Биохимические реакторы

Министерство образования Российской Федерации Самарский Государственный Университет Реферат на тему БИОХИМИЧЕКИЕ РЕАКТОРЫ Выполнила студентка 4 курса, 542 а группы биологического факультета СамГУ Киреева Ирина Александровна Самара 2001 Введение 31. Классификация биохимических реакторов 42. Устройство и принципы работы биохимических реакторов 1. Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора 2. Биореакторы типа барботажных колонн 3. Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора 4. Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости 15Заключение 17Список литературы 18Введение Рассматривая многообразные реакторные устройства, применяемые в настоящее время в биохимических производствах, можно сделать вывод, что во всех реакторах происходят определенные физические процессы гидродинамические, тепловые, массообменные, с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно биохимического превращения вещества биохимической реакции.

Для осуществления этих биохимических процессов биохимический реактор снабжается типовыми конструктивными элементами, широко применяемыми в аппаратах для проведения собственно биохимических процессов мешалки, контактные устройства, теплообменники и т.д Поэтому все биохимические реакторы представляют собой комплексные аппараты, состоящие из известных конструктивных элементов, большинство которых используется для проведения технологических операций, не сопровождающихся биохимическим превращением перерабатываемых веществ.

Количество таких конструктивных сочетаний, а значит, и типов реакторов может быть достаточно большим, что объясняется многообразием и сложностью протекающих биохимических реакций. Однако, для всех биохимических реаторов, существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нем биохимического процесса.

Критериями, по которым можно классифицировать реакционные аппараты, являются периодичность, или непрерывность процесса, его стерильность, гидродинамический режим, тепловой эффект и требуемое количество кислорода для реакций биосинтеза, а так же физические свойства аргегатное, фазовое состояние взаимодействующих веществ.

Основные типы реакторов описаны ниже. 1.

Классификация биохимических реакторов

1 все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное вр... рис. В промышленных условиях важнейшее значение приобретает не только скоро... 8. 11.

Устройство и принципы работы биохимических реакторов

Устройство и принципы работы биохимических реакторов 2.1.

Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора

Биореакторы типа барботажных колонн Биореакторы типа барботажных колон... В некоторых случаях применяют только одну колонну, которую иногда снаб... Анализ переноса кислорода, лимитирующего скорость всего процесса, треб... В интегральной форме уравнение 2 справедливо при практически постоянно... Последующее допущение основывается на том факте, что поглощающийся из ...

Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора Процессы в псеводоожиженном слое катализатора обычно осуществляют в реакторах колонного типа, рассмотренных в предыдущем разделе, поэтому если такие процессы включают подачу или отвод газа, то расчет газовых потоков и массопереноса должен выполняться так, как было только что описано.

В то же время в реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора появляется еще одна фаза. В башенном реактрое с псевдоожиженным слоем катализатора поток жидкости направлен снизу вверх по высокому вертикальному цилиндру.

Частицы нерастворимого биокатализатора скопления микроорганизмов, частицы иммобилизованных ферментов или клеток суспендируются, увлекаемые восходящим потоком жидкости. Вовлеченные в этот поток частицы катализатора в верхней расширяющейся части реактора прекращают подъем и затем вновь возвращаются в башню.

Если тщательно подобрать режим работы реактора с учетом характеристик организма, то биокатализатор удается удерживать в реакторе, несмотря на то, что через реактор неперерывно протекает среда. Например, в башенных ферментерах, использующихся в непрерывных процессах пивоварения, создается определенный градиент концентрации дрожжевых клеток по высоте башни, причем бвлизи от дна реактора концентрация микроорганизмов может достигать 35, а в верхней части башни этот парамент снижается до 5-10. Более того, в зависимости от высоты в реакторе постепенно изменяются и характеристики среды.

