рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора

Работа сделанна в 2001 году

Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора - Реферат, раздел Биология, - 2001 год - Биохимические реакторы Биореакторы С Псевдоожиженным Слоем Катализатора. Процессы В Псеводоожиженном...

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 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.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Биохимические реакторы

Для осуществления этих биохимических процессов биохимический реактор снабжается типовыми конструктивными элементами, широко применяемыми в аппаратах… Количество таких конструктивных сочетаний, а значит, и типов реакторов может… Критериями, по которым можно классифицировать реакционные аппараты, являются периодичность, или непрерывность…

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Классификация биохимических реакторов
Классификация биохимических реакторов. По принципу организации процесса биохимические реакторы подразделяются на три группы. В реакторе периодического действия рис. 1 все отдельные стадии пр

Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора
Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора. Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, чт

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги