液泵型環(huán)流生物反應(yīng)器對容積氧傳遞系數(shù)的影響

液泵型環(huán)流生物反應(yīng)器對容積氧傳遞系數(shù)的影響

0試驗結(jié)果與分析作為生物檢測器（也是一般反應(yīng)器）的一個發(fā)展了近20年的液體泵檢測器。作為液體泵檢測器之一，下噴液泵檢測器（jcl）在傳質(zhì)率高、傳熱速度快、結(jié)構(gòu)簡單的情況下越來越受到重視。1976年，jcl首次提出使用下噴環(huán)裝置。事實上，關(guān)于噴波環(huán)裝置的廣泛研究應(yīng)該追溯到1979年blench首次報告的噴波環(huán)裝置的結(jié)果。到目前為止，各國科學(xué)家已經(jīng)對下噴jcl進行了研究，但很少有研究非牛頓流體的低高度比用泵生物的傳質(zhì)特征，而且對牛頓流體和非牛頓流體之間的比較研究不足。事實上，在發(fā)酵和廢水的生化處理中，氣-液-固三相流的系統(tǒng)與氣-液-固三相流的顆粒形成了互補作用。液體作為生物溶氧的評價指標(biāo)，在反應(yīng)過程中發(fā)揮著更好的領(lǐng)導(dǎo)作用。在本次試驗過程中,通過正交試驗分析了DE/D、LE/D、ωc(DE為導(dǎo)流筒直徑,mm;D為反應(yīng)器直徑,mm;LE為導(dǎo)流筒高度(距反應(yīng)器底部),mm;ωc為CMC水溶液濃度,%)三因素在不同水平下對容積氧傳遞系數(shù)的影響程度.以容積氧傳遞系數(shù)為評價指標(biāo),在試驗范圍內(nèi)得出了導(dǎo)流筒直徑DE及其高度LE的最優(yōu)值;針對取樣高度的不同測試了其對容積氧傳遞系數(shù)的影響曲線;對容積氧傳遞系數(shù)隨通風(fēng)比(V/V)的變化曲線作了分析;在以上試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,將該反應(yīng)器與磁力攪拌生物反應(yīng)器進行了對比,以容積氧傳遞系數(shù)為評價指標(biāo)得出了相應(yīng)的結(jié)論.1試驗材料和方法1.1試驗材料試驗所使用的裝置如圖1所示.反應(yīng)器主體采用有機玻璃制造,導(dǎo)流筒和管路采用不銹鋼材料,循環(huán)泵采用多級漩渦泵.1.2u3000na2s3o3溶液的用量本次試驗中,容積氧傳遞系數(shù)為主要評價指標(biāo),其測定方法主要有亞硫酸鈉氧化法、極譜法、氧的物料平衡算法、溶氧電極法和稀亞硫酸鈉溶液流加法等.亞硫酸鈉氧化法為本次試驗所采用的測定方法.以Cu2+為催化劑,O2溶解在水中立即將水中的SO32-氧化為SO42-,其氧化反應(yīng)的速度在很大范圍內(nèi)與SO32-的濃度幾乎無關(guān),溶氧速率是控制氧化反應(yīng)的因素.剩余的Na2SO3與過量的碘作用剩余的I2用標(biāo)定的Na2S2O3溶液滴定,標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3溶液的用量決定于溶解氧的量.每摩爾溶氧可氧化2molNa2SO3,就剩余2molI2,也就消耗4molNa2S2O3.因此,每滴定消耗1molNa2S2O3,有1/4mol溶氧.令ΔV——取樣與空白樣各加等量、適量標(biāo)準(zhǔn)I2液后滴定所用的標(biāo)準(zhǔn)Na2SO3的體積之差,mL;N——Na2SO3的標(biāo)定等量濃度;P——反應(yīng)器內(nèi)絕對壓力,MPa;V——樣液的體積,mLΔT——兩個取樣的時間間隔,即氧化時間,min.