Розглядаючи різноманітні реакторні пристрої, що застосовуються в даний час в біохімічних виробництвах, можна зробити висновок, що у всіх реакторах відбуваються певні фізичні процеси (гідродинамічні, теплові, масообмінних), за допомогою яких створюються оптимальні умови для проведення власне біохімічного перетворення речовини (біохімічної реакції). Для здійснення цих біохімічних процесів біохімічний реактор забезпечується типовими конструктивними елементами, широко застосовуються в апаратах для проведення власне біохімічних процесів (мішалки, контактні пристрої, теплообмінники і т.д.). Тому всі біохімічні реактори представляють собою комплексні апарати, що складаються з відомих конструктивних елементів, більшість яких використовується для проведення технологічних операцій, що не супроводжуються біохімічним перетворенням переробляються речовин. Кількість таких конструктивних поєднань, а значить, і типів реакторів може бути достатньо великим, що пояснюється різноманіттям і складністю протікають біохімічних реакцій. Однак, для всіх біохімічних реактори, існують загальні принципи, на основі яких можна знайти зв'язок між конструкцією апарату і основними закономірностями що протікає в ньому біохімічного процесу.
Ритер, за якими можна класифікувати реакційні апарати, є періодичність, або безперервність процесу, його стерильність, гідродинамічний режим, тепловий ефект і необхідну кількість кисню для реакцій біосинтезу, а також фізичні властивості (аргегатное, фазовий стан) взаємодіючих речовин. Основні типи реакторів описані нижче.
1. Класифікація біохімічних реакторів
За принципом організації процесу біохімічні реактори поділяються на три групи.
У реакторі періодичної дії (рис. 1) усі окремі стадії процесу протікають послідовно, у різний час. Характер зміни конценрацій реагуючих речовин однаковий у всіх точках реакційного об'єму, але різний за часом для однієї і тієї ж точки об'єму. У такому апараті продолжітельностль реакції можна виміряти безпосередньо, так як час реакції і час перебування реагентів у реакційному обсязі однакові. Параметри технологічного процесу в періодично діючому реакторі змінюються в часі. Реактори періодичної дії мало продуктивні і погано піддаються автоматичного контролю і регулювання.
У реактроре безперервної дії (мал. 2) всі окремі стадії процесу біохімічного перетворення речовини (подача реагуючих речовин, біохімічні реакції, виведення кінцевого продукту) здійснюються паралельно, одночасно. Характер зміни концентрацій реагуючих речовин в реакційному обсязі різний в кожний момент часу в різних точках об'єму апарата, але постійний в часі для однієї і тієї ж точки об'єму.
У таких аппратах технологічні параметри процесу постійні в часі. Однак, тривалість реакції в реакторах безперервної дії не можна виміряти безпосередньо.
В апаратах безперервної дії час реакції не може збігатися з часом перебування реагентів, так як кожна елементарна частинка речовини знаходиться в реакційному обсязі різний час, і, отже, загальний час перебування залежить від характеру розподілу часу перебування окремих частинок. У загальному випадку час реакції залежить від інтенсивності перемішування, структури потоків в апараті, і для кожного гідродинамічного типу реактора воно індивідуально.
Безперервно діючі реактори високопродуктивних, легко піддаються механізації при обслуговуванні та автоматичного контролю і регулювання при управлінні, у тому числі із застосуванням бистодействующіх електронно-обчислювальних машин.
Реактор полунепреривного (полуперіодіческого) дії (рис. 3) працює в невстановлених умовах, тому що один з реагентів надходить безперервно, а інший - періодично. Можливі варіанти, коли реагенти надходять в реактор періодично, а продукти реакції вивантажуються безперервно. Такий реактор можна розглядати як непреривнодействующій апарат, в якому потоки що входить і виходить з реактора вещест не рівні, і, крім того, як періодично діючий апарат, у якому введення одного з реагуючих речовин або виведення продукту реакції здійснюється періодично. Реактори полуперіодіческого дії використовуються тоді, коли зміни швидкості подачі реагентів дозволяє регулювати швидкість процесу.
