Реферати » Реферати з біології » Біохімічні реактори

Біохімічні реактори

Розглядаючи різноманітні реакторні пристрої, застосовувані нині в біохімічних виробництвах, можна зробити висновок, що у всіх реакторах відбуваються певні фізичні процеси (гідродинамічні, теплові, масообмінні) , за допомогою яких створюються оптимальні умови для проведення власне біохімічного перетворення речовини (біохімічної реакції). Для здійснення цих біохімічних процесів біохімічний реактор забезпечується типовими конструктивними елементами, широко вживаними в апаратах для проведення власне біохімічних процесів (мішалки, контактні пристрої, теплообмінники і т.д.). Тому всі біохімічні реактори представляють собою комплексні апарати, що складаються з відомих конструктивних елементів, більшість яких використовується для проведення технологічних операцій, що не супроводжуються біохімічним перетворенням переробляються речовин. Кількість таких конструктивних поєднань, а значить, і типів реакторів може бути досить великим, що пояснюється різноманіттям і складністю протікають біохімічних реакцій. Однак, для всіх біохімічних реактори, існують загальні принципи, на основі яких можна знайти зв'язок між конструкцією апарату і основними закономірностями протікає в ньому біохімічного процесу.
Рітер, за якими можна класифікувати реакційні апарати, є періодичність, або безперервність процесу, його стерильність, гідродинамічний режим, тепловий ефект і необхідну кількість кисню для реакцій біосинтезу, а так само фізичні властивості (аргегатное, фазовий стан) взаємодіючих речовин. Основні типи реакторів описані нижче.
1. Класифікація біохімічних реакторів
За принципом організації процесу біохімічні реактори поділяються на три групи.
У реакторі періодичної дії (рис. 1) всі окремі стадії процесу протікають послідовно, в різний час. Характер зміни конценраций реагують речовин однаковий у всіх точках реакційного об'єму, але різний за часом для однієї і тієї ж точки об'єму. У такому апараті продолжітельностль реакції можна виміряти безпосередньо, так як час реакції і час перебування реагентів у реакційному обсязі однакові. Параметри технологічного процесу в періодично діючому реакторі змінюються в часі. Реактори періодичної дії мало продуктивні і погано піддаються автоматичному контролю і регулювання.
У реактроре безперервної дії (рис. 2) всі окремі стадії процесу біохімічного перетворення речовини (подача реагують речовин, біохімічні реакції, висновок кінцевого продукту) здійснюються паралельно, одночасно. Характер зміни концентрацій реагуючих речовин в реакційному обсязі різний у кожний момент часу в різних точках об'єму апарата, але постійний в часі для однієї і тієї ж точки об'єму.
В таких аппратах технологічні параметри процесу постійні в часі. Однак, тривалість реакції в реакторах безперервної дії не можна виміряти безпосередньо.
В апаратах безперервної дії час реакції не може збігатися з часом перебування реагентів, так як кожна елементарна частинка речовини знаходиться в реакційному обсязі різний час, і, отже, загальний час перебування залежить від характеру розподілу часу перебування окремих частинок. У загальному випадку час реакції залежить від інтенсивності перемішування, структури потоків в апараті, і для кожного гідродинамічного типу реактора воно індивідуально.
Безперервно діючі реактори високопродуктивні, легко піддаються механізації при обслуговуванні і автоматичному контролю і регулювання при управлінні, у тому числі із застосуванням бистодействующіх електронно-обчислювальних машин.
Реактор полунепреривного (полуперіодіческого) дії (рис. 3) працює у невстановлених умовах, так як один з реагентів надходить безперервно, а інший - періодично. Можливі варіанти, коли реагенти надходять в реактор періодично, а продукти реакції вивантажуються безупинно. Такий реактор можна розглядати як непреривнодействующій апарат, в якому потоки входить і виходить з реактора вещест не рівні, і, крім того, як періодично діючий апарат, в якому введення одного з реагуючих речовин або виведення продукту реакції здійснюється періодично. Реактори полуперіодіческого дії використовуються тоді, коли зміни швидкості подачі реагентів дозволяє регулювати швидкість процесу.
У таблиці 1 зіставлені фактори визначають періодичність і безперервність процесу в реакторі.
Таблиця 1
Фактори
Тип процесу

періодичний
Безперервний
Період процесу?? - Час між проведенням окремих стадій процесу (наприклад, між двома суміжними вивантаження продукту).
?? > 0
?? ? 0
Ступінь безперервності процесу???? (Де? - Час, необхідний для проведення всіх стадій процесу).
?? > 1
???? ? 0
Послідовність окремих стадій процесу.
Послідовно
Паралельно
Місце проведення окремих стадій процесу.
В одному апараті
У декількох апаратах або в різних частинах одного апарата
Характер зміни концентрацій реагуючих речовин в реакційному обсязі
Однаковим у всіх точках об'єму реактора, але різний у часі для однієї і тієї ж точки обсягу
Розрізнений в кожен момент часу