在本次操作中,P絕=0.1MPa,則容積傳氧速率因為NV=kLa(C*-C),(kLa為容積氧傳遞系數(shù),1/h)在亞硫酸鈉氧化法中,水中的SO32-在Cu2+的催化下瞬間即把溶氧還原,因而在整個試驗過程中的溶氧濃度C=0.另外,由于試驗設(shè)備較小,可以忽略進出口的壓力變化,在0.1MPa下,25℃時空氣中的氧的分壓為0.021MPa,氧氣溶于水的亨利常數(shù)為4.58×104.但由于亞硫酸鹽的存在,C*的實際值低于0.24mmol/L,因此,一般規(guī)定C*=0.21mmol/L.所以kLa=NV/0.211.3設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸1.4晶體抗氧化能力的測定將一定溫度(室溫)的自來水加入反應(yīng)器中,打開循環(huán)泵,調(diào)節(jié)回流閥門使液體流量控制在5L/min.加入化學(xué)純Na2SO3晶體,使SO32-濃度在0.1N,再加入化學(xué)純CuSO4,使Cu2+濃度約為10-3mol/L.等完全溶解后,開通氣泵,控制氣量為5L/min,以氣泡冒出為氧化時間開始,間隔3min取樣一次20mL,立即移入新吸取的過量I2液中,然后用標(biāo)定的Na2S2O3,滴定為無色終點,記錄滴定前后Na2S2O3數(shù)值.每次試驗重復(fù)3次,取平均值.2結(jié)果與討論2.1正交分析的水平在試驗過程中,我們選用了L9(34)型正交表對導(dǎo)流筒直徑DE、導(dǎo)流筒高度LE以及CMC水溶液濃度ωc三個kLa的影響因素在三種水平下進行了正交分析.2.1.1流加處理對反應(yīng)器傳質(zhì)性能的影響對正交表進行極差分析可知,物系的聚結(jié)程度因素ωc對kLa的影響作用最大,環(huán)流反應(yīng)器作為一種多相生物反應(yīng)器,在生物發(fā)酵過程中,發(fā)酵液的流體力學(xué)特性將對溶氧傳質(zhì)性能產(chǎn)生較大的影響,而隨著發(fā)酵過程的進行,發(fā)酵液的流體性質(zhì)將隨著微生物生長周期而發(fā)生改變,另外,一些流加工藝也將會對發(fā)酵液的流體性質(zhì)產(chǎn)生影響.因此,應(yīng)該進一步加深不同流體特性下反應(yīng)器傳質(zhì)性能的研究比較,從而得出對生產(chǎn)有益的指導(dǎo)性結(jié)論;此外,在反應(yīng)器外部尺寸恒定情況下,導(dǎo)流筒高度LE和直徑DE對溶氧傳質(zhì)性能kLa也產(chǎn)生了較大的影響,因此做到導(dǎo)流筒尺寸優(yōu)化對強化反應(yīng)器的環(huán)流和溶氧傳質(zhì)都有較大的意義.本次研究將對導(dǎo)流筒高度和直徑等kLa影響因素作相應(yīng)研究.2.1.2溶氧傳質(zhì)效果的影響在生物好氧發(fā)酵過程中,微生物對溶氧的要求較高,尤其相對一些高耗氧發(fā)酵過程而言,溶氧成為生產(chǎn)的決定因素,因此在觀察評價指標(biāo)kLa時,其值越大越好.從正交表中可以看出,當(dāng)ωc為零時,DE/D=0.4,LE/D=0.93的情況下,kLa值最大,在此參數(shù)下,該反應(yīng)器的溶氧傳質(zhì)效果達到最佳值.3.1.3參數(shù)優(yōu)化試驗在實際選取因素水平時,主要因素按照指標(biāo)值最好的要求選取水平,對于次要因素則根據(jù)節(jié)約、方便的原則進行水平選擇.在本次試驗中,可以選取ωc=0.00,DE/D=0.4,LE/D=0.93作為因素的最佳組合方式.