Реферати » Реферати з біології » Біохімічні реактори

Біохімічні реактори

з факторів, що визначає пристрій реактора, відносяться: агрегатний состояніяніе вихідних речовин і продуктів реакції, а так само їх біохімічні та мікробіологіеческіе властивості; температрура і тиск, при яких протікає процес; тепловий ефект процесу та швидкість теплообміну; інтенсивність перенесення маси (массообмен), перемішування реагентів; безперервність або періодичність процесу; зручність монтажу і ремонту апаратури, простота його виготовлення; доступність конструкційного матеріалу і т.д.
З усіх перерахованих вище факторів агрегатний стан речовини надає найбільший вплив на принцип організації руху взаємодіючих фаз і визначає конструктивний тип реакційного пристрою. Крім того, від цього чинника залежить вибір деяких основних і допоміжних деталей апарату, таких як, наприклад, щоперемішує пристрій, поверхню теплообміну та ін
З точки зору визначення технологічних можливостей біохімічних реакторів доцільно систематизувати з урахуванням основних гідродинамічних і масообмінних показників. Ці показники будуть значною мірою залежати від кількості і способу підведення енергії на перемішування і аерацію в реакторах. Відповідно до цього всі біохімічні реактори (ферментери) можуть бути віднесені до трьох груп.
Реактори з підведенням енергії через газову фазу (рис. 9). Ця група апаратів відрізняється простотою конструкції і надійністю експлуатації, оскільки відсутні рушійні деталі і вузли. До таких апаратів відносяться, наприклад, барботажні ерліфтерние ферментери.
Реактори з підведенням енергії через рідку фазу (рис. 10). Характерним конструктивним ознакою таких апаратів є наявність самовисасивающего елемента, або насоса. До цієї групи апаратів можна віднести, наприклад, ферментери з самовисасивающімі пристроями, що, з ежекционной системою перемішування і аерації, із зовнішнім циркуляційних контуром.
Реактори з комбінованим підведенням енергі (рис. 11). Основний конструктивних елемент таких апаратів - щоперемішує пристрій, що забезпечує високоефективне диспергирование і гомогенізацію. До цієї групи відносяться високоінтенсивні апарати з механічним перемішуванням і одночасно барботажем стисненим повітрям.
Біохімічний реактор має ряд пристроїв і навіть цілих вузлів, за допомогою яких до нього приєднуються основне і допоміжне обладнання, а так само арматура і контрольно-вимірювальні прилади.


2. Будова і принципи роботи біохімічних реакторів
2.1. Реактори з нерухомим шаром биокатализатора

Колони з насадкою иммобилизованного каталізатора в даний час використовуються в кількох промислових процесах, і є всі підстави вважати, що найближчим часом область їх застосування істотно розшириться. У таких реакторах, званих реакторами з нерухомим шаром каталізатора, за допомогою іммобілізованих ферментів здійснюють изомеризацию глюкози, частковий селективний гідроліз пеніциліну, селективне розщеплення суміші похідних рацемічних амінокислот. У реакторах з нерухомим шаром вивчалися також процеси за участю іммобілізованих клітин.
У найпростішому і часто досить успішно застосовується математичному описі роботи реактора з нерухомим шаром каталізатора в основу покладено модель реактора повного витіснення, модифікована з метою врахування впливу каталітичної насадки на структуру течій і кінетику реакцій. Поверхневу швидкість потоку через реактив визначають як об'ємну швидкість потоку вихідних речовин, віднесеного до площі поперечного перерізу порожнеч, яке являє собою добуток загальної площі поперечного перерізу колони на частку порожнеч?.
Для простої реакції S? T, що протікає з власною швидкістю v = v (s, p), швидкість утворення продукту в одиниці об'єму гранули иммобилизованного каталізатора в якій-небудь певній точці реактора дорівнює:

vобщ =? (ss, ps) v (ss, ps) (1)

Тут ss і ps - концентрації субстрату і продукту відповідно на зовнішній поверхні частинки каталізатора в даній точці обсягу реактора. Як зазначено в рівнянні (1), в загальному випадку коефіцієнт ефективності?, Що визначає швидкість дифузії в частку каталізатора, і швидкість реакції v залежать як від ss, так і від ps.
Математичний балланс по сустрату в сферичний частці каталізатора радіусом R в стаціонарному стані буде виражатися рівнянням:

4? R2ks (s-ss) = 4/3? R3? (ss, ps) v (ss, ps) (2)

або: Швидкість дифузії субстрату з рідкої фази = швидкості трансформації субстрату всередині частки в результаті реакції.
Перетворення і підстановка величин рівнянь (1) і (2) дає вираз, що дозволяє визначити загальну швидкість утилізації субстрату, віднесену до одиниці об'єму частинок каталізатора, якщо відома концентрація субстрату в рідкій фазі.
Перебіг навколо частки, складових шар насадки, і особливо змішання рідкої фази в порожнинах між частинками створюють зворотне зміщення, яке може викликати відхилення від режиму повного витіснення. У таких випадках можна застосовувати дисперсійну модель або модель на основі каскаду реакторів. Вплив невеликої дисперсії на роботу реактора в порівнянні з режимом ідеального витіснення ми вже обговорювали при вивченні стерилізаторів.

2.2. Біореактори типу барботажних колон

Біореактори типу барботажних колон - реактори з великим відношенням висоти до діаметра, перемішування в них здійснюється за рахунок висхідного потоку газу, що подається в реактор під тиском. У деяких випадках застосовують тільки одну колону, яку іноді постачають внутрішніми тарілками або навіть пристроями, що на окремих або всіх щаблях.
Колонні реактори можуть функціонувати як в періодичному, так і в безперервному режимах. В останньому випадку можливі два варіанти, в першому з яких напрямок потоків рідкої фази і газу паралельні (тобто збігаються), а в другому варіанті використовується принцип протитоку. У ерліфтних реакторах за допомогою зовнішнього пристрою здійснюється циркуляція рідкої фази. Рециркуляційні пристрої забезпечують високоефективний теплообмін, необхідний у великомасштабних мікробіологічних процесах з участю парафінових або метанольних субстратів. Рециркуляционное пристрій, крім того, сприяє формуванню стійкої структури течій і певних характеристик перемішування в реакторі.
При достатньої щільності культури швидко зростаючих аеробних організмів загальна швидкість клітинного росту звичайно лімітується швидкістю переносу кисню з газових бульбашок в рідку фазу. Аналіз переносу кисню, лімітує швидкість всього процесу, вимагає відомостей про параметри перемішування газової і рідкої фаз у вежі. Рідка і газова фази в барботажной колоні повністю пермешіваются, якщо швидкість газового потоку набагато вища швидкості течії рідкої фази і якщо висота вежі близька до її діаметра. У випадку більш звичайних високих колон необхідну швидкість перенесення кисню можна визначити за рівнянням (2) при L = z.
У інтегральної формі рівняння (2) справедливо при практично постійною величиною питомої площі межфазовой поверхні а по всій висоті колони. Ця вимога виконується тільки при збереженні бульбашкової структури газового потоку. Експерименти з системою повітря-вода показали, що якщо об'ємна частка газу? перевищує критичну величину? max, рівну приблизно 0,3, то піднімаються через шар рідини газові бульбашки коалесціруют аж до утворення повітряних пробок. У будь-якій точці вежі
FG = uG?? T2 / 4 (3)

Тут FG і uG - об'ємна і лінійна швидкості потоку газу відповідно. Досить обгрунтовано можна прийняти, що uG = ut питомої газового бульбашки в неперемешіваемий рідини і що FG приблизно дорівнює швидкості надходить в реактор газу FGf. Подальше допущення грунтується на тому факті, що поглинається з бульбашок кисень щонайменше частково заміщується на вуглекислий газ.
Досить малий розмір бульбашок по всій висоті колони забезпечують сітчатие тарілки і / або перемішують або інші внутрішні пристрої, що руйнують всі повітряні пробки і таким чином сприяють збереженню високої величини площі контакту між газовою і рідкою фазами.
На малюнку 12 представлена ??схема, покладена в основу математичної моделі баштового реактора з рециркуляційних пристроєм і з паралельними потоками газової і рідкої фаз (біореактор ерліфтного типу). У власне вежі реактора (на малюнку зображеної праворуч) в одному напрямку рухаються потоки рідкої і газової фаз. У верхній частині вежі газ відокремлюється, а рідка фаза через рециркуляционное пристрій (зображене зліва) повертається в ніжнуюю частина реактора, де розташоване барботируют пристрій.

2.3. Біореактори з псевдозрідженим шаром каталізатора

Процеси в псеводоожіженном шарі каталізатора звичайно здійснюють в реакторах колонного типу, розглянутих в попередньому розділі, тому якщо такі процеси включають подачу або відвід газу, то розрахунок газових потоків і масопереносу повинен виконуватися так , як було тільки що описано. У той же час в реакторах з псевдозрідженим шаром каталізатора з'являється ще одна фаза.
У баштовому реактрое з псевдозрідженим шаром каталізатора потік рідини спрямований знизу вгору по високому вертикальному циліндру. Частинки нерозчинного біокаталізатора (скупчення мікроорганізмів, частки іммобілізованих ферментів або клітин) суспендуючі, захоплюємося висхідним потоком рідини. Залучені в цей потік частки каталізатора у верхній розширюється

Сторінки: 1 2 3 4

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар