Статья опубликована в журнале «Химия. Экология. Урбанистика». Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Биологический реактор — это специализированное оборудование, используемое в биотехнологии, фармацевтике, пищевой промышленности и сельском хозяйстве для выращивания микроорганизмов (бактерий, дрожжей) и синтеза биологически активных веществ. Он выглядит как металлический цилиндр со специализированным днищем и крышкой. Снаружи аппарата находится «рубашка» – так называется полость между стенкой реактора и внешней оболочкой, через которую циркулирует теплоноситель (вода, пар, масло), чтобы поддерживать в нем оптимальную температуру. В центре реактора располагается мешалка для равномерного распределения питательных веществ, а также различные датчики, измеряющие температуру, концентрацию кислорода и другие параметры.
Существующий биологический реактор, применяемый в промышленности, представляет собой аппарат периодического действия с цилиндрической теплообменной «рубашкой» и пропеллерной мешалкой с тремя уровнями крыльчаток. Такая конструкция имеет ряд недостатков: низкая эффективность теплообмена, пропеллерные мешалки могут повреждать чувствительные бактерии, а циклы нагрева и охлаждения длятся довольно долго, что увеличивает время производства. Эти факторы ограничивают производительность реактора и качество конечного продукта.
Ученые Пермского Политеха предложили модернизировать конструкцию биологического реактора, чтобы сделать его более эффективным. Впервые были одновременно изменены как теплообменная система, так и форма перемешивающего устройства.
– Для того, чтобы улучшить теплообменную систему, вместо стандартной «рубашки» с низкой эффективностью, мы разработали конструкцию из изогнутых по спирали полутруб (змеевик), приваренных к корпусу реактора, по которым можно пускать горячий теплоноситель для нагрева. Такая конструкция увеличивает турбулентность теплоносителя, что ускоряет теплообмен в 2-3 раза, – рассказывает Сафар Загидуллин, профессор кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ, доктор технических наук.
– Второе улучшение касается мешалки. Пропеллерные лопасти в ней мы заменили на листовые с отверстиями. Они работают на малых оборотах, бережно перемешивая среду без повреждения бактерий. Отверстия в лопастях создают дополнительные струи, улучшая смешивание, – дополняет Софья Чуголаева, студентка кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ.
Ученые также создали 3D-модель своего модернизированного биореактора. Для проверки работоспособности разработки они провели численные расчеты, которые показали, что в случае изогнутой (змеевиковой) рубашки из полутруб эффективность теплообмена возрастает в 3-4 раза, а коэффициент теплопередачи – примерно в 1,5-2 раза.
Внедрение этих изменений позволит предприятиям быстрее производить качественные кормовые добавки, экономя электроэнергию и время. Это особенно актуально в условиях роста спроса на экологически чистые и натуральные продукты животноводства. Также такая модернизация повысит качество продукта, поскольку бережное перемешивание сохранит жизнеспособность бактерий, и увеличит производительность реактора без увеличения его габаритов. В планах у ученых обеспечить непрерывность процесса приготовления биодобавок. Для этого планируется разработать каскад реакторов.