Спотанне перемішування в накопичувальному біореакторі
Багато дослідників вказують на необхідність перемішування субстрату в метантенке. Вони вважають, що перемішування покращує контакт метаногенних мікроорганізмів з субстратом, оновлює граничні поверхні завислих речовин, знижує кількість накопичених в окремих точках проміжних і кінцевих продуктів розкладання [10,33,67]. Баадер [10] пише, що перемішування сприяє прискоренню реакції, так як рівномірно розподіляє поживні речовини в реакторі. Тим самим перешкоджає утворенню осаду, плаваючою кірки і забезпечує переміщення маси субстрату. Лер [67] додає, що перемішування сприяє підтримці однорідної температури у всій установці і рівномірно розподіляє потенційні метаболічні інгібітори. Крім цього, подрібнює більші частки, тим самим збільшує поверхню і швидкість розкладання. Ллє при цьому зазначає, що оптимальний ступінь перемішування на одиницю об’єму метантенка ще належить визначити. У результаті своїх досліджень Рудик В. і Ротару С. встановили, що при перемішуванні вихід метану збільшується майже в 1,5 рази в результаті інтенсивного розвитку метаногенних мікроорганізмів [99]. Гребеник В. І. і Марченко В. І. [32] пишуть, що в їх дослідженнях вихід біогазу збільшився на 28% при перемішуванні зброджуваного пташиного посліду. Але ряд авторів говорять про існування деякої межі перемішування. Перевищення цієї межі викликає короткочасне підвищення тиску на оболонках метангенерірующіх бактерій, що може привести до їх загибелі. У результаті експериментальних досліджень Власьевская В. В. і Євтеєву В. К.[24] було встановлено, що при вологості пташиного посліду 85% і вище процес газовиділення в біореакторі протікає нормально. При цьому, плаваюча кірка утворюється у вигляді невеликих локальних плям. Максимальне виділення метану виявлено при досить низької інтенсивності перемішування, що забезпечує лише гомогенізацію бродячій рідини. Про можливе згубному впливі на синтез цільового продукту і пригніченні росту біооб’єкту при прискоренні обертання мішалки йдеться в роботі [19].У роботі [23] сказано, що для всіх апаратів, призначених для одержання продуктів з допомогою процесів бродіння, вплив перемішування на кінетику процесу незначно.
Таким чином, з зробленого аналізу видно, що наявна в даний час інформація по впливу перемішування на процес анаеробного зброджування вельми суперечлива.
Перетворення органічної речовини в біогаз — спонтанний природний процес, що протікає в погано аерованих болотах, мулистих ірунтах, сховищах гною і сміття, а також у травному тракті тварин [103].
Спочатку метанового зброджування в біореакторі анаеробного зброджування з клітки органічної речовини субстрату виділяється насичений розчин і змішується з водою субстрату. Коли досягається їх насичення утворюється газова бульбашка, який викликає місцеве обурення субстрату’. Згідно закону Генрі [16,126,
127J, відносний обсяг газу, розчиненого в рідині до її повного насичення, можна вважати прямо пропорційним тиску:
, УЖ кРг.
г —
Ро
де Vr — обсяг розчиненого газу, приведений до нормальних умов (р0, То), м3;
Уж- об’єм рідини, м3;
k — коефіцієнт розчинності;
рп — парціальний тиск розчиненого газу над поверхнею субстрату, Па.
Ґрунтуючись на цей закон можна сказати — оскільки в біореакгорі тиск відносно постійна величина, то з плином часу кількість газових бульбашок буде збільшуватися, отже, збільшується обурення на субстрат. У даному випадку ці місцеві обурення виступають центрами для утворення нових бульбашок.
З моменту зародження бульбашки на поверхні розділу рідини і газу починають діяти сили поверхневого натягу, які прагнуть придати об’єму рідини сферичну форму і викликають деякий додатково тиск. Дія сферичних обсягів цей тиск визначається наступною формулою [115]:
(7.57)
де о — коефіцієнт поверхневого натягу рідини, Н / м;
Rf, — радіус газового міхура, м.
 |
Розглянемо сили, що діють на газова бульбашка [64]. Зробимо допущення, що бульбашка одиночний, кульова поверхня стійка в будь-який момент часу (рис. 7.5).
