Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Процессы переноса в биотехнологических системах
Массообмен между газовой и жидкой фазами в клеточных системах

Физическая основа рассматриваемого в этой главе явления массообмена схематически представлена на рис. 8.1. Ограниченно растворимый газ, чаще всего кислород, переносится от его источника (например, поднимающихся воздушных пузырьков) в содержащую клетки жидкую фазу. (Аналогичная картина наблюдается и в случае любого другого ограниченно растворимого субстрата, например жидких углеводородов в микробиологических способах переработки углеводородов.) На этом пути кислород должен преодолеть ряд сопротивлений массообмену, относительные величины которых зависят от гидродинамики пузырьков (капель), температуры, клеточной активности и плотности культуры, состава раствора, ряда явлений на границе раздела фаз и от других факторов.

Общее сопротивление массообмену складывается из отдельных сопротивлений в следующих частных процессах:

1. Диффузии газа из ядра газовой фазы к границе раздела фаз газ — жидкость.

2. Переносе через границу раздела фаз газ — жидкость.

3. Диффузии растворенного вещества через примыкающий к пузырьку относительно неперемешиваемый слой жидкости в перемешиваемую жидкую фазу.

4. Переносе растворенного вещества через жидкую фазу ко второму относительно мало перемешиваемому жидкому слою, окружающему клетки.

5. Переносе через второй относительно неперемешиваемый слой, окружающий клетки.

6. Диффузии в скопления клеток, мицелий или в частицу почвы.

7. Переносе через оболочку клетки во внутриклеточное пространство (реакционный центр).

Все эти типы сопротивлений изображены на рис. 8.1. Когда организм существует в виде отдельных клеток, шестой тип сопротивления отпадает. Для клеток микроорганизмов характерна тенденция к адсорбции на границах раздела фаз. Так, клетки могут концентрироваться преимущественно вблизи границы, разделяющей газовый пузырек и жидкую фазу. Тогда диффундирующий растворенный кислород преодолевает только одну неперемешиваемую область; отпадает необходимость и в переносе через жидкую фазу, предшествующем сопротивлению пятого типа. В такой ситуации концентрация О₂, растворенного в жидкой фазе, не отражает скорость его подачи для дыхания микроорганизмов.

Точно так же в процессах микробиологических трансформаций других ограниченно растворимых субстратов, например капель углеводорода, часто наблюдалась адсорбция клеток на границе раздела (или вблизи нее), отделяющей углеводородную фазу от водной. Математическое моделирование работы реакторов в таких ситуациях мы рассмотрим в гл. 9.

На рис. 8.2 изображены различные варианты физического контакта между газовой и жидкой фазами. Все эти варианты можно разделить на две группы, в первой из которых массообмен совершается за счет свободного подъема пузырьков газа или опускания жидких или твердых частиц, а во второй — за счет движения жидкости под действием приложенных к ней внешних сил, отличных от сил гравитации (принудительная конвекция). Между этими двумя группами нет четкой границы, и, например, смешение газа с жидкостью в медленно перемешиваемой полупроточной системе может в равной степени обусловливаться как свободным подъемом пузырьков газа, так и механическим перемешиванием. Важность гидродинамики в процессах биохимической технологии требует изучения взаимосвязи между течением жидкости и массообменом. Прежде чем приступить к изучению этой проблемы, однако, необходимо сделать несколько замечаний общего характера и познакомиться с рядом терминов и определений, принятых в теории массообмена.

Таблица 8.1. Растворимость О₂ при давлении 1 атм О₂ в воде при различных температурах и в растворах солей или кислот при 25 °С^а

Растворимость O₂ в водных растворах при 25 °С

^а Из работы: International Critical Tables, vol. III, p. 271. McGraw-Hill Book Co., New York, 1928; Todt F., Elektrochemische Sauerstoffmessungen, W. de Guy and Со.. Berlin, 1958.