Классификация биохимических реакторов. По принципу организации процесса биохимические реакторы подразделяются на три группы.
В реакторе периодического действия рис. 1 все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время. Характер изменения конценраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен по времени для одной и той же точки объема. В таком аппарате продолжительностль реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы.
Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени. Реакторы периодического действия мало производительны и плохо поддаются автоматическому контролю и регулированию. В реактроре непрерывного действия рис. 2 все отдельные стадии процесса биохимического превращения вещества подача реагирующих веществ, биохимические реакции, вывод конечного продукта осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.
В таких аппратах технологические параметры процесса постоянны во времени. Однако, продолжительность реакции в реакторах непрерывного действия нельзя измерить непосредственно. В аппаратах непрерывного действия время реакции не может совпадать с временем пребывания реагентов, так как каждая элементарная частица вещества находится в реакционном объеме разное время, и, следовательно, общее время пребывания зависит от характера распределения времени пребывания отдельных частиц.
В общем случае время реакции зависит от интенсивности перемешивания, структуры потоков в аппарате, и для каждого гидродинамического типа реактора оно индивидуально. Непрерывно действующие реакторы высокопроизводительны, легко поддаются механизации при обслуживании и автоматическому контролю и регулированию при управлении, в том числе с применением быстодействующих электронно-вычислительных машин.
Реактор полунепрерывного полупериодического действия рис. 3 работает в неустановленных условиях, так как один из реагентов поступает непрерывно, а другой периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты реакции выгружаются непрерывно. Такой реактор можно рассматривать как непрерывнодействующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещест не равны, и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.
Реакторы полупериодического действия используются тогда, когда изменения скорости подачи реагентов позволяет регулировать скорость процесса. В таблице 1 сопоставлены факторы определяющие периодичность и непрерывность процесса в реакторе. Таблица 1 ФакторыТип процессапериодическийНепрерывныйПериод процесса - время между проведением отдельных стадий процесса например, между двумя смежными выгрузками продукта. 0Степень непрерывности процесса где - время, необходимое для проведения всех стадий процесса. 0ПоследовательноПараллельноМесто проведения отдельных стадий процесса. В одном аппаратеВ нескольких аппаратах или в разных частях одного аппаратаХарактер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объемеОдинаков во всех точках объема реактора, но различен во времени для одной и той же точки объемаРазличен в каждый момент времени По гидродинамическому режиму структуре потоков ректоры делятся на три группы.
Реакторы идеального полного перемешивания аппараты, в которых потоки реагентов мгновенно и равномерно перемешиваются во всем реакционном объеме.
Это значит, что состав и температуру реакционной смеси в таком аппарате можно считать одинаковыми во всем его объеме. На рисунке 4а предствлена типичная зависимость изменения концентрации субстрата во времени в таком реакторе. К такому типу реакторов могут быть отнесены аппараты малого объема с механическим перемешиванием жидкости, частотой вращения мешалки не менее 4 с 1 и временем гомогенизации не более 8 минут. Реакторы идеального полного вытеснения аппараты, в которых движение реагентов носит поршеневой характер, то есть каждый предыдущий объем, проходящий через аппарат, не смешивается с последующим, так как вытесняется им. В таком аппарате существует определенное распределение скоростей потока по его сечению.
В результате состав, а так же температура реакционной смеси в цетре аппарата и у его стенок различны и температур на входе и выходе из аппарата.
К таким аппаратам относятся трубчатые реакторы при соотношении их высоты к диаметру, равным не менее 20 HD 20. Однако, в больших реакционных объемах, как правило, режим полного идеального вытеснения нарушается за счет эффекта обратного перемешивания. Типичная зависимость изменения концентрации во времени для такого аппарата представлена на рис 4б. Реакторы с промежуточным гидродинамическим режимом.
Этот тип аппаратов очень широко распространен на практике. Наиболее часто отклонение от идеального режима пермешивания в реакционном объеме наблюдается, например, в аппаратах большого объма при недостаточной частоте вращения мешалки, наличии теплообменных устройств внутри аппарата, большой скорости подачи реагентов в аппарат непрерывного действия и т.д. В этих случаях возникают застойные зоны объемы с малым перемешиванием или вообще без перемешивания, байпасные потоки в аппарате а так же проскок потока без смешения через аппарат. рис. 5 На рисунке 4в показана характерная зависимость изменения концентрации субстрата во времени в таком реакторе.
