Совершенствование газожидкостных биореакторов на основе роторов геликоидального типа

• Автор: Иванов, Кирилл Александрович
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Анализ современного состояния технологического оборудования и процесса перемешивания в биотехнологической отрасли промышленности

1.1 Технико-экономический анализ основных типов биореакторов

с механическим перемешиванием

1.2 Обзор конструкций механических перемешивающих устройств, используемых в биотехнологии

1.3 Кинематические параметры гидродинамики различных перемешивающих устройств

1.4 Распределение скоростей рабочей жидкости в аппаратах с перемешивающим органом

1.5 Способы измерения скоростей потоков жидкостей

1.6 Постановка задач исследования

2 Теория и методика расчета ротора геликоидального типа (РГТ)

2.1 Теоретические основы построения конструкции РГТ
2.2 Построение ротора
2.3 Физическая модель движения культуральной жидкости в биореакторе с РГТ
3 Методическое описание экспериментальных исследований
3.1 Методика исследования газодинамических характеристик ротором геликоидального типа
3.2 Методика исследования массообменных характеристик ротором геликоидального типа
3.3 Методика исследования гидродинамических характеристик ротором геликоидального типа
3.4 Методика исследования роста биомассы мицелия серножелтого трутовика (ЬаеНрогш згйркигеиз) при его глубинном культивировании в биореакторе с РГТ
3.5 Планирование экспериментальных исследований
4 Экспериментальная часть
4.1 Исследование газодинамики, создаваемой в биореакторе
с РГТ
4.2 Исследование массообменных характеристик РГТ
4.3 Исследование гидродинамических характеристик РГТ
4.4 Исследование роста мицелия серно-желтого трутовика Laetiporus sulphur eus
4.5 Исследование энергетических затрат, потребляемых РГТ
5 Практическая реализация результатов работы
5.1 Методика инженерного построения РГТ
5.2 Область применения биореактора с РГТ
5.3 Оценка экономической эффективности применения биореактора
с РГТ
Общие выводы по работе
Библиографический список
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Приложение Е

Введение
Перед биотехнологической промышленностью страны поставлены большие задачи по ускоренному развитию производств, базирующихся на микробиологическом синтезе, и обеспечению значительного роста выпуска продукции: ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как важнейшего белкового продукта, получение отдельных полезных веществ (препаратов), используемых в различных отраслях народного хозяйства и медицине. В связи с растущим с каждым годом спросом на данные продукции биотехнологических производств, актуальным является вопрос о повышении продуктивности существующих типов биореакторов.
Во многих биотехнологических производствах используют аэробные культуры, которые развиваются только в присутствии кислорода. Для таких культур жизненно необходимо создание требуемого массопереноса, чтобы исключить вероятность лимитирования продуктивности биотехнологических систем.
Кроме того, существенное значение на развитие культуры (особенно при культивировании растительных и животных тканевых клеток и мицелиаль-ных культур) оказывает влияние эффект «стрессового» воздействия на биомассу в аппарате. Это взаимодействие связано с физико-механическим повреждением клеток лопастями мешалок, температурными перепадами, наличием «бескислородных» зон в аппарате и др. Такие нежелательные эффекты значительно снижают рабочие показатели процесса эксплуатации биореактора [1, 2].
В настоящее время разработано значительное количество способов обеспечения контакта газа жидкостью (барботажный, газлифтный, механическое перемешивание, струйный, пленочный и др.), на основе которых созданы промышленные биореакторы, обладающие различным «стрессовым» эффектом.

- механический метод, при котором используются приборы типа вертушек, анемометров, доски Вильда. В основе этого метода лежит непосредственное механическое воздействие потока на приемный элемент прибора;
- пневматический способ, при котором применяется большое число различных насадок (трубки, цилиндрические и шаровые зонды). В этих приборах принимающим и передающим элементом является некоторый объем жидкости, а значение скорости вычисляется по величине измеренного давления;
- кинематический способ - метод измерения, основанный на определении скорости движения частиц среды или субстанции. Данный метод используют приборы, позволяющие определять скорость переноса ионизированных или нагретых объемов среды, освещенных или светящихся частиц;
- способ измерения скоростей по количеству тепла, снятого с приемника. К приборам, основанным на этом методе, относятся, прежде всего, различного вида термоанемометры;
- определение скоростей измерения давлений электрическими датчиками. Здесь используются пьезоэлектрические, индуктивные, емкостные, маг-нитострикционные датчики;
- акустический метод - позволяет измерять скорость потока по распространению звука в потоке;
- оптически метод измерения. Данный метод основан на эффекте Доплера.
Наиболее предпочтительным методом измерения скоростей потока в рабочей полости аппарата является оптический способ измерения. Этот метод позволяет производить измерения мгновенных полей скоростей в жидкости в выбранном сечении потока на основе метода цифровой трассерной визуализации. Однако применение данного способа в среде биологической массы затруднителен из-за сложности съема показаний (маркер накрывается колониями микроорганизмов). Таким образом, для оценки распределения скоростей внутри ферментационного потока наиболее приемлемым является ис-