Самара
2001
| стр. | |
| Введение …………………………………………………………………………………... | 3 |
| 1. Классификация биохимических реакторов …………………………………………... | 4 |
| 2. Устройство и принципы работы биохимических реакторов ………………………... | 9 |
| 2.1. Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора ………………………………... | 9 |
| 2.2. Биореакторы типа барботажных колонн …………………………………………… | 10 |
| 2.3. Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора ………………………….. | 12 |
| 2.4. Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости……………………………………………………………………………… | 15 |
| Заключение ……………………………………………………………………………….. | 17 |
| Список литературы ……………………………………………………………………….. | 18 |
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
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
| Факторы | Тип процесса | |
| периодический | Непрерывный | |
| Период процесса Dt - время между проведением отдельных стадий процесса (например, между двумя смежными выгрузками продукта). | Dt> 0 | Dt® 0 |
| Степень непрерывности процесса t/Dt (где t - время, необходимое для проведения всех стадий процесса). | Dt> 1 | t/Dt® 0 |
| Последовательность отдельных стадий процесса. | Последовательно | Параллельно |
| Место проведения отдельных стадий процесса. | В одном аппарате | В нескольких аппаратах или в разных частях одного аппарата |
| Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме | Одинаков во всех точках объема реактора, но различен во времени для одной и той же точки объема | Различен 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 (H/D ≥ 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.