У таблиці 1 зіставлені фактори визначають періодичність і безперервність процесу в реакторі.
Таблиця 1
Фактори
Тип процесу
періодичний
Безперервний
Період процесу?? - Час між проведенням окремих стадій процесу (наприклад, між двома суміжними вивантаження продукту).
?? > 0
?? ? 0
Ступінь безперервності процесу???? (де? - час, необхідний для проведення всіх стадій процесу).
?? > 1
???? ? 0
Послідовність окремих стадій процесу.
Послідовно
Паралельно
Місце проведення окремих стадій процесу.
В одному апараті
У кількох апаратах або в різних частинах одного апарата
Характер зміни концентрацій реагуючих речовин в реакційному обсязі
Однаковим у всіх точках об'єму реактора, але різний у часі для однієї і тієї ж точки обсягу
Розрізнений в кожний момент часу
За гідродинамічного режиму (структурі потоків) ректори діляться на три групи.
Реактори ідеального (повного) перемішування - апарати, в яких потоки реагентів миттєво і рівномірно перемішуються в усьому реакційному обсязі. Це означає, що склад і температуру реакційної суміші в такому апараті можна вважати однаковими у всьому його обсязі. На малюнку 4а предствлена типова залежність зміни концентрації субстрату в часі в такому реакторі.
До такого типу реакторів можуть бути віднесені апарати малого обсягу з механічним перемішуванням рідини, частотою обертання мішалки не менше 4 с-1 і часом гомогенізації не більше 8 хвилин.
Реактори ідеального (повного) витіснення - апарати, в яких рух реагентів носить поршеневой характер, тобто кожний попередній обсяг, що проходить через апарат, що не змішується з наступним, тому що витісняється ім. У такому апараті існує певний розподіл швидкостей потоку за його перетину. У результаті склад, а так само температура реакційної суміші в цетра апарату і у його стінок різні; і температур на вході і виході з апарату. До таких апаратів відносяться трубчасті реактори при співвідношенні їх висоти до діаметра, рівним не менше 20 (H/D? 20). Проте, у великих реакційних обсягах, як правило, режим повного (ідеального) витіснення порушується за рахунок ефекту зворотного перемішування. Типова залежність зміни концентрації в часі для такого апарату представлена на рис 4б.
Реактори з проміжним гідродинамічним режимом. Цей тип апаратів дуже широко поширений на практиці. Найчастіше відхилення від ідеального режиму пермешіванія в реакційному обсязі спостерігається, наприклад, в апаратах великого объма при недостатній частоті обертання мішалки, наявності теплообмінних пристроїв усередині апарату, великій швидкості подачі реагентів в апарат безперервної дії і т.д. У цих випадках виникають застійні зони (обсяги з малим перемішуванням або взагалі без перемішування), байпасні потоки в апараті а так само проскакування потоку без змішання через апарат. (мал. 5)
На малюнку 4в показана характерна залежність зміни концентрації субстрату в часі в такому реакторі.
В апаратах ідеального витіснення регулярний гідродинамічний режим може бути порушений в результаті поперечного і особливо поздовжнього пермешіванія потоку (мал. 6), що призводить до часткового вирівнювання концентрацій і температур по перерізу і довжині реактора. Пояснюється це тим, що подовжнє (зворотне) пермешіваніе прискорює переміщення одних елементів обсягу, а інших - уповільнює, внаслідок чого час перебування їх у реакторі стає різним.
Одним їх технічних прийомів зменшення ефекту поздовжнього пермешіванія є секціонування реакційного об'єму (мал. 7), в результаті чого пермешіваніе набуває локальний характер і по довжині апарату зберігається гідродинамічний режим, близький до режиму повного витіснення.
Типова залежність зміни концентрації субстрату в часі в багатосекційного апараті представлена на малюнку 4г.
