Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора

 

Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, что в ближайшее время область их применения существенно расширится. В таких реакторах, называемых реакторами с неподвижным слоем катализатора, с помощью иммобилизованных ферментов осуществляют изомеризацию глюкозы, частичный селективный гидролиз пенициллина, селективное расщепление смеси производных рацемических аминокислот. В реакторах с неподвижным слоем изучались также процессы с участием иммобилизованных клеток.

В простейшем и часто довольно успешно применяющемся математическом описании работы реактора с неподвижным слоем катализатора в основу положена модель реактора полного вытеснения, модифицированная с целью учета влияния каталитической насадки на структуру течений и кинетику реакций. Поверхностную скорость потока через реактор определяют как объемную скорость потока исходных веществ, отнесенную к площади поперечного сечения пустот, которая представляет собой произведение общей площади поперечного сечения колонны на долю пустот ε. Соответствующее уравнение скорости реакции, пригодное для трубчатых реакторов, основано на учете коэффициентов эффективности, описанных в гл. 4. Например, для простой реакции S→P, протекающей с собственной скоростью v = v(s, p), скорость образования продукта в единице объема гранулы иммобилизованного катализатора в какой-либо определенной точке реактора равна:

(9.114)

Здесь s_s и p_s — концентрации субстрата и продукта соответственно на наружной поверхности частицы катализатора в данной точке объема реактора. Как указано в уравнении (9.114), в общем случае коэффициент эффективности η, определяющий скорость диффузии в частицу катализатора, и скорость реакции v зависят как от s_s, так и от p_s.

Прежде чем перейти к анализу сопротивления массопереносу между жидкой фазой и поверхностью гранулы катализатора, запишем уравнение материального баланса по субстрату в сферической частице катализатора радиусом R в стационарном состоянии:

Скорость диффузии субстрата из жидкой фазы =

=скорость трансформации субстрата внутри частицы

в результате реакции

или

(9.115)

С помощью этого уравнения и учитывая стехиометрию реакции величины s_s и p_s можно выразить через концентрацию субстрата s в жидкой фазе. Последующая подстановка полученных выражений в уравнение (9.114) дает выражение, позволяющее определить общую скорость утилизации субстрата, отнесенную к единице объема частиц катализатора, если известна концентрация субстрата в жидкой фазе.

При выводе уравнения материального баланса по субстрату в элементарном объеме реактора полного вытеснения с неподвижным слоем катализатора нельзя забывать о том, что жидкая фаза и катализатор занимают ε-ю и (1—ε)-ю доли этого объема соответственно. Применяющийся в этом уравнении параметрконцентрации s отнесен к единице объема жидкой фазы, поэтому уравнение материального баланса по субстрату принимает вид:

(9.116)

Здесь, как мы отмечали выше, параметры правой части уравнения можно выразить через s, что позволит проинтегрировать уравнение (9.116) по заданным концентрациям субстрата и продукта.

Ситуация существенно упростится, если сопротивление мас-сопереносу внутри частицы и вне ее пренебрежимо мало, поскольку в таких условиях η→1 и s_s→s соответственно. В такой ситуации основные уравнения материального баланса можно интегрировать аналитически и прийти к приведенным ранее в табл. 9.2 уравнениям, описывающим процессы в реакторах полного вытеснения.

Как мы уже упоминали выше в ходе обсуждения дисперсионной модели проточных реакторов, течение вокруг частиц, составляющих слой насадки, и особенности смешения жидкой фазы в пустотах между частицами создают обратное (осевое) смешение, которое может вызвать отклонения от режима полного вытеснения. В таких случаях можно применять дисперсионную модель (коэффициент дисперсии можно определить так, как мы указывали выше) или модель на основе каскада реакторов. Влияние небольшой дисперсии на работу реактора в сравнении с режимом идеального вытеснения мы уже обсуждали при изучении стерилизаторов. Другие подходы к математическому моделированию реакторов с неподвижным слоем катализатора с различными степенями обратного смешения и с разными типами взаимодействий между неподвижной и подвижной фазами можно найти в приведенной в конце главы литературе.