需要指出的是,各因素的最佳組合有可能包含在已做過的試驗當(dāng)中,因此,我們將在導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)尺寸對kLa的影響試驗中進一步驗證該參數(shù)組合的最佳性.2.1.4因素le/d不同時長對kras/d的影響由圖中可以看出,因素DE/D從0.4增至0.6時,kLa是一個先降低后升高的過程,從而可以得出實驗范圍內(nèi)的最佳值.如果進行進一步試驗,將在小于0.4或者大于0.6的范圍內(nèi)進行;因素LE/D從0.84增至1.02,kLa先升高后降低,存在試驗最佳值0.93;因素ωc從零增至0.50過程中,kLa始終呈下降趨勢.可以看出,隨著發(fā)酵液粘度的不斷上升,溶氧傳質(zhì)性能不斷下降,這一點在以往的試驗中已經(jīng)得到不斷的確證.2.2de/d、le/d純基導(dǎo)電筒最佳尺寸的驗證在上述試驗過程中,已經(jīng)在正交范圍內(nèi)得出了DE/D、LE/D、ωc的最佳值,為了驗證導(dǎo)流筒的最佳尺寸是否已經(jīng)包含在正交試驗范圍內(nèi),對DE/D、LE/D在純水條件下進行逐項組合試驗.從表3中可以看出,2.1.2中所得出的結(jié)論正確.2.3取樣高度的影響下噴式液泵型生物反應(yīng)器通過內(nèi)外雙循環(huán)來強化傳質(zhì),液體由反應(yīng)器底部流出,從上部由噴嘴噴射進入,其溶氧傳質(zhì)效果在反應(yīng)器各部分存在差異.因此,選取不同的取樣高度測試反應(yīng)器內(nèi)部溶氧傳質(zhì)效果曲線.由圖3的曲線可以看出,隨著取樣高度降低,由于氣泡在反應(yīng)器下部的停留時間相對較短,kLa呈下降趨勢.2.4好氧發(fā)酵過程中通氣量的影響在實際通氣式發(fā)酵過程中,通風(fēng)比(V/V)作為一種重要參數(shù)對溶氧傳遞產(chǎn)生較大的影響.在試驗中,采用不同的通風(fēng)比測試其對kLa的影響曲線.從曲線中可以看出,隨著通風(fēng)比的增大也即通氣量的加大,容積氧傳遞系數(shù)kLa逐漸增大.通風(fēng)比從0.376:1增大到0.902:1,kLa的增幅達到43.9%.可見,在好氧發(fā)酵過程中,增大通氣量在一定范圍內(nèi)可以使溶氧狀況得到很大的強化.但在實際發(fā)酵過程中,增大通氣量所帶來的能耗增加和泡沫層升高等因素也不容忽視,因根據(jù)生產(chǎn)實際進行利弊權(quán)衡.2.5應(yīng)器與環(huán)流反應(yīng)器通風(fēng)比的比較將該液泵型反應(yīng)器與磁力攪拌生物反應(yīng)器進行對比,從對比曲線中可以看出,在磁力攪拌轉(zhuǎn)速低于900r/min的情況下,環(huán)流反應(yīng)器在低通風(fēng)比下的kLa值均高于磁力攪拌反應(yīng)器(其通風(fēng)比V/V=1:1).而磁力攪拌轉(zhuǎn)速達到900r/min(V/V=1:1)時的kLa值(kLa=270)與環(huán)流反應(yīng)器通風(fēng)比V/V=0.902:1時的kLa值(kLa=272)相近,而且根據(jù)以上的試驗分析我們可以知道,增大環(huán)流反應(yīng)器通風(fēng)比使其到達與磁力攪拌相同通風(fēng)比時,其溶氧傳遞系數(shù)將超過磁力攪拌所能達到的效果.3容積氧傳遞系數(shù)1)通過DE、LE、ωc三因素三水平正交試驗,得出了各因素對溶氧傳質(zhì)性能的重要性順序以及因素水平變化與kLa值的變化規(guī)律,在試驗范圍內(nèi)得出了最佳組合;2)通過導(dǎo)流筒尺寸優(yōu)化試驗得出了導(dǎo)流筒的最佳結(jié)構(gòu)尺寸,DE=88mm(