До апаратів з проміжним гідродинамічним режимом відносяться більшість ферментера колонного типу.
Реактор, як апарат, в якому протікає основний процес біотехнології - утворення нового продукту в результаті складної взаємодії вихідних речовин, повинен працювати ефективно, тобто забезпечувати необхідну глибину і вибірковість біохімічного перетворення. Отже, біохімічний реактор повинен задовольняти ряду різних вимог: мати необхідний реакційний об'єм, забезпечувати певний гідродинамічний режим руху реагентів, створювати необхідну поверхню контакту взаємодіючих фаз, підтримувати необхідний теплообмін в процесі, режим аерації і т.д.
У промислових умовах найважливіше значення набуває не тільки швидкість біохімічного перетворення речовини, але й продуктивність апаратури, тому вибір типу та конструкції обладнання є одним із головних і отвествтвенних етапів реалізації хіміко-технологічного процесу.
За конструкцією біохімічні реактори класифікуються наступним чином:
* Реактори ємнісного типу (типу реакційної камери);
* Реактори типу колони;
* Реактори трубчастого типу;
* Реактори плівкового типу;
* Реактори мембранного типу;
* Реактори з псевдозрідженим шаром (рис. 8).
Конструктивний тип реактора залежить від умов проведення процесу і властивостей беруть участь у ньому речовин.
До найважливіших з факторів, що визначає пристрій реактора, відносяться: агрегатний состояніяніе вихідних речовин і продуктів реакції, а так само їх біохімічні та мікробіологіеческіе властивості; температрура і тиск, при яких протікає процес; тепловий ефект процесу та швидкість теплообміну; інтенсивність переносу маси (массообмен) , перемішування реагентів; безперервність або періодичність процесу; зручність монтажу та ремонту апаратури, простота його виготовлення; доступність конструкційного матеріалу і т.д.
З усіх перерахованих вище факторів агрегатний стан речовини впливає на принцип організації руху взаємодіючих фаз і визначає конструктивний тип реакційного пристрою. Крім того, від цього чинника залежить вибір деяких основних і допоміжних деталей апарату, таких як, наприклад, щоперемішує пристрій, поверхня теплообміну та ін
З точки зору визначення технологічних можливостей біохімічних реакторів доцільно систематизувати з урахуванням основних гідродинамічних і масообмінних показників. Ці показники будуть значною мірою залежати від кількості і способу підведення енергії на перемішування і аерацію в реакторах. Відповідно до цього всі біохімічні реактори (ферментера) можуть бути віднесені до трьох груп.
Реактори з підведенням енергії через газову фазу (рис. 9). Ця група апаратів відрізняється простотою конструкції і надійністю експлуатації, оскільки відсутні рушійні деталі та вузли. До таких апаратів відносяться, наприклад, барботажние ерліфтерние ферментера.
Реактори з підведенням енергії через рідку фазу (рис. 10). Характерним конструктивним ознакою таких апаратів є наявність самовисасивающего елементу, або насоса. До цієї групи апаратів можна віднести, наприклад, ферментера з самовисасивающімі пристроями, що перемішують, з ежекційні системою перемішування та аерації, із зовнішнім циркуляційних контуром.
Реактори з комбінованим підведенням енергі (рис. 11). Основний конструктивних елемент таких апаратів - щоперемішує пристрій, що забезпечує високоефективне диспергирование і гомогенізацію. До цієї групи відносяться високоінтенсивні апарати з механічним перемішуванням і одночасно барботажем стисненим повітрям.
Біохімічний реактор має ряд пристроїв і навіть цілих вузлів, за допомогою яких до нього приєднуються основне і допоміжне обладнання, а так само арматура і контрольно-вимірювальні прилади.