Газовий міхур володіє власною швидкістю ош яка призводить до утворення сили опору субстрату щодо бульбашки:
(7.58)
де сХо — коефіцієнт лобового опору;
р’ ‘-щільність біогазу, кг/м3;
d„ — діаметр миделевого перетину бульбашки, м.
При русі газової бульбашки на нього також діє сила інерції самого бульбашки:
Рн=рГ’~ (7.59)
at
де »"-обсяг газової бульбашки, mj;
dv 2
— Абсолютне прискорення бульбашки, м/с.
 |
 |
На газова бульбашка діє і сила інерції приєднаної маси субстрату, яка захоплена бульбашкою при його відносному русі:
де ^ — коефіцієнт захоплення рідкого компонента, Рі — щільність субстрату, кг/мЗ;
— Абсолютне прискорення субстрату в розглянутій точці,
м/с.
У процесі руху газової бульбашки відбувається зміна його маси внаслідок дифузії. Виникає реактивна сила Мещерського:
— — dM
Рм=у/сп-^- (7.61)
де v — коефіцієнт реактивності, обумовлений характером зміни маси бульбашки по його поверхні;
М — маса газової бульбашки.
Газовий пухирець володіє підйомної силою, що дорівнює вазі витісненої ним рідини (закон Архімеда):
PA = gVp’-p") (7.62)
Крім вищенаведених сил, які впливають на газова бульбашка, основною складовою силою є сила від падіння тиску:
Pnp=(p0 + p’g{h+L))^ (7.63)
де ро — тиск на вільну поверхню, Па;
h — висота шару субстрату до центру утворення бульбашки, м;
 |
 |
 |
L — відстань, на якому утворився газова бульбашка, м. Сума сил з рівнянь (2.48-2.53), з урахуванням їх спрямування та принципу Даламбера, дає рівняння руху одиночного газової бульбашки у в’язкому середовищі зброджуваного субстрату:
Продифференцирував рівняння (7.64) за часом, одержимо рівняння швидкості спливання газової бульбашки в наступному вигляді:
do dS 4 ш dM
o„ = Ц—1——— ;-
dy dt схир" — nd^ di
У даному рівнянні члени fidt>cp — і—— —- мають, постійні
dy dt с,0p’ ndf,
значення. Отже, швидкість спливання бульбашки буде змінюватися в залежності від значення приєднаної маси зброджуваного субстрату.
 |
Функціональна залежність швидкості спливання бульбашки від приєднаної маси субстрату має наступний характер (рис. 7.6):
Рис. 7.6. Функціональна залежність швидкості спливання газової
бульбашки від приєднаної маси субстрату
Розподіл швидкостей газових бульбашок в субстраті нерівномірне. Воно викликає зрушення (ковзання) одних шарів рідини за іншими, внаслідок чого виникають дотичні напруження. При шаруватому перебігу дотичне напруження, відповідно до закону Ньютона, змінюється прямо пропорційно так званому поперечним градієнту швидкості [28, 29, ЗО].
Таким чином, при сталості дотичного напруження по поверхні 8 повна дотична сила (сила тертя), що діє по цій поверхні:
(7.70)
де (л — коефіцієнт динамічної в’язкості субстрату, Па — с;
do — приріст швидкості, відповідне збільшенню координати
 |
Як вже було зазначено, при спливанні у в’язкому субстраті газові бульбашки зустрічають опір. У результаті, виникає обурення в збрижу ванної субстраті. Максимальна швидкість обуреного потоку буде знаходитися на поверхні газової бульбашки і зменшується в міру віддалення від нього (рис. 7.7).
Таким чином, при спливанні, рухомі відносно один одного газові бульбашки передають рух субстрату. Коли радіуси впливу газових бульбашок будуть максимально близькі або перекривати один одного, то субстрату передасться найбільше обурення. У свою
чергу, за допомогою руху окремих шарів буде здійснено спонтанне перемішування зброджуваного субстрату.
Вихід біогазу визначається згідно наступного рівняння:
WE=Uu-G)-n (7.71)
де со — миделевого перетин газової бульбашки, м2; п — кількість які виникають бульбашок.
Отже, інтенсивність вільного перемішування прямо пропорційно виходу біогазу — чим більше газовиділення, тим активніше буде протікати процес спонтанного перемішування в накопичувальному біореакгорі.