10 Теплообменные устройства

Существует два основных класса теплообменных устройств (ТУ) для ферментеров - наружные и внутренние.

Наружные ТУ (рис.7):

а) Простая рубашка - используется на аппаратах малой и средней емкости, т.к. с ростом объема аппарата на единицу его объема приходится меньше теплообменной поверхности. Вода в рубашке движется по кольцевому сечению и скорость течения воды настолько мала, что теплообмен, по сути, определяется естественной конвекцией и на порядок меньше, чем в змеевиках.

б) В секционированной рубашке (обычно 5 секций) вода движется по прямоугольному сечению вокруг корпуса с большей скоростью.

Дальнейшее увеличение скорости охлаждающей воды достигается устройством спиральных перегородок, образующих канал в каждой секции (в) или в цельной рубашке (г). Этот вариант по условиям теплоотдачи не отличается от наружных приварных змеевиков (д, е, ж), изготавливаемых из труб (д), полутруб (е) и углового проката (ж).

Достоинства наружных ТУ - увеличивают прочность корпуса и исключают возможность инфицирования среды при нарушении их герметичности.

Недостатки - сложность и трудоемкость изготовления, большая длина сварных швов, высокая стоимость.

Для интенсивных теплообменных процессов вместо рубашек или в дополнение к ним используются внутренние ТУ.

Внутренние ТУ (рис.8):

а) Змеевик в виде цилиндрической спирали. Диаметр змеевика близок диаметру аппарата. Такая конструкция часто используется в химических реакторах, но для ферментеров непригодна, т.к. "портит гидродинамику" - гасит турбулентность у стенок и обладает другими недостатками.

б) ТО в виде плоского пучка труб. Обычно 4 секции в аппарате. Одновременно выполняют функции отражательных перегородок. Характеризуются высоким коэффициентом теплоотдачи (снаружи) вследствие поперечного обтекания жидкостным потоком. Используются в аппаратах большого объема. Недостаток - большое число сварных швов.

в) Вертикальные спиральные ТО - более высокая скорость воды в трубах и коэффициент теплоотдачи (внутри). Достоинство - удобства в эксплуатации, малое число сварных швов.

г) Змеевики в виде вертикальных витков. Удобство монтажа: вход и выход наверху. Сливной патрубок обеспечивает возможность опорожнения ТО перед стерилизацией. 10

11 Перемешивание в процессе ферментации

Перемешивание в промышленных ферментерах осуществляется 3 способами: механическое перемешивание, пневматическое перемешивание и с помощью циркуляционных насосов.

Перемешивание влияет на массоперенос из газовой фазы в жидкость по трем причинам:

1) Увеличивает поверхность контакта фаз, т.к. разбивает поток воздуха на мелкие пузыри.

2) Увеличивает время контакта за счет циркуляции газовых пузырьков в объеме жидкости, что повышает ее газосодержание.

3) Увеличивает турбулентный сдвиг и уменьшает толщину стационарной пленки вокруг пузыря, что ведет к увеличению коэффициента массопередачи.

Все эти 3 фактора взаимосвязаны и неразделимы; поэтому соотношение между перемешиванием и аэрацией приводится в литературе в эмпирической форме.