В аппаратах идеального вытеснения регулярный гидродинамический режим может быть нарушен в результате поперечного и особенно продольного пермешивания потока рис. 6, что приводит к частичному выравниванию концентраций и температур по сечению и длине реактора. Объясняется это тем, что продольное обратное пермешивание ускоряет перемещение одних элементов объема, а других замедляет, вследствие чего время пребывания их в реакторе становится различным.
Одним их технических приемов уменьшения эффекта продольного пермешивания является секционирование реакционного объема рис. 7, в результате чего пермешивание приобретает локальный характер и по длине аппарата сохраняется гидродинамический режим, близкий к режиму полного вытеснения. Типичная зависимость изменения концентрации субстрата во времени в многосекционном аппарате представлена на рисунке 4г. К аппаратам с промежуточным гидродинамическим режимом относятся большинство ферментеров колонного типа. Реактор, как аппарат, в котором протекает основной процесс биотехнологии образование нового продукта в результате сложного взаимодействия исходных веществ, должен работать эффективно, то есть обеспечивать требуемую глубину и избирательность биохимического превращения.
Следовательно, биохимический реактор должен удовлетворять ряду различных требований иметь необходимый реакционный объем, обеспечивать определенный гидродинамический режим движения реагентов, создавать требуемую поверхность контакта взаимодействующих фаз, поддерживать необходимый теплообмен в процессе, режим аэрации и т.д. В промышленных условиях важнейшее значение приобретает не только скорость биохимического превращения вещества, но и производительность аппаратуры, поэтому выбор типа и конструкции оборудования является одним из главных и отвествтвенных этапов реализации химико-технологического процесса. По конструкции биохимические реакторы классифицируются следующим образом ь реакторы емкостного типа типа реакционной камеры ь реакторы типа колонны ь реакторы трубчатого типа ь реакторы пленочного типа ь реакторы мембранного типа ь реакторы с псевдоожиженным слоем рис. 8. Конструктивный тип реактора зависит от условий проведения процесса и свойств участвующих в нем веществ.
К важнейшим из факторов, определяющий устройство реактора, относятся агрегатное состоянияние исходных веществ и продуктов реакции, а так же их биохимические и микробиологиеческие свойства температрура и давление, при которых протекает процесс тепловой эффект процесса и скорость теплообмена интенсивность переноса массы массообмен, перемешивания реагентов непрерывность или периодичность процесса удобство монтажа и ремонта аппаратуры, простота его изготовления доступность конструкционного материала и т.д. Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказывает наибольшее влияние на принцип организации движения взаимодействующих фаз и определяет конструктивный тип реакционного устройства.
Кроме того, от этого фактора зависит выбор некоторых основных и вспомогательных деталей аппарата, таких как, например, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и др. С точки зрения определения технологических возможностей биохимических реакторов целесообразно систематизировать с учетом основных гидродинамических и массообменных показателей. Эти показатели будут в значительной мере зависеть от количества и способа подвода энергии на перемешивание и аэрацию в реакторах.
В соответствии с этим все биохимические реакторы ферментеры могут быть отнесены к трем группам.
Реакторы с подводом энергии через газовую фазу рис. 9. Эта группа аппаратов отличается простотой конструкции и надежностью эксплуатации, так как отсутствуют движущие детали и узлы. К таким аппаратам относятся, например, барботажные эрлифтерные ферментеры. Реакторы с подводом энергии через жидкую фазу рис. 10. Характерным конструктивным признаком таких аппаратов является наличие самовысасывающего элемента, или насоса.
К этой группе аппаратов можно отнести, например, ферментеры с самовысасывающими перемешивающими устройствами, с эжекционной системой перемешивания и аэрации, с внешним циркуляционных контуром.
Реакторы с комбинированным подводом энерги рис. 11. Основной конструктивных элемент таких аппаратов перемешивающее устройство, обеспечивающее высокоэффективное диспергирование и гомогенизацию.
К этой группе относятся высокоинтенсивные аппараты с механическим перемешиванием и одновременно барботажем сжатым воздухом. Биохимический реактор имеет ряд устройств и даже целых узлов, с помощью которых к нему присоединяются основное и вспомогательное оборудование, а так же арматура и контрольно-измерительные приборы. 2.