Вихревые биотехнологии: от фундаментальных исследований вихревого движения к практическим приложениям

Проведен обширный цикл исследований вращающейся системы двух несмешивающихся жидкостей в ограниченных контейнерах. Изучены фундаментальные эффекты связанные с изменением топологии течения и скорости на границе раздела, гистерезисом и влиянием шероховатостей, влиянием величины активного слоя (примыкающего к вихрегенератору) на формирование циркуляционных вихревых ячеек (пузыревидный распад вихря) в пассивном слое.

Пример структуры течения культуральной среды в газовихревом биореакторе (слева),
сравнительные конфигурации вихревых реакторов (справа).

Одним из основных результатов стало выявленное подобие структуры течения в пассивной жидкости – культивируемой среде биореактора, независимо от способа создания закрутки (твердый диск, жидкий промежуточный слой жидкости, воздушный вихрь). Экспериментально показано, что в отличии от применения механических мешалок, технология перемешивания воздушным вихрем, сформированным активатором, за счет перепада давления и трения воздушного потока, обеспечивает деликатное, но эффективное перемешивание без пенообразования, кавитации, высокотурбулентных, застойных зон и зон локального перегрева. В области над рабочей жидкостью создается интенсивное вихревое движение, которое плавно приводит в меридиональное движение культивируемую биомассу посредством увеличения скорости на границе раздела. Помимо «бесконтактного» перемешивания воздушный вихрь интенсифицирует и газообмен между культуральной и закручивающей средой, где вместо воздуха может использоваться CO₂ необходимый для питания микроводорослей.

Показано, что в качестве индикатора циркуляционного вихревого движения правомерно использовать свободно плавающую стабилизирующую поверхность раздела шайбу, частота вращения которой и вязкость культуральной среды полностью определят режим течения. При росте биокультуры в процессе культивирования скорость свободно вращающейся шайбы также будет изменяться, что позволит сделать вывод об изменении вязкости и внести соответствующую корректировку на скорость вращения для поддержания необходимой гидродинамики и требуемого режима культивирования биокультуры. Метод был апробирован на модельных прозрачных жидкостях различной вязкости: результатами цифровой визуализацией, PIV измерениями и численными расчётами.

Динамика роста плотности культуры Spirulina platensis (Nordst.) в накопительном режиме культивирования в фотобиоректорах
с различным типом перемешивания в зависимости от скорости движения субстрата.

Выявленные критерии вихревого движения, а также наблюдаемая множественность ячеек и их расположение, способствуют массообмену и интенсификации биологических (рост, деление и питание клеток, микроорганизмов, водорослей) и химических процессов в вихревых реакторах. Значимым результатом стала демонстрация эффективности влияния способа перемешивания и конфигураций реакторов на реальном биологическом объекте – фототрофных микроводорослях спирулина/хлорелла/перферидиум, где были установлены функциональные зависимости между кривыми роста и интенсивностью вихревого перемешивания.

Руководитель работы – д.т.н. Наумов И.В., тел. +7 (383) 316-53-39.