2. Будова і принципи роботи біохімічних реакторів
2.1. Реактори з нерухомим шаром біокаталізатора
Колони з насадкою іммобілізованих каталізатора в даний час використовуються в кількох промислових процесах, і є всі підстави вважати, що найближчим часом область їх застосування істотно розшириться. У таких реакторах, які називаються реакторами з нерухомим шаром каталізатора, за допомогою іммобілізованих ферментів здійснюють ізомеризації глюкози, частковий селективний гідроліз пеніциліну, селективне розщеплення суміші похідних рацемічну амінокислот. У реакторах з нерухомим шаром вивчалися також процеси за участю іммобілізованих клітин.
У простому і часто досить успішно застосовується математичному описі роботи реактора з нерухомим шаром каталізатора в основу покладена модель реактора повного витіснення, модифікована з метою врахування впливу каталітичної насадки на структуру течій і кінетику реакцій. Поверхневу швидкість потоку через реактив визначають як об'ємну швидкість потоку вихідних речовин, віднесених до площі поперечного перерізу порожнеч, яке являє собою твір загальної площі поперечного перерізу колони на частку порожнеч?.
Для простої реакції S? T, що протікає з власною швидкістю v = v (s, p), швидкість утворення продукту в одиниці об'єму гранули іммобілізованих каталізатора в якій-небудь певній точці реактора дорівнює:
vобщ =? (ss, ps) v (ss, ps) (1)
Тут ss і ps - концентрації субстрату і продукту відповідно на зовнішній поверхні частинки каталізатора в даній точці об'єму реактора. Як зазначено в рівнянні (1), в загальному випадку коефіцієнт ефективності?, Що визначає швидкість дифузії в частку каталізатора, і швидкість реакції v залежать як від ss, так і від ps.
Математичний баланс по сустрату в сферичний частці каталізатора радіусом R в стаціонарному стані буде виражатися рівнянням:
4? R2ks (s-ss) = 4/3? R3? (Ss, ps) v (ss, ps) (2)
або: Швидкість дифузії субстрату з рідкої фази = швидкості трансформації субстрату всередині частинки в результаті реакції.
Перетворення і підстановка величин рівнянь (1) і (2) дає вираз, що дозволяє визначити загальну швидкість утилізації субстрату, віднесену до одиниці об'єму частинок каталізатора, якщо відома концентрація субстрату в рідкій фазі.
Перебіг навколо частинки, що складають шар насадки, і особливо змішування рідкої фази в порожнинах між частинками створюють зворотне зміщення, що може викликати відхилення від режиму повного витіснення. У таких випадках можна застосовувати дисперсійні модель або модель на основі каскаду реакторів. Вплив невеликий дисперсії на роботу реактора в порівнянні з режимом ідеального витіснення ми вже обговорювали при вивченні стерилізаторів.
2.2. Біореактори типу барботажних колон
Біореактори типу барботажних колон - реактори з великим відношенням висоти до діаметра, перемішування в них здійснюється за рахунок висхідного потоку газу, що подається в реактор під тиском. У деяких випадках застосовують тільки одну колону, яку іноді забезпечують внутрішніми тарілками або навіть пристроями, що перемішують на окремих або всіх щаблях.
Колонні реактори можуть функціонувати як в періодичному, так і в безперервному режимах. В останньому випадку можливі два варіанти, у першому з яких напрямок потоків рідкої фази і газу паралельні (тобто співпадають), а в другому варіанті використовується принцип протитоку. У ерліфтних реакторах за допомогою зовнішнього пристрою здійснюється циркуляція рідкої фази. Рециркуляційні пристрої забезпечують високоефективний теплообмін, необхідний у великомасштабних мікробіологічних процесах з участю гасових або метанольних субстратів. Рециркуляційні пристрій, крім того, сприяє формуванню стійкої структури течій і певних характеристик перемішування в реактор??.
