических процессах, когда вязкость культуральной среды изменяется во времени с увеличением концентрации биомассы и необходимую интенсивность перемешивания можно обеспечить за счет изменения частоты вращения мешалки.

Конструктивно аппарат может быть выполнен в двух вариантах: с винтовой (пропеллерной) мешалкой внутри цирку­ляционного стакана и с открытой турбин­ной мешалкой, расположенной под цирку­ляционным стаканом.

Ферментатор первого типа изображен на рис. 2.22.

Рис.2.22. Ферментатор с винтовой мешалкой в циркуляционном контуре:

а —суспензия биомассы; б и г — газ; в — азот

Он выполнен в виде сосуда 3 с отношением высоты к диаметру L/D= 5—10. Внутри сосуда установлен цир­куляционный стакан 4, диаметр которого рассчитывается из условия равенства пло­щадей сечений самого стакана и коль­цевого зазора, образованного им со стен­ками сосуда. Нижняя часть стакана имеет уменьшенное сечение, и в ней размещены винтовая мешалка 7, выполняющая роль осевого насоса, и спрямляющие поток устройства. Практика эксплуатации таких аппаратов показала, что в качестве на­соса может быть использована мешалка с прямыми лопастями, имеющими угол наклона к горизонтали а =15—45°.

В аппаратах небольших объемов теплообменным элементом служит стенка сосуда, заключенного в рубашку 6. При увеличе­нии объема аппарата, а следовательно, и тепловой нагрузки по­является необходимость в дополнительном теплообменном эле­менте. В этом случае циркуляционный стакан выполняется из кольцеобразно расположенных труб 5, соединенных друг с дру­гом вдоль образующих пластинами-перемычками и объединен­ных вверху и внизу кольцевыми коллекторами 2.

Аппарат наиболее эффективно работает в условиях полного заполнения его объема газожидкостной смесью. Поэтому вывод не поглощенного газа и жидкости осуществляется через верхний штуцер, соединенный с сепаратором газожидкостной смеси 1.

Газ целесообразнее подавать под мешалку, которая обеспечи­вает первичное его диспергирование. В дальнейшем размеры га­зовых пузырей определяются турбулентностью жидкости в цент­ральном стакане и кольцевом зазоре.

Конструктивно ферментатор с одним циркуляционным стака­ном может быть выполнен на объем до 20 м³. При установке в од­ном сосуде нескольких стаканов с перемешивающими устройствами объем аппарата можно увеличить до 100 м³, что позволяет существенно снизить и удельную мощность перемешивания (N/V_ж). Например, в аппарате с тремя стаканами она может быть уменьшена на 40 %.

Пропускная способность аппарата по газу определяется пре­дельной приведенной скоростью его в циркуляционном стакане, которая не должна превышать 0,02 м/с. В противном случае возможен срыв работы мешалки и нарушение циркуляции жид­кости.

Устойчивая работа мешалки определяется газосодержанием системы, предельная величина которого составляет _г = 0,4. Поэтому ферментаторы с винтовой мешалкой в циркуляционном контуре можно применять только для культуральных жидко­стей, не образующих устойчивых пен с высоким газосодержа­нием.