To tylko jedna z 9 stron tej notatki. Zaloguj się aby zobaczyć ten dokument.
Zobacz
całą notatkę
Hydrodynamika mieszania
Proces mieszania- dlaczego jest najważniejszy:
Bioreaktory są zbiornikami.
Najczęstsza forma hodowli- hodowla w zawiesinach. W praktyce technicznej hodowla na podłożu stałym dotyczy grzybów strzępkowych.
Hodowla z zawiesinie jest skuteczniejsza, z 2 powodów:
Jest łatwiejsza do automatyzacji
Łatwiej uzyskać kontrolowane warunki
Grzyby nitkowe- mimo, że naturalnie rosną na podłożach stałych, w procesach produkcyjnych stosuje się hodowlę wgłębną (w zawiesinie).
Większość procesów jest tlenowa, więc wymieszanie zawiesiny jest istotne z pkt widzenia procesu.
Nawet gdy mamy do czynienia z procesem beztlenowym mieszamy zawiesinę mikroorganizmów, ponieważ:
W każdym bioreaktorze stężenie wszystkich składników musi być takie same. Ułatwia to dostęp mikroorganizmów do substratów i sprawia, że produkty nie kumulują się w jakimś miejscu hodowli, tylko są równo dystrybuowane po całym zbiorniku.
Każdy bioreaktor będzie mieszany: Posiadający mieszadło Lub nie posiadający mieszadła (mieszany gazem, pęcherzykami).
Najważniejsza forma bioreaktora- zbiornik z mieszadłem.
Mieszalnik + mieszadło
Jeśli mieszamy jakiś płyn: Układ dwufazowy
Czasami nawet trójfazowy (zawiesina mikroorg) Istotne jest jaką moc potrzebujemy, aby wymieszać daną zawiesinę.
Przy małych zbiornikach nadmiar mocy urządzeń mieszających nie ma znaczenia.
W skali przemysłowej ma to znaczenie: dobór silnika, który wymiesza dużą masę cieczy.
Proces mieszania z pkt widzenia hydrodynamiki płynów jest bardzo złożony, ponieważ ruch cząstek płynu wymuszany siłą ruchu obrotowego mieszadła jest bardzo złożony i bardzo trudny do analizy matematycznej.
Cząstki poruszają się chaotycznie, burzliwie.
Rozkład prędkości jest chaotyczny (nie jest ładną parabolą).
Mieszanie i moc niezbędna na wymieszanie cieczy (najważniejszy parametr z pkt widzenia mieszania, taka moc, aby ciecz cyrkulowała w mieszalniku przy danej prędkości obrotowej mieszadła).
Jak się miesza ciecz (w jakim stopniu się miesza):
Zależy od geometrycznej charakterystyki mieszadła i mieszalnika.
Na moc mieszania i na to, czy osiągniemy idealne wymieszanie naszej cieczy i prawidłową cyrkulację w zbiorniku ma wpływ wiele czynników geometrycznych- simpleksy geometryczne.
Jak każdy z tych czynników zmienimy, np. przesuniemy mieszadło, to automatycznie zmienią się warunki mieszania.
(…)
… nam prędkość obrotowa mieszadła
Jeżeli przesuwamy się w lewo to rośnie nam natężenie przepływu powietrza
Im większe damy natężenie przepływu powietrza przez bełkotkę, im silniej napowietrzamy, tym musimy silniej mieszać, żeby uzyskać pełną dystrybucję pęcherzyków w całym bioreaktorze.
Ustalanie tego:
Przyjmuje się jednostkę napowietrzania zależną dodatkowo od objętości:
vvm- szybkość napowietrzania wyrażona w litrach powietrza na min na litr bioreaktora [l / min x l].
Najczęściej jest 1 vvm (w l na min natężenie przepływu powietrza jest takie jak objętość cieczy w bioreaktorze)
Czasami się stosuje mniejsze vvm gdy jest mniejsze zapotrzebowanie na tlen
Czasami większe
Trzeba pamiętać, że do tego vvm z hydrodynamicznego pkt widzenia trzeba dobrze dobrać prędkość obrotową mieszadła.
Jeżeli damy przepływ 5l/min a następnie damy obroty 100/min, to pęcherzyki będą płynąc tak szybko w górę (bo prędkość ruchu pęcherzyków zwiększa się wraz z natężeniem przepływu), że mieszadło nie zdąży ich rozdystrybuować w poprzek.
Jak damy mniejszą prędkość przepływu, to przy tej samej prędkości obrotowej łatwiej się to rozprzestrzenia.
Generalnie przyjmujemy stałe natężenie przepływu powietrza i zwiększamy prędkość obrotową…
… te opisuje się np. liczbami kryterialnymi: specjalną formą liczby Reynoldsa dla mieszania ReM:
ReM= (n x d2 x ρ) / µ
d- średnica mieszadła
Czyli generalnie (zawsze) liczba Re: stosunek sił bezwładności do sił lepkości
Taka postać liczny Re gdyż:
W mieszaniu jedyną prędkością, którą możemy włączyć do analizy jest prędkość obrotowa mieszadła wyrażona w [obr/jednostkę czasu]:
v= π x d x n
n- prędkość obrotowa mieszadła wyrażona w [min-1, s-1].
Liczba Re determinuje czy mieszanie jest:
Laminarne
Burzliwe
W procesie mieszania odgrywają rolę siły grawitacji:
Stosuje się czasem liczbę Frouda, która odzwierciedla stosunek sił bezwładności do sił grawitacji:
Fr= (n2 x d) / g
W praktyce w układach liczba Fr jest stała. Jeśli ustalimy stałą prędkość obrotową mieszadła i średnicę, to ma stałą wartość.
Liczba mocy…
… naprężenia, automatycznie zwiększa szybkość ścinania i wokół mieszadła ciecz dobrze się miesza
Przy ściankach jednak płyn nie chce się mieszać (ruszać), ponieważ tam naprężenia styczne jakie przykłada mieszadło są znacznie mniejsze niż bliżej mieszadła
W efekcie przy mieszaniu zawiesin nieniutonowskich następuje stagnacja przy ściankach
Lepkość płynu zmienia się wraz z położeniem elementu płynu:
W środku…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)