Так, вблизи зоны поступления исходных питательных вещств превращениям подвергаются прежде всего легко ферментируемые сахара, что приводит к снижению плотности среды. В средней и верхней зонах башни скопления дрожжевых клеток трансформируют мальтотриозу и отчасти мальтозу. Такая картина, характеризующаяся быстрыми реакциями в начальной стадии процесса и последующими более медленными реакциями с участием менее удобных субстратов, согласуется с экспериментальными данными, предствленными на рисунке 13. Рудиментарная модель реактора с псеводоожиженным слоем катализатора может быть разработана, если допустить, во-первых, что частицы биологического катализатора хлопья скоплений микроорганизмов или частицы иммобилизованного фермента однородны по форме и размерам во-вторых, что плотность жидкой фазы является функцией концентрации субстрата в-третьих, что движение жидкой фазы в реакторе осуществляется в режиме полного вытеснения в-четвертых, что реакция утилизации субстрата имеет первый порядок по биомассе, но нулевой порядок по субстрату в-пятых, что числа Рейнольдса частиц катализатора, рассчитанные по их конечной скорости, достаточно малы, так что движение частицы может быть описано законом Стокса.

Четвертое и пятое допущение достаточно обосновнны во многих ситуациях первое, второе и третье в ряде случаев так же могут быть оправданы.

При указанных допущениях скорость утилизации субстрата можно описать уравнением типа dsudz kx, или u dsdz s dudz kx 4 Если движение частиц клеток описывается законом Стокса, то зависимость концентрации суспендированной биомассы от скорости потока жидкости в псевдоожиженном слое должна подчиняться уравнению x 0 1 uut14.65 5 Здесь 0 плотность культуры микроорганизмов масса сухого клеточного вещества в единице объема, а ut конечная скорость сферы в стоксовом потоке.

Любое именением плотности жидкой фазы мало сказывается на величине u. Если и не зависит от положения в реакторе, то уравнение 4 можно проинтегрировать непосредственно и таким путем получить sc sf k0 1 uuf14.65Lu 6 Здесь L высота башни при выводе этого уравнения принималось, что х определяесят уравнением 5. Отражаемая уравнением 6 линейная зависимость концентрации субстарата от среднего времени реакции Lu если допустить, что так же линейно зависит от s действительно наблюдается по меньшей мере на некоторых участках соответствующей кривой рис. 13. Основным недостатком этой модели является обезличивание субстратов.

Действительно, в обсуждаемой модели различные сахара, утилизируемые в ходе анаэробного спиртового брожения, сгруппированы в некий гипотетический единый и средний субстрат.

При таком подходе исключается возможность учета эффекта глюкозы, играющего очень важную роль в процессах пивоварения в башенных ферментерах непрерывного действия. Что касается потока жидкой фазы через псеводоожиженный слой, то обычно желательно поддерживать режим полного вытеснения.

Нестабильная структура течений в слое в ряде случаев может вызывать существенное обратное смешение, нарушающее ход процесса и нормальную работу реактора. Вероятность обратного смешения возрастает при уменьшении диаметра колонны и снижении скорости потока жидкой фазы. В то же время в биореакторах с псевдоожиженным слоем катализатора в силу малых размеров его частиц и небольшого различия между плотностями жидкой фазы и катализатора приходится ограничиваться относительно невысокими линейными скоростями потока жидкости. Кроме того, при понижении скорости потока жидкой фазы повышается концентрация катализатора в реакторе.

Показано, что

Введение

Введение в биореактор с псевдоожиженным слоем катализатора статических элементов перемешивания может значительно улучшить характеристики расширения слоя и снизить нежелательное обратное смешение. Поскольку реакторы с неподвижным слоем катализатора в общем случае ближе к реакторам полного вытеснения, может возникнуть вопрос о целесообразности и преимуществах биореакторов с псевдоожиженным слоем катализатора. Прежде всего преимущества таких реакторов очень ярко проявляются при необходимости контакта реакционной смеси с газами.

В реакторах с неподвижным слоем катализатора довольно трудно добиться эффективной аэрации особенно при большом объеме реактора, а если в ходе процесса образуются газообразные продукты, например, углекислый газ, то нелегко и предупредить избыточное накопление газа в верхней части реактора с неподвижным слоем.

Реактор с псевдоожиженным слоем катализатора обеспечивает режимы течений, в большей степени способствующие межфазному контакту в системе газ жидкость твердое тело. Хороший контакт между газовой и жидкой фазами, с одной стороны, и биокатализаторо, с другой, обеспечивают так же реакторы со струйным течением жидкости. 2.4. Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости Содержимое реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости представляет собой трехфазную систему, состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора, а так же подвижной газовой и жидкой фаз. Поступающая в реактор газовая и жидкая фазы содержат по одному или несколько реагентов, поэтому скорость биохимической реакции зависти зависит от характеристик контакта между жидкостью, в которую переносится ограниченно растворимый реагент из газовой фазы, и поверхностью катализатора.