При достатній щільності культури швидко зростаючих аеробних організмів загальна швидкість клітинного росту звичайно лімітується швидкістю переносу кисню з газових бульбашок в рідку фазу. Аналіз переносу кисню, що лімітує швидкість всього процесу, вимагає відомостей про параметри перемішування газової і рідкої фаз в башті. Рідка і газова фази в барботажной колоні повністю пермешіваются, якщо швидкість газового потоку набагато вище швидкості течії рідкої фази і якщо висота вежі близька до її діаметра. У випадку більш звичайних високих колон необхідну швидкість переносу кисню можна визначити по рівнянню (2) при L = z.
У інтегральної формі рівняння (2) справедливо при практично постійною величиною питомої площі поверхні межфазовой а по всій висоті колони. Ця вимога виконується тільки при збереженні бульбашкової структури газового потоку. Експерименти з системою повітря-вода показали, що якщо об'ємна частка газу? перевищує критичну величину? max, що дорівнює приблизно 0,3, то піднімаються через шар рідини газові бульбашки коалесціруют аж до утворення повітряних пробок. У будь-якій точці вежі
FG = uG?? T2/4 (3)
Тут FG і uG - об'ємна та лінійна швидкості потоку газу відповідно. Досить обгрунтовано можна прийняти, що uG = ut питомої газового бульбашки в неперемешіваемой рідини і що FG приблизно дорівнює швидкості що надходить в реактор газу FGf. Подальше припущення грунтується на тому факті, що поглинається з бульбашок кисень щонайменше частково заміщується на вуглекислий газ.
Досить малий розмір бульбашок по всій висоті колони забезпечують сітчатие тарілки і/або щоперемішує або інші внутрішні пристрої, що руйнують всі повітряні пробки і таким чином сприяють збереженню високої величини площі контакту між газовою і рідкою фазами.
На малюнку 12 представлена схема, покладена в основу математичної моделі баштового реактора з рециркуляційних пристроєм і з паралельними потоками газової і рідкої фаз (біореактор ерліфтного типу). У власне вежі реактора (на малюнку зображеної праворуч) в одному напрямку рухаються потоки рідкої та газової фаз. У верхній частині вежі газ відділяється, а рідка фаза через рециркуляційно пристрій (зображене зліва) повертається в ніжнуюю частина реактора, де розташоване барботірующее пристрій.
2.3. Біореактори з псевдозрідженим шаром каталізатора
Процеси в псеводоожіженном шарі каталізатора звичайно здійснюють в реакторах колонного типу, розглянутих в попередньому розділі, тому якщо такі процеси включають подання або відведення газу, то розрахунок газових потоків і масопереносу повинен виконуватися так, як було тільки що описано. У той же час в реакторах з псевдозрідженим шаром каталізатора з'являється ще одна фаза.
У баштовому реактрое з псевдозрідженим шаром каталізатора потік рідини спрямований знизу вгору по високому вертикальному циліндрі. Частинки нерозчинного біокаталізатора (скупчення мікроорганізмів, частки іммобілізованих ферментів або клітин) суспендується, захоплюємося висхідним потоком рідини. Залучені в цей потік частинки каталізатора у верхній частині розширюється реактора припиняють підйом і потім знову повертаються до вежі. Якщо ретельно підібрати режим роботи реактора з урахуванням характеристик організму, то біокаталізатор вдається утримувати в реакторі, не дивлячись на те, що через реактор непереривно протікає середу.
Наприклад, у баштових ферментера, 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%. Більше того, залежно від висоти в реакторі поступово змінюються і характеристики середовища. Так, поблизу зони надходження вихідних поживних вещств перетворенням піддаються перш за все 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 на початковій стадії процесу і наступними більш повільними реакціями за участю менш "зручних" субстратів, узгоджується з експериментальними даними, представлення на малюнку 13.
