Improving the energy efficiency of a shell-and-tube jet-injection fermenter for aerobic cultivation of microorganisms

Abstract

The main objective of the study is to improve energy efficiency of a shell-and-tube jet injection fermenter (SJT) for aerobic cultivation of microorganisms. The relevance of the work is determined by the biotechnology industry's need to transition to energy-efficient cultivation processes. Using high biomass concentrations increases specific productivity, yet creating such bioreactors requires precise knowledge of thermophysical and mass transfer properties of dense suspensions, which are currently lacking. To achieve the stated goal, the following tasks were solved: a scientific literature review; development of an experimental methodology; selection of research objects (water-suspended Saccharomyces cerevisiae at 4.81-20.17 wt.% ADY); analysis of rheological behavior and thermal constants from 10 to 50°C (283.15-323.15 K) with 10°C steps; and derivation of regression equations. The most important results are experimentally established heat and mass transfer patterns. The existence of limiting concentration, at which the nature of the suspension flow changes fundamentally, was discovered. It was revealed that at low shear rate gradients, water-yeast suspension behaves like pseudoplastic fluids, but with an increase in the velocity gradient, their behavior becomes characteristic of dilatant fluids. Also, after 30°C thermal conductivity - previously declining- began to rise, likely as yeast cells perished. The significance of the obtained results lies in their further use in laboratory testing of the characteristics of supplied raw materials, in choosing technological modes for culturing microorganisms in production, as well as in heat and mass transfer calculations in the design of modern apparatus designs.

Obiectivul principal al studiului este de a îmbunătăți eficiența energetică a unui fermentator cu injecție cu jet (SJT) de tip”țevi și manta”pentru cultivarea aerobă a microorganismelor. Relevanța lucrării este determinată de necesitatea industriei biotehnologice de a trece la procese de cultivare eficiente din punct de vedere energetic. Utilizarea concentrațiilor mari de biomasă crește productivitatea specifică, însă crearea unor astfel de bioreactoare necesită cunoștințe precise ale proprietăților termofizice și de transfer de masă ale suspensiilor dense, care în prezent lipsesc. Pentru a atinge obiectivul stabilit, au fost rezolvate următoarele sarcini: o analiză a literaturii științifice; dezvoltarea unei metodologii experimentale; selectarea obiectelor de cercetare (Saccharomyces cerevisiae în suspensie de apă la 4.81–20.17% greutate ADY); analiza comportamentului reologic și a constantelor termice de la 10 la 50°C (283.15-323.15 K) cu trepte de 10°C; și derivarea ecuațiilor de regresie. Cele mai importante rezultate sunt modelele de transfer de căldură și masă stabilite experimental. A fost descoperită existența unei concentrații limită, la care natura fluxului suspensiei se schimbă fundamental. S-a constatat că la gradienți de viteză de forfecare mici, suspensia apă-drojdie se comportă ca fluide pseudoplastice, dar odată cu creșterea gradientului de viteză, comportamentul lor devine caracteristic fluidelor dilatante. De asemenea, după 30°C, conductivitatea termică -anterior în scădere -a început să crească, probabil pe măsură ce celulele de drojdie au pierit. Semnificația rezultatelor obținute constă în utilizarea lor ulterioară în testarea de laborator a caracteristicilor materiilor prime furnizate, în alegerea modurilor tehnologice de cultivare a microorganismelor în producție, precum și în calculele de transfer de căldură și masă în proiectarea aparatelor moderne.

Основной целью исследования является повышение энергетической эффективности кожухотрубногоструйно-инжекционного ферментатора (КСИА), используемого для аэробного культивирования микроорганизмов. Актуальность работы обусловлена потребностью биотехнологической отрасли в переходе к энергоэффективным и высокопроизводительным процессам аэробного культивирования. Ключевым направлением такого развития является культивирование микроорганизмов при высоких концентрациях биомассы. Это позволяет радикально увеличить удельную производительность аппаратов. Однако,создание биореакторов для таких режимов невозможно без точных знаний о теплофизических и массообменных свойствах плотных суспензий, которые в настоящее время отсутствуют. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: проведен обзор и анализ научно-технической литературы, который позволил выявить проблему недостатка данных о тепло-массообменных свойствах ВДС; разработка методики экспериментальных исследований; подобраны объекты исследования (ВДС рода Saccharomyces cerevisiae с концентрацией от 4.81до 20.17 масс. %АСД); проанализировано реологическое поведение и значения тепловых констант ВДС в диапазоне температур от 10 до50°C (283.15-323.15 K)с дискретностью 10°C; получены расчетные регрессионные уравнения. Наиболее важными результатами являются экспериментально установленные закономерности тепломассопереноса. Обнаружено существование предельной концентрации биомассы, при которой принципиально меняется характер течения суспензии. Выявлено, что при малых градиентах скорости сдвига ВДС ведут себя как псевдопластичные жидкости, однако с ростом градиента скорости их поведение становится характерным дилатантным жидкостям. Показано, что доминирующим фактором, влияющим на изменение коэффициента температуропроводности исследованных суспензий, является температура. Значимость полученных результатов состоит в их дальнейшем использовании при лабораторной проверке характеристик поставляемого сырья, при выборе технологических режимов культивирования микроорганизмов на производстве, а также тепломассообменных расчётах при проектировании современных конструкций аппаратов.