По гідродинамічному режимі (структурі потоків) ректори діляться на три групи.
Реактори ідеального (повного) перемішування - апарати, в яких потоки реагентів миттєво і рівномірно перемішуються в усьому реакційному обсязі. Це означає, що склад і температуру реакційної суміші в такому апараті можна вважати однаковими у всьому його обсязі. На малюнку 4а предствлена ??типова залежність зміни концентрації субстрату в часі в такому реакторі.
До такого типу реакторів можуть бути віднесені апарати малого обсягу з механічним перемішуванням рідини, частотою обертання мішалки не менше 4 с-1 і часом гомогенізації не більше 8 хвилин.
Реактори ідеального (повного) витіснення - апарати, в яких рух реагентів носить поршеневой характер, тобто кожен попередній обсяг, що проходить через апарат, не змішується з наступним, так як витісняється ім. У такому апараті існує певний розподіл швидкостей потоку по його перетину. У результаті склад, а так само температура реакційної суміші в цетрі апарату і у його стінок різні; і температур на вході і виході з апарата. До таких апаратів відносяться трубчасті реактори при співвідношенні їх висоти до діаметра, рівним не менше 20 (H / D? 20). Однак, у великих реакційних обсягах, як правило, режим повного (ідеального) витіснення порушується за рахунок ефекту зворотного перемішування. Типова залежність зміни концентрації у часі для такого апарату представлена ??на рис 4б.
Реактори з проміжним гідродинамічним режимом. Цей тип апаратів дуже широко поширений на практиці. Найбільш часто відхилення від ідеального режиму пермешіванія в реакційному обсязі спостерігається, наприклад, в апаратах великого об'ма при недостатній частоті обертання мішалки, наявності теплообмінних пристроїв всередині апарату, великій швидкості подачі реагентів в апарат безперервної дії і т.д. У цих випадках виникають застійні зони (обсяги з малим перемішуванням або взагалі без перемішування), байпасні потоки в апараті а так само проскакування потоку без змішання через апарат. (Рис. 5)
На малюнку 4в показана характерна залежність зміни концентрації субстрату в часі в такому реакторі.
В апаратах ідеального витіснення регулярний гідродинамічний режим може бути порушений в результаті поперечного і особливо поздовжнього пермешіванія потоку (рис. 6), що призводить до часткового вирівнювання концентрацій і температур по перетину і довжині реактора. Пояснюється це тим, що поздовжнє (зворотне) пермешіваніе прискорює переміщення одних елементів обсягу, а інших - уповільнює, внаслідок чого час перебування їх у реакторі стає різним.
Одним їх технічних прийомів зменшення ефекту поздовжнього пермешіванія є секціонування реакційного обсягу (рис. 7), в результаті чого пермешіваніе набуває локальний характер і по довжині апарату зберігається гідродинамічний режим, близький до режиму повного витіснення.
Типова залежність зміни концентрації субстрату в часі в багатосекційні апараті представлена ??малюнку 4г.
До апаратів з проміжним гідродинамічним режимом ставляться більшість ферментерів колонного типу.
Реактор, як апарат, в якому протікає основний процес біотехнології - утворення нового продукту в результаті складної взаємодії вихідних речовин, повинен працювати ефективно, тобто забезпечувати необхідну глибину і вибірковість біохімічного перетворення. Отже, біохімічний реактор повинен задовольняти ряду різних вимог: мати необхідний реакційний об'єм, забезпечувати певний гідродинамічний режим руху реагентів, створювати необхідну поверхню контакту взаємодіючих фаз, підтримувати необхідний теплообмін в процесі, режим аерації і т.д.
У промислових умовах найважливіше значення набуває не тільки швидкість біохімічного перетворення речовини, але і продуктивність апаратури, тому вибір типу та конструкції обладнання є одним з головних і отвествтвенних етапів реалізації хіміко-технологічного процесу.
По конструкції біохімічні реактори класифікуються наступним чином:
* реактори ємнісного типу (типу реакційної камери);
* Реактори типу колони;
* Реактори трубчастого типу;
* Реактори плівкового типу;
* Реактори мембранного типу;
* Реактори з псевдозрідженим шаром (рис. 8).
Конструктивний тип реактора залежить від умов проведення процесу і властивостей що у ньому речовин.
До найважливіших

Сторінки: 1 2 3 4

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар