Головна
Реферати » Реферати з біології » Біохімічні реактори

Біохімічні реактори

частини реактора припиняють підйом і потім знову повертаються в башту. Якщо ретельно підібрати режим роботи реактора з урахуванням характеристик організму, то биокатализатор вдається утримувати в реакторі, незважаючи на те, що через реактор непереривно протікає середу.
Наприклад, в баштових ферментерах, що використовуються у безперервних процесах пивоваріння, створюється певний градієнт концентрації дріжджових клітин по висоті вежі, причому бвлізі від дна реактора концентрація мікроорганізмів може досягати 35%, а у верхній частині башти цей парамент знижується до 5-10%. Більш того, в залежності від висоти в реакторі поступово змінюються і характеристики середовища. Так, поблизу зони надходження вихідних поживних вещство перетворенням піддаються насамперед легко ферментіруемие цукру, що призводить до зниження щільності середовища. У середній і верхній зонах вежі скупчення дріжджових клітин трансформують мальтотріозу і частково мальтозу. Така картина, що характеризується швидкими реакціями в початковій стадії процесу і наступними повільнішими реакціями за участю менш "зручних" субстратів, узгоджується з експериментальними даними, предствлений на малюнку 13.
Рудиментарна модель реактора з псеводоожіженним шаром каталізатора може бути розроблена, якщо допустити, по-перше, що частки біологічного каталізатора (пластівці скупчень мікроорганізмів або частки иммобилизованного ферменту) однорідні за формою і розмірами; по-друге, що щільність рідкої фази є функцією концентрації субстрату; по-третє, що рух рідкої фази в реакторі здійснюється в режимі повного витіснення; по-четверте, що реакція утилізації субстрату має перший порядок по біомасі, але нульовий порядок по субстрату; по-п'яте, що числа Рейнольдса частинок каталізатора, розраховані за їх кінцевої швидкості, досить малі, так що рух частинки може бути описано законом Стокса. Четверте і п'яте допущення досить обосновнни в багатьох ситуаціях; перше, друге і третє в ряді випадків так само можуть бути виправдані.
При зазначених припущеннях швидкість утилізації субстрату можна описати рівнянням типу:
d (su) / dz = - kx,

або

u ds / dz + s du / dz = - kx (4)

Якщо рух частинок (клітин) описується законом Стокса, то залежність концентрації суспендованих біомаси від швидкості потоку рідини в псевдозрідженому шарі повинна підпорядковуватися рівнянню:

x =? 0 [1 - (u / ut)] 1/4.65 (5)

Тут? 0 - щільність культури мікроорганізмів (маса сухого клітинного речовини в одиниці об'єму), а ut - кінцева швидкість сфери в стоксовом потоці.
Будь-яке імененем щільності рідкої фази мало позначається на величині u. Якщо і не залежить від положення в реакторі, то рівняння (4) можна проінтегрувати безпосередньо і таким шляхом отримати

sc = sf - k? 0 [1 - (u / uf) 1/4.65] * L / u (6)

Тут L - висота вежі; при виведенні цього рівняння приймалося, що х определяесят рівнянням (5). Відбивана рівнянням (6) лінійна залежність концентрації субстарата від середнього часу реакції L / u (якщо допустити, що? Так само лінійно залежить від s) дійсно спостерігається щонайменше на деяких ділянках відповідної кривої (рис. 13).
Основним недоліком цієї моделі є знеособлення субстратів. Дійсно, в обговорюваній моделі різні цукру, що утилізуються в ході анаеробного спиртового бродіння, згруповані в якийсь гіпотетичний єдиний і середній субстрат. При такому підході виключається можливість обліку ефекту глюкози, що грає дуже важливу роль у процесах пивоваріння в баштових ферментерах безперервної дії.
Що стосується потоку рідкої фази через псеводоожіженний шар, то зазвичай бажано підтримувати режим повного витіснення. Нестабільна структура течій в шарі в ряді випадків може викликати істотний зворотний змішання, що порушує хід процесу і нормальну роботу реактора. Вірогідність зворотного змішання зростає при зменшенні діаметра колони і зниженні швидкості потоку рідкої фази. У той же час в біореакторах з псевдозрідженим шаром каталізатора в силу малих розмірів його часток і невеликого відмінності між плотностями рідкої фази і каталізатора доводиться обмежуватися відносно невисокими лінійними швидкостями потоку рідини. Крім того, при зниженні швидкості потоку рідкої фази підвищується концентрація каталізатора в реакторі. Показано, що введення в біореактор з псевдозрідженим шаром каталізатора статичних елементів перемішування може значно поліпшити характеристики розширення шару і знизити небажане зворотне змішання.
Оскільки реактори з нерухомим шаром каталізатора в загальному випадку ближче до реакторів повного витіснення, може виникнути питання про доцільність і переваги біореакторів з псевдозрідженим шаром каталізатора. Насамперед переваги таких реакторів дуже яскраво проявляються при необхідності контакту реакційної суміші з газами. У реакторах з нерухомим шаром каталізатора досить важко домогтися ефективної аерації (особливо при великому обсязі реактора), а якщо в ході процесу утворюються газоподібні продукти, наприклад, вуглекислий газ, то нелегко і попередити надмірне накопичення газу у верхній частині реактора з нерухомим шаром. Реактор з псевдозрідженим шаром каталізатора забезпечує режими течій, більшою мірою сприяють міжфазній контакту в системі газ-рідина-тверде тіло. Хороший контакт між газовою і рідкою фазами, з одного боку, і біокаталізаторів, з іншого, забезпечують так само реактори із струменевим плином рідини.


