Мощность мешалки ферментера часто выбирают по воде: считают для начала процесса, когда среда жидкая. Но у многих культур вязкость к концу ферментации растёт в десятки и сотни раз — из-за биомассы, мицелия или выделяемых полисахаридов. Привод, рассчитанный на старт, в финале не обеспечивает ни перемешивания, ни переноса кислорода. Посчитаем, как это выглядит на цифрах.
Исходные данные
Условный пример, значения типовые и приведены для иллюстрации метода:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Рабочий объём среды | 2 м³ |
| Мешалки | 2 турбинные, диаметр 0,4 м |
| Частота вращения | 150 об/мин (2,5 об/с) |
| Плотность среды | 1050 кг/м³ |
| Вязкость в начале / в конце процесса | 0,005 / 1 Па·с |
| Целевая удельная мощность для вязкой аэробной среды | 2–3 кВт/м³ |
Порядок расчёта
Шаг 1. Режим течения. Считаем число Рейнольдса для мешалки: Re = ρ × n × d² / μ. В начале процесса Re = 1050 × 2,5 × 0,16 / 0,005 ≈ 84 000 — развитая турбулентность. В конце Re = 1050 × 2,5 × 0,16 / 1 ≈ 420 — переходный режим.
Шаг 2. Мощность на валу. P = Np × ρ × n³ × d⁵, где Np — число мощности (для турбинной мешалки в турбулентном режиме порядка 5). Для одной мешалки: 5 × 1050 × 15,6 × 0,0102 ≈ 0,84 кВт, для двух — около 1,7 кВт, то есть примерно 0,85 кВт/м³. При аэрации мощность без учёта газа снижается ещё.
Шаг 3. Сравнение с целью. Для вязкой аэробной среды нам нужно 2–3 кВт/м³, а получаем меньше 1 кВт/м³. Кроме того, при Re около 400 вокруг мешалки формируется зона активного движения, а у стенок и под крышкой среда почти стоит — туда плохо доходит кислород и хуже идёт теплообмен.
Шаг 4. Что меняем. Мощность пропорциональна n³ и d⁵. Увеличим диаметр мешалок до 0,5 м при тех же оборотах: d⁵ = 0,031, мощность одной мешалки ≈ 2,6 кВт, двух — около 5,1 кВт, то есть 2,6 кВт/м³. Зона перемешивания при этом заметно расширяется.
Шаг 5. Привод. К расчётной мощности добавляют потери в редукторе и уплотнении и запас на пуск в вязкой среде. В нашем примере разумен двигатель около 7,5 кВт с частотным регулированием: в начале процесса обороты снижают, к концу — повышают.
Для вязких сред эффективнее увеличить диаметр мешалки или сменить её тип, чем просто поднять обороты: рост оборотов резко увеличивает сдвиг, который может повредить клетки.
Ферментеры под вязкие культуры от Сушилка22
Промышленные ферментеры изготавливаем объёмом от 10 до 200 000 л, с подбором мешалок и привода под изменение вязкости среды; управление — ПЛК и SCADA с архивом параметров. Для процессов без стерильной аэрации подойдут промышленные реакторы с мешалками на вязкость до 200 Па·с, а биомассу после ферментации отделит декантерная центрифуга.
Пришлите данные о культуре и вязкости среды в начале и конце процесса — рассчитаем мешалку и привод. Телефон +7 906 968-1922, почта sales@sushilka22.ru.