На работу таких реакторов в существенной степени влияет физическое состояние газожидкостного потока, проходящего через неподвижный слой катализатора, и связанные с этим процессы массопереноса.

К числу важных характеристик таких реакторов и содержащихся в них систем относятся площадь поверхности катализатора, эффективность смачивания катализатора подвижной жидкой фазой, структура течений газожидкостной смеси, массопереноса ограниченно растворимых реагентов из газовой в жидкую фазу, массопереноса реагентов к поверхности катализатора, а в случае пористого или проницаемого катализатора диффузия реагентов к каталитическим центрам, находящимся внутри частиц катализатора.

Одной из первых областей применения биореакторов с насадкой и струйным течением жидкости, сохраняющей свое значение и в настоящее время, является обработка сточных вод с помощью биологических капельных фильтров. Вращающееся распределительное устройство разбрызгивает поток жидких отходов по кольцевому слою гравия, на котором находится пленка микроорганизмов. Жидкость стекает через неподвижный слой в почти ламинарном режиме, а воздух поднимается через слой катализатора благодаря естественной конвекции за счет выделяющейся в микробиологическом процессе теплоты.

Аналогичный принцип лежит в основе традиционного способоа производства винного уксуса биологическое окисление этанола до уксусной кислоты, где применяются прямоугольные колонны с насадкой из древесной щепы. Для ламинарного течения жидкой фазы и упрощенной геометрии слоя, например для плоского слоя, можно создать детальную математическую модель, описывающую характеристики потоков и процессов переноса, и решить соответствующие уравнения.

В промышленности встечаются и другие конструкции реакторов со струйным течением жидкости и неподвижным слоем катализатора, в частности такие, в которых параллельные потоки газовой и жидкой фаз движутся сверху вниз или снизу вверх. При изучении режима работы таких реакторов необходимо помнить, что в зависимости от относительных скоростей газовых и жидкостных потоков и в некоторой степени от других свойств газожидкостной системы можно получить самые разные дисперсные системы, начиная от непрерывной жидкой фазы с диспергированными в ней газовыми пузырьками и заканчивая непрерывной газовой фазой с диспергированными каплями жидкости туманом рис. 14. На этом рисунке выделена и зона нестабильности потока, когда через реактор непрерывно проходят газ и жидкость в виде крупных газовых пузырей и жидких поршней соответственно. Участки графика, обозначенные как пилотная установка и промышленная установка, заимствованы из опытных данных, полученных при изучении процессов перереботки нефти.

В некоторых режимах работы биореактора применяются низкие скорости потока воздуха.

Так, в процессах биологической обработки отходов на капельных фильтрах аэрация осуществляется за счет естественной конвекции, обусловленной небольшой экзотермичностью происходящих реакций. Конструкционно реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости напоминают реакторы, рассматривавшиеся ранее.

При математическом моделировании систему обычно условно рассматривают, как твердую фазу, находящуюся в контакте с жидкой пленкой, которая в свою очередь контактирует с газовой фазой. В сущности такой подход к моделированию является расширенным вариантом уже упоминавшейся двухфазной модели барботажной колонны. Затем рассматриваются процессы переноса между фазами и в каждой из фаз, а так же ограничения, налагаемые на скорость реакций диффузионными эффектами.

Заключение

Заключение При выборе конкретной конструкции реактора приходится учитывать самые различные характеристики проектируемого процесса и эксплуатационные параметры. В таблице 2 суммированы преимущества и недостатки трех типов реакторов, применяемых для осуществления процессов в трехфазных системах реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости реакторов с перемешиваемой суспензией реакторов с перемешиваемой суспензией и с барботажем с псевдоожиженным слоем катализатора. положительные характеристики, отрицательные характеристики.

Таблица 2 ХарактеристикиРеакторс неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкостис перемешиваемой суспензиейс псевдоожи-женным слоем катализатораРазделение реактора на ступени Перепад давлений Максимальная скорость потока Отвод теплотыЗамена катализатора Истирание катализатора Утилизация катализатора Простота конструкции Масштабирование

Список литературы

Список литературы 1. 2. Бейли Дж Оллис Д. Основы биохимической инженерии.

Ч. 2. М. 1989. 3. Смирнов И. И. Биохимические реакторы. Л. 1987.