|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Классификация ферментаторов по способу подвода энергииСтр 1 из 4Следующая ⇒
Классификация ферментаторов по способу подвода энергии
Основные отличия процессов и аппаратов БТ от процессов и аппаратов химтехнологии
Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем: – чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям; – наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клетки», «газ – жидкость – клетки»); – требования условий асептики; – низкие скорости протекания многих процессов в целом; – нестабильность целевых продуктов; – пенообразование; – сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза. Классификация реакторов по конструктивным признакам и по организации перемешивания
Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, – обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментера служит коэффи-циент массопередачи кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход кислорода на образование 1 кг биомассы в зависимости от типа углеродсодержащего сырья и степени его восстановленности может составлять от 0.75 до 5.00 кг. Клетки способны утилизировать кислород только в растворенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его концентрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного продуцента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна превышать скорость его включения в клетки, и в околоклеточном пространстве не должно возникать так называемых «концентрационных ям». Кроме этого, концентрация клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментера. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемешивании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и диспергируясь увеличивают площадь контакта фаз «среда-клетка». Однако чрезмерное перемешивание может вызвать механическое повреждение биологических объектов. К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и классифицировать их практически невозможно. Характеристика аппаратов с подводом энергии через газовую фазу Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе (группа ФГ ). Их общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м3) (рис. 1). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов. Барботажные газораспределительные устройства обычно устанавливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1–2 кг/м3 ч;
Рис. 1, 6 Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) (Виестур и др., 1986). а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 коллектор.
Газлифтный реактор трубчатого тип. Газлифтный колонный ферментер состоит из двух колонн разного диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботажную колонну с восходящим потоком воздуха, другая – циркуляционная, с нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата в барботажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппарата, образует большую поверхность контакта фаз; трубчатый аппарат сконструирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме, поэтому массообмен интенсивнее; аппарат с плавающей насадкой позволяет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями подачи газовой и жидкой фаз.
г) газлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор, 3 – диспергатор, 4 – воздухораспределитель, 5 – теплообменник, Схема
Рис. 1. Схема биологической обработки стоков: 1 — механический фильтр; 2 — солнечный коллектор для подогрева воды; 3 — биореактор; 4 — компрессор для сжатия биогаза; 5 — каналы выращивания водорослей; 6 — фильтр для сбора водорослей; 7…9 — аэробные пруды; 10 — ручей проложенный через осоковый луг Технические характеристики При очистке в биологических прудах сточные воды не должны иметь БПКполн свыше 200 мг/л-для прудов с естественной аэрацией и свыше 500 мг/л-для прудов с искусственной аэрацией. При БПКполн свыше 500 мг/л следует предусматривать предварительную очистку сточных вод. В пруды для глубокой очистки допускается направлять сточную воду после биологической или физико-химической очистки с БПКполн не более 25 мг/л-для прудов с естественной аэрацией и не более 50 мг/л-для прудов с искусственной аэрацией. Перед прудами для очистки надлежит предусматривать решетки с прозорами не более 16 мм и отстаивание сточных вод в течение не менее 30 мин. После прудов с искусственной аэрацией необходимо предусматривать отстаивание очищенной воды в течение 2-2, 5 ч. Отношение длины к ширине пруда с естественной аэрацией должно быть не менее 20. При меньших отношениях надлежит предусматривать конструкции впускных и выпускных устройств, обеспечивающие движение воды по всему живому сечению пруда. В прудах с искусственной аэрацией отношение сторон секций может быть любым, при этом аэрирующие устройства должны обеспечивать движение воды в любой точке пруда со скоростью не менее 0, 05 м/с. Форма прудов в плане зависит от типа аэраторов: для пневматических или механических прудов могут быть прямоугольными, для самодвижущихся механических-круглыми. Отметка лотка перепускной трубы из одной ступени в другую должна быть выше дна на 0, 3-0, 5 м. Выпуск очищенной воды следует осуществлять через сборное устройство, расположенное ниже уровня воды на 0, 15-0, 2 глубины пруда. Хлорировать воду следует, как правило, после прудов. В отдельных случаях (при длине прокладки трубопровода хлорной воды свыше 500 м или необходимости строительства отдельной хлораторной и т. п.) допускается хлорирование перед прудами. Концентрация остаточного хлора в воде после контакта не должна превышать 0, 25-0, 5 г/м3. Количество осадка, выпадающего в контактных резервуарах, следует принимать, л на 1 м3 сточной воды, при влажности 98 %: после биологической очистки в аэротенках и на биофильтрах-0, 5.