Рудиментарний модель реактора з псеводоожіженним шаром каталізатора може бути розроблена, якщо припустити, по-перше, що частки біологічного каталізатора (пластівці скупчень мікроорганізмів або частки іммобілізованих 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, достатньо малі, так що рух частинки може бути описано законом Стокса. Четверте і п'яте допущення досить обосновнни в багатьох ситуаціях; перше, друге та третє у 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 часток (клітин) описується законом Стокса, то залежність концентрації суспендованих біомаси від швидкості потоку рідини в псевдозрідженим шарі має 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 імененіем 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 припустити, 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 обговорюваної моделі різні цукри, утилізованих під час 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 ферментера 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 суттєве зворотне змішання, що порушує хід процесу і нормальну роботу реактора. Ймовірність 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 розходження між густиною 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. Перш за все 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 міжфазної контакту в системі газ-рідина-тверде тіло. Хороший контакт між газовою і рідкою фазами, з одного боку, і біокаталізатора, з іншого, забезпечують так само реактори з струменевих плином рідини.
2.4. Реактори з нерухомим шаром каталізатора і з струменевих плином рідини
Вміст реакторів з нерухомим шаром каталізатора і струминних плином рідини являє собою трифазну систему, що складається з нерухомого шару нерозчинного каталізатора, а також 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 розчинна 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 що містяться в них систем відносяться площа поверхні каталізатора, ефективність змочування каталізатора рухомий рідкою 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 часток каталізатора.
Однією з перших областей застосування біореакторів з насадкою і струминних 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 у 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 спрощеною 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 з струменевих течією рідини і нерухомим шаром каталізатора, зокрема такі, в яких паралельні потоки газової і рідкої фаз рухаються зверху вниз чи знизу вгору. При вивченні режиму роботи таких реакторів необхідно пам'ятати, що в залежності від відносних швидкостей газових та рідинних потоків (і в деякій мірі від інших властивостей газорідинної системи) можна отримати найрізноманітніші дисперсні системи, починаючи від безперервної рідкої фази з дисперговані в ній газовими бульбашками і закінчуючи безперервної газовою фазою з дисперговані 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 бульбашок і рідких поршнів відповідно. Ділянки графіка, позначені як "пілотна установка" та "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 невеликий екзотермічностью відбуваються реакцій.
Конструкційно реактори з нерухомим шаром каталізатора і з струменевих плином рідини нагадують реактори, які розглядалися раніше. При математичному моделюванні систему звичайно умовно розглядають, як тверду фазу, що знаходиться в контакті з рідкою плівкою, яка в свою чергу контактує з газовою фазою. По суті такий підхід до моделювання є розширеним варіантом вже згадуваної двофазної моделі барботажной колони. Потім розглядаються процеси переносу між фазами і в кожній з фаз, а так само обмеження, що накладаються на швидкість реакцій дифузійними ефектами.
Висновок
При виборі конкретної конструкції реактора доводиться враховувати самі різні характеристики проектованого процесу та експлуатаційні параметри. У таблиці 2 підсумовані переваги і недоліки трьох типів реакторів, що застосовуються для здійснення процесів в трифазних системах: реакторів з нерухомим шаром каталізатора і струминних плином рідини; реакторів з перемішуємо суспензією; реакторів з перемішуємо суспензією і з барботажем (з псевдозрідженим шаром каталізатора). (+ Позитивні характеристики, - негативні характеристики).
Таблиця 2
Характеристики
Реактор
з нерухомим шаром каталізатора і струминних плином рідини
з перемішуємо суспензією
з псевдоожі-женним шаром каталізатора
Поділ реактора на сходи
+ +
-
+
Перепад тисків
-
+
+
Максимальна швидкість потоку
-
+
+ +
Відведення теплоти
(+)
+
+
Заміна каталізатора
-
+
+
Стирання каталізатора
(+)
-
(+)
Утилізація каталізатора
-
+
+
Простота конструкції
+
-
+ +
Масштабування
(+)
+
-
Список літератури
1.
2. Бейлі Дж., Олліс Д. Основи біохімічної інженерії. Ч. 2. М.: 1989.
3. Смирнов И. И. Біохімічні реактори. Л.: 1987.
