Уменьшение энергетических затрат при аэрации

Потребление энергии мешалками при перемешивании системы газ–жидкость значительно уменьшается по сравнению с потреблением энергии мешалками при перемешивании жидкости без газа. Система газ–жидкость широко распространена в микробиологической промышленности. Уменьшение затрачиваемой энергии при перемешивании этой системы происходит главным образом в результате того, что величина плотности жидкости, окружающей мешалку, уменьшается из-за наличия пузырьков воздуха.

Поскольку плотность системы входит независимым параметром
в уравнение (2.4), для газожидкостной смеси (при условии ) его можно представить в виде:

, (2.15)

где – мощность перемешивания аэрируемой среды, Вт;

– локальное газосодержание системы в зоне действия мешалки.

Локальное газосодержание в отличие от газосодержания системы , осредненного по всему объему аппарата, зависит от расхода газа, поступающего в аппарат, от частоты вращения мешалки, ее диаметра
и конструкции, т. е. от параметров, входящих в критерий расхода газа.

Отношение затрачиваемых энергий на перемешивание в системе газ–жидкость и в жидкости без газа изменяется от 0,3 до 1
и зависит от типа мешалки и интенсивности аэрации [1, 4]. Из вышесказанного очевидно, что отношение будет зависеть от критерия, который характеризует степень дисперсности пузырьков воздуха вокруг мешалки. Поэтому при оценке мощности перемешивания газожидкостной смеси пользуются широко распространенными зависимостями вида:

, (2.16)

где – мощность, затрачиваемая на перемешивание гомогенной жидкости, рассчитываемая по формуле (2.4);

– число аэрации, которое характеризует степень дисперсности пузырьков для всей системы.

Для шестилопастной турбинной мешалки:

(2.17)

Для всех типов мешалок отношение уменьшается с увеличением критерия расхода газа до момента захлебывания мешалки, когда избыточный газ уже не диспергируется в жидкости, а, обтекая мешалку, поднимается вверх вдоль ее вала [1, 6].

Графическая интерпретация экспериментальной зависимости (2.16) для шестилопастных турбинных мешалок приведена на рисунке 2.6. При отношение становится величиной постоянной (для турбинных мешалок в аппаратах с отражательными перегородками принимает значение от 0,30 до 0,35).

Для всех типов мешалок в пределах изменения от 0,06 до 0,07, представляющих практический интерес:

, (2.18)

где и – коэффициенты, значения которых для различных типов мешалок приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значение коэффициентов и в уравнении (2.18)

Тип мешалки
Плосколопастная с двумя лопастями	0,23	-0,540
Плосколопастная с четырьмя лопастями	0,42	-0,320
Открытая турбинная с шестью лопастями	0,41	-0,320
Открытая турбинная с шестнадцатью лопастями	0,49	-0,255
Открытая турбинная с шестью изогнутыми лопастями	0,31	-0,530

Формулы (2.17) и (2.18) дают практически одинаковые значения отношения (2.16), однако в технических расчетах ферментаторов предпочтение отдано формуле (2.18).

Следует отметить, что при выборе мощности электродвигателя привода мешалки используют данные о мощности, затрачиваемой на перемешивание неаэрируемой жидкости, поскольку в процессе ферментации бывают периоды, когда аэрация отключена (например, при передаче питательной среды и посевного материала).

Для нормального функционирования системы культивирования микроорганизмов ферментаторы оснащают устройствами для отвода образующейся биологической теплоты, системами пеногашения, средствами контроля и регулирования, предусматривают меры для обеспечения асептических условий культивирования.