Расчет Рабочий объем пруда надлежит определять по времени пребывания в нем среднесуточного расхода сточных вод. Время пребывания воды в пруде с естественной аэрацией tlag , сут, следует определять по формуле где N - число последовательных ступеней пруда; Klag -коэффициент объемного использования каждой ступени пруда; Klag -то же, последней ступени; Klog и Klog принимаются для искусственных прудов с отношением длины секций к ширине 20: 1 и более-0, 8-0, 9, при отношении 1: 1-3: 1 или для прудов, построенных на основе естественных местных водоемов (озер, запруд и т. п.), -0, 35, для промежуточных случаев определяются интерполяцией; Len -БПКполн воды, поступающей в данную ступень пруда; Len -то же, для последней ступени; Lex - БПКполн воды, выходящей из данной ступени пруда; Lex -то же, для последней ступени; Lfin -остаточная БПКполн, обусловленная внутриводоемными процессами и принимаемая летом 2-3 мг/л (для цветущих прудов-до 5 мг/л), зимой-1-2 мг/л; k -константа скорости потребления кислорода, сут; для производственных сточных вод устанавливается экспериментальным путем; для городских и близких к ним по составу производственных сточных вод при отсутствии экспериментальных данных k для всех промежуточных секций очистного пруда может быть принята равной 0, 1 сут-1, для последней ступени k = 0, 07 сут-1 (при температуре воды 20 °С). Для прудов глубокой очистки k следует принимать, сут-1: для 1-й ступени-0, 07; для 2-й ступени-0, 06; для остальных ступеней пруда-0, 05-0, 04; для одноступенчатого пруда k = 0, 06 сут-1. Для температур воды, отличающихся от 20 °С, значение k должно быть скорректировано по формулам: для температуры воды от 5 до 30 °С для температуры воды от 0 до 5 °С
где k -коэффициент, определяемый в лабораторных условиях при температуре воды 20 °С. Общую площадь зеркала воды пруда Flag , м2, с естественной аэрацией надлежит определять по формуле
где Qw -расход сточных вод, м3 × сут; Ca -следует определять по формуле (63); Cex -концентрация кислорода, которую необходимо поддерживать в воде, выходящей из пруда, мг/л; ra - величина атмосферной аэрации при дефиците кислорода, равном единице, принимаемая 3-4 г/(м2 × сут); Len,, Lex, Klag -следует принимать по формуле (69). Расчетную глубину пруда Hlag , м, с естественной аэрацией следует определять по формуле Рабочая глубина пруда не должна превышать, м: при Len свыше 100 мг/л-0, 5, при Len до 100 мг/л-1; для прудов глубокой очистки с Len от 20 до 40 мг/л-2, с Len до 20 мг/л-3. При возможности замерзания пруда зимой Н должна быть увеличена на 0, 5 м. Время пребывания воды tlag , сут, глубокой очистки в пруде с искусственной аэрацией надлежит определять по формуле где kd -динамическая константа скорости потребления кислорода, равная: kd = b1 k , (75) здесь b 1 - коэффициент, зависящий от скорости vlag , м/с, движения воды в пруде, создаваемой аэрирующими устройствами или перемещением воды по коридорам лабиринтного типа; величина b 1 , определяется по формуле
Если vlag > 0, 05 м/с, то b 1 = 7. Для повышения глубины очистки воды до БПКполн 3 мг/л и снижения содержания в ней биогенных элементов (азота и фосфора) рекомендуется применение в пруде высшей водной растительности-камыша, рогоза, тростника и др. Высшая водная растительность должна быть размешена в последней секции пруда. Площадь, занимаемую высшей водной растительностью, допускается определять по нагрузке, составляющей 10 000 м3/сут на 1 га при плотности посадки 150-200 растений на 1 м2. Биофильтры
В этих сооружениях биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются в аэробных условиях популяций гетеротрофных факультативных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки (загрузочного материала, субстрата). Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (спринклеры) или реактивные вращающиеся водораспределители. Активная часть биопленки распространяется на глубину 70…100 мкм. В слоях пленки, прилегающих к насадке, создаются анаэробные условия, образуются органические кислоты (и газы СН4 и H2S), величина рН снижается, происходит частичное отмирание клеток. Под воздействием гидравлической нагрузки такие части пленки отрываются от субстрата и выносятся с водой. Пропускная способность биофильтра определяется площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода воздуха к ней. Чем больше площадь поверхности биопленки (при одинаковой массе) и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность биофильтра. Важнейшая составная часть биофильтра — загрузочный материал. По типу загрузочного материала все биофильтры делят на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные с малой пропускной способностью 0, 9…9 м3/(м2.сут) (рис. 5.7), высоконагружаемые с большой пропускной способностью 9…40 м3/(м2.сут) (рис. 5.8) и башенные.
