Экспериментальное исследование ячеистой структуры в газо-вихревом биореакторе

Автор: Булат Руфкатович Шарифуллин

Соавторы: Наумов И.В., Скрипкин С.Г.

Организация: Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН

Экспериментальное исследование ячеистой структуры в газо-вихревом биореакторе

Исследование формирования циркуляционных вихревых ячеек для улучшения тепло-массообменных процессов в биологических и энергетических технологиях является важнейшим практическим приложением в разработке вихревых аппаратов и оптимизации рабочих режимов. Одним из таких аппаратов является вихревой биореактор [1].

В данной работе выполнено экспериментальное исследование распределения скорости при организации вихревого движения на эксплуатационных режимах работы в промышленном стеклянном биореакторе объемом 10 литров с диаметром реакторной емкости D=190 мм. Вихревое движение воздуха генерируется активатором с частотой вращения Ω до 2700 об/мин. В качестве модельной среды использовался 65% водный раствор глицерина (ρ = 1150 кг/м3, ν = 15 мм2/с). Для наблюдения картины вихревого движения применялись методы цифровой трассерной визуализации (PIV) и адаптивной трековой визуализации.

В ходе экспериментальной работы исследовалась конфигурация газо-вихревого биореактора с шайбой, плавающей на поверхности модельной жидкости. Соотношение частот вращения активатора и плавающей шайбы Ω/ω составляло ≈ 200. В такой конфигурации газовый вихрь закручивает плавающую шайбу, которая в свою очередь приводит в движение рабочую жидкость. Получено, что наличие плавающей шайбы обеспечивает интенсификацию перемешивания жидкости за счёт высокой скорости вращения шайбы.

Показано, что при вращении активатора под шайбой возникают ячейки центробежной циркуляции, которые при увеличении частоты вращения активатора расширяются в глубь реактора. На рисунке представлены поля скорости в жидкости. Для удобства на рис. 1(б) приведены половины скалярных полей скорости в жидкости, где левый край изображения соответствует оси реакторной емкости, а правый край – периферии. Установлено, что наблюдаемая вихревая структура и ее динамика при увеличении закрутки потока совпадает со структурой замкнутого вихревого потока в цилиндрическом контейнере как для одножидкостных, так и двухжидкостных системах [2, 3].

 

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-19-00083

 

1.Savelyeva A. V. et al. Analysis of the efficiency of recombinant Escherichia coli strain cultivation in a gasvortex bioreactor // Biotechnology and Applied Biochemistry, 2017, Vol. 64(5), P. 712-718.

2.Шарифуллин Б.Р., Наумов И.В. Передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей // Теплофизика и аэромеханика, 2021, Т. 28, № 1, C. 67-78

3.Naumov I.V., Sharifullin B.R., Tsoy M.A., Shtern V.N. Dual vortex breakdown in a two-fluid confined flow // Physics of Fluids. 2020. Vol. 32(6). P.061706.