Шпаргалка: Оборудование для биотехнологического производства
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 = dL б /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 V ф для очистки 1 м3 сточной воды определяется по выражению
При расчете биофильтров определяют L н /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 /(м2 сут)].
14. Реакторы для процессов с использованием иммобилизованных катализаторов
Иммобилизованные биокаталитические системы функционируют в биореакторе в виде неподвижной фазы, через которую протекает среда с субстратом, подлежащим биоконверсии. Возможны различные инженерные решения для подобного проточного биореактора. Наряду с непрерывным в таких реакторах используют и периодический режим. Аппараты для иммобилизованных биокатализаторов имеют аналогию с реакторами для химических процессов с гетерогенным катализом.
Если иммобилизованные катализаторы имеют вид гранул, то важной задачей является их максимально плотная упаковка в аппарате. Таким путем реализуют еще одно преимущество метода — возможность повышения концентрации биообъекта в реакторе, что влечет за собой и более высокий выход целевого продукта. Например, плотность популяции животных клеток in vitro не превышает 106 на 1 мл среды, тогда как в составе гелевых гранул или капсул достигает 108— 109на 1 мл.
Плотную упаковку реализуют в биореакторе с циркуляционным перемешиванием и насадкой, роль которой играют гранулы с иммобилизованным биокатализатором. Это один из преобладающих типов биореакторов для иммобилизованных биокаталитических систем, используемый, например, для получения спирта с помощью клеток дрожжей или бактерий Zymomonas mobilis. Применение циркуляционных биореакторов с насадкой порождает, однако, серьезные проблемы: 1) недостаточно эффективное перемешивание, что обусловливает формирование нежелательных температурных, концентрационных и рН-градиентов в объеме аппарата; 2) затруднения с удалением ССЬ и других газообразных продуктов, которые, прокладывая себе путь к верхней части аппарата, разрушают гранулы с иммобилизованным биокатализатором.
Для улучшения перемешивания и газообмена биореактор снабжают механической мешалкой, что ощутимо повышает энергозатраты и может быть причиной разрушения гранул. Борьба с повреждающим действием мешалки ведется путем укрепления гранул. Отметим, что мембранные капсулы для животных клеток обладают прочностью, достаточной для сохранения их целостности при работе механической мешалки. Свободные животные клетки при тех же оборотах мешалки подвергаются лизису.
Предохранение гранул с катализатором от повреждения мешалкой достигается в биореакторе «корзиночного» типа. Биореактор снабжен мешалкой, которая вращается в полом цилиндре из проволочной сетки — «корзине». «Корзина» несет в своих ячейках гранулы, содержащие биокатализатор. Получаются два уровня иммобилизации — гранулы с иммобилизованным биокатализатором, которые, в свою очередь, фиксированы в ячейках проволочной сетки. Проволочная корзина предохраняет гранулы от разрушения в процессе перемешивания.