Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989
Процессы переноса в биотехнологических системах
Другие факторы, влияющие на kia'
Поверхностно-активные вещества
Как мы упоминали в гл. 2, многие вещества биологического происхождения по своей природе амфипатичны, т. е. содержат как в высшей степени гидрофильные, так и гидрофобные участки, для которых характерна тенденция к концентрированию на поверхностях раздела газ — жидкость и жидкость — жидкость. На различных фазах роста клетки выделяют вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами (например, полипептиды); иногда эти вещества вызывают вспенивание реакционной массы аэрируемых реакторов. Добавление веществ, подавляющих пенообразование, также влияет на сопротивление поверхности раздела массообмену; обычно это влияние противоположно действию поверхностно-активных веществ.
Адсорбция поверхностно-активных веществ на поверхности раздела фаз представляет собой спонтанный процесс; при этом свободная энергия, а следовательно, и поверхностное натяжение о на границе раздела понижаются. Из эмпирических уравнений, приведенных в примере 8.2, следует, что в присутствии поверхностно-активных веществ величины Dsm и Dcдолжны снижаться; это приведет к увеличению поверхности раздела фаз в единице объема а'.
Повышение а' может компенсироваться влиянием пленок поверхностно-активных веществ на коэффициент массоотдачи kl. Адсорбция поверхностно-активных веществ повышает жесткость и снижает подвижность поверхности раздела фаз. Рассматриваемое здесь снижение kl, как полагают, обусловлено одним из двух механизмов (или обеими механизмами одновременно): 1) подвижность жидкой фазы вблизи границы раздела понижена в силу относительно малой подвижности самой границы раздела; поэтому различные теории массообмена, базирующиеся на оценке скоростей обмена малыми элементами жидкости между поверхностью и жидкой фазой, предсказывают уменьшение коэффициента массопередачи (подробнее см. в работах [3, 4]); 2) подобно клеточной мембране, молекулярная пленка должна обладать собственным сопротивлением, которое может вызвать отклонения от предполагаемого равновесия газ — жидкость на поверхности раздела фаз.
Добавление 10 млн-1 лаурилсульфата натрия (ЛСН) снижает klпереноса кислорода на 56% (по отношению к чистой воде). Дальнейшее повышение концентрации поверхностно-активного вещества не изменяет kl. Площадь поверхности раздела фаз в единице объема а' медленно возрастает при повышении концентрации ЛСН от 0 до 75 млн-1, a kla' минимально при концентрации ЛСН около 10 млн-1.
Найдено, что в реакторе с турбинным аэратором повышение концентрации поверхностно-активного вещества сопровождается монотонным возрастанием kla'. Анализ опубликованных в литературе данных об изменении отношения а' в присутствии поверхностно-активного вещества к а' в его отсутствие и соответствующего отношения величин kla' показал, что в присутствии 4 млн-1 ЛСН а' возрастает в 4 раза, a kla' — только на 15%; отсюда следует, что klуменьшается приблизительно на 71 %.
Наблюдавшееся в двух указанных сериях экспериментов снижение klсогласуется с результатами других исследований. В случае массообмена ряда ограниченно растворимых газов добавление поверхностно-активного вещества до постоянного kl приводит к снижению этого параметра в среднем на 60%. Проведенное Бенедеком и Хейдегером изучение влияния ЛСН показало, что турбинная аэрация в присутствии этого агента соответствует области, промежуточной между двумя областями, описываемыми приведенными выше уравнениями (8.35) и (8.36) [33]. Аналогичный результат получен Данквертсом для случая аэрации с помощью решетчатых тарелок. Эти результаты должны еще раз предостеречь читателя от переоценки приведенных в данной главе многочисленных эмпирических уравнений, и хотя последние, безусловно, полезны, при возможности следует использовать экспериментальные данные, полученные в условиях и аппаратах, максимально близких изучаемому процессу.