2.4. Реактори з нерухомим шаром каталізатора і із струменевим плином рідини

Вміст реакторів з нерухомим шаром каталізатора і струменевим плином рідини являє собою трифазну систему, що складається з нерухомого шару нерозчинного каталізатора, а так само рухомий газової і рідкої фаз. Надходить в реактор газова і рідка фази містять по одному або кілька реагентів, тому швидкість біохімічної реакції заздрості залежить від характеристик контакту між рідиною, в яку переноситься обмежено розчинний реагент з газової фази, і поверхнею каталізатора. На роботу таких реакторів в істотному ступені впливає фізичний стан газорідинного потоку, що проходить через нерухомий шар каталізатора, і пов'язані з цим процеси масопереносу.
До числа важливих характеристик таких реакторів і які у них систем відносяться площа поверхні каталізатора, ефективність змочування каталізатора рухомий рідкої фазою, структура течій газорідинної суміші, масопереносу обмежено розчинних реагентів з газової в рідку фазу, масопереносу реагентів до поверхні каталізатора, а в разі пористого або проникного каталізатора - дифузія реагентів до каталітичним центрам, які знаходяться всередині частинок каталізатора.
Однією з перших областей застосування біореакторів з насадкою і струменевим плином рідини, що зберігає своє значення і в даний час, є обробка стічних вод за допомогою біологічних крапельних фільтрів. Обертове розподільчий пристрій розбризкує потік рідких відходів по кільцевому шару гравію, на якому знаходиться плівка мікроорганізмів. Рідина стікає через нерухомий шар в майже ламінарному режимі, а повітря піднімається через шар каталізатора завдяки природній конвекції за рахунок виділяється в мікробіологічному процесі теплоти. Аналогічний принцип лежить в основі традиційного способоа виробництва винного оцту (біологічне окислення етанолу до оцтової кислоти), де застосовуються прямокутні колони з насадкою з деревної тріски. Для ламінарного течії рідкої фази і спрощеної геометрії шару, наприклад для плоского шару, можна створити детальну математичну модель, що описує характеристики потоків і процесів переносу, і вирішити відповідні рівняння.
У промисловості встечаются та інші конструкції реакторів із струменевим плином рідини і нерухомим шаром каталізатора, зокрема такі, в яких паралельні потоки газової і рідкої фаз рухаються зверху вниз або знизу вгору. При вивченні режиму роботи таких реакторів необхідно пам'ятати, що в залежності від відносних швидкостей газових і рідинних потоків (і в деякій мірі від інших властивостей газорідинної системи) можна отримати найрізноманітніші дисперсні системи, починаючи від безперервної рідкої фази з диспергованими в ній газовими бульбашками і закінчуючи безперервної газовою фазою з диспергованими краплями рідини (туманом) (рис. 14). На цьому малюнку виділена і зона нестабільності потоку, коли через реактор безперервно проходять газ і рідина у вигляді великих газових міхурів і рідких поршнів відповідно. Ділянки графіка, позначені як "пілотна установка" і "промислова установка", запозичені з досвідчених даних, отриманих при вивченні процесів перереботкі нафти. У деяких режимах роботи біореактора застосовуються низькі швидкості потоку повітря. Так, у процесах біологічної обробки відходів на крапельних фільтрах аерація здійснюється за рахунок природної конвекції, обумовленої невеликої зекзотермічностью відбуваються реакцій.
Конструкційно реактори з нерухомим шаром каталізатора і зі

Сторінки: 1 2 3 4