Рис. 5.7. Капельный биофильтр: 1 — дозирующие баки сточной воды; 2 — спринклеры: 3 — железобетонная стенка; 4— загрузка биофильтра; 5 — подача сточной воды; 6 — отводящий лоток.
Рис. 5.8. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем. Биофильтры с плоскостной загрузкой делятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Биофильтр с пластмассовой загрузкой производительностью 1400 м3/сут: I — корпус из стеклопластика по металлическому каркасу; II — пластмассовая загрузка; III — решетка; IV — бетонные столбовые опоры; V — подводящий трубопровод; VI— реактивный ороситель; VII — отводящие лотки; а и б — раскладка блоков соответственно в четных и нечетных рядах. Анаэробные биофильтры . Эта новая разновидность биофильтров представляет собой закрытые резервуары с загрузкой, сквозь которую вода профильтровывается восходящим потоком, без доступа в нее кислорода воздуха. Анаэробные биофильтры по принципу работы занимают промежуточное положение между обычными биофильтрами и метантенками. Биопленка в них закреплена на материале загрузки; процессы окисления сопровождаются метанообразованием. Анаэробные биофильтры можно применять для очистки высококонцентрированных сточных вод, не содержащих взвешенных веществ или содержащих их в незначительном количестве. Расчет биофильтров. В основу расчета капельных и высоконагружаемых биофильтров положено представление о том, что снижение концентрации загрязнений, описываемых величиной БПК, может быть принято по типу уравнения реакции первого порядка: где Lτ и La — БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; k ' — константа скорости реакции; т — продолжительность процесса. Если применить это уравнение для расчета снижения БПК в биофильтре, то, приняв во внимание соотношения: т = V/Q, V = F H; Q = qF; т = H/q (где V — объем биофильтра; F — его площадь; Q — расход воды; Н — глубина; q — гидравлическая нагрузка), несложно получить:
где k = 0, 434. k'. Выражение в правой части этого уравнения, названное критериальным комплексом Ф, получило вид: где kT — константа окисления. Биофильтры представляют собой системы для биологической обработки воды в условиях замедленного роста клеток или стационарного их состояния. Поэтому скорость биохимического окисления в биопленке невелика и обычно является лимитирующей стадией массопередачи загрязнений из фазы очищаемой воды в биопленку. В биопленке должен соблюдаться баланс массы загрязнений, переданных в эту пленку в результате молекулярной диффузии и израсходованных в биохимической реакции где DL — коэффициент диффузии в биопленке (< 10-5…10-6 см2/с); у — координата, нормальная к поверхности, через которую осуществляется транспорт массы; rL = dLб/dτ — скорость переработки загрязнений в результате биохимической реакции. Для обеспечения надежности результатов проектирования требуются нормированные методы расчета объема загрузки насадки в фильтр. В таких методах обычно используются экспериментальные значения окислительной мощности ОМ. Объем загрузки Vф для очистки 1 м3 сточной воды определяется по выражению При расчете биофильтров определяют Lн /Lτ = K; зная коэффициент K и заданную температуру сточной воды, по таблицам опытных данных выбирают основные параметры биофильтра: рабочую высоту загрузки H (в м) и удельную гидравлическую нагрузку на сооружение q [в м3/(м2сут)]. Литература Технология гидролизных производств. Шарков В. И., Сапотниц-кий С, А., Дмитриева О, А., Туманов И. Ф. «Лесная промышленность», 1973 г., 408. Биотехнология/под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса/пере-вод с английского/под ред. А. А. Баева. -- М.: Мир, 1988. -- 479 с. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. –М.: Мир, 2002. Бекер М.Е. Введение в биотехнологию. – Рига: Звайгєне, 1974. Классификация ферментаторов по способу подвода энергии
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-11; Просмотров: 280; Нарушение авторского права страницы
(69)
(70)
(71)
(72)
(73)
(74)
(76)
