Вход

Биохимические реакторы

Реферат по биологии
Дата добавления: 27 января 2004
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 305 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Содержание стр. Введение ……………………………………………………………………… ……… …... 3 1. Классификация биохимических реакто ров …………………………………………... 4 2. Устройство и принципы работы биохимических реакторов ………………………... 9 2.1. Реакторы с неподвижным сло ем биокатализатора ………………………………... 9 2.2. Биореакторы типа барботажных к олонн …………………………………………… 10 2.3. Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора ………………………….. 12 2.4. Реакторы с неподвижным слое м катализатора и со струйным течением жид кости……………………………………………………………………………… 15 Заключение ……………………………………………………………………………… .. 17 Список литературы ………………………………………………… …………………….. 18 Введение Рассматривая многообразные реактор ные устройства , применяемые в настоящее время в биохимических производствах , можно сделать вывод , что во всех реакторах происходят определенные физические проц ессы (гидрод инамические , тепловые , массообменные ), с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно биохимического превращения вещества (биохимической реакции ). Для осуществлени я этих биохимических процессов биохимический реактор с набжается типовыми конструктив ными элементами , широко применяемыми в аппара тах для проведения собственно биохимических п роцессов (мешалки , контактные устройства , теплообме нники и т.д .). Поэтому все биохимические реа кторы представляют собой комплексные апп а раты , состоящие из известных конструктивн ых элементов , большинство которых используется для проведения технологических операций , не сопровождающихся биохимическим превращением перера батываемых веществ . Количество таких конструктивн ых сочетаний , а значит , и типов реакторов может быть достаточно большим , что объясняется многообразием и сложностью проте кающих биохимических реакций . Однако , для всех биохимических реаторов , существуют общие при нципы , на основе которых можно найти связь между конструкцией аппара т а и основными закономерностями протекающего в нем биохимического процесса . Критериями , по которым можно классифицир овать реакционные аппараты , являются периодичност ь , или непрерывность процесса , его стерильност ь , гидродинамический режим , тепловой эффект и требуемое количество кислорода для реакций биосинтеза , а так же физические св ойства (аргегатное , фазовое состояние ) взаимодейств ующих веществ . Основные типы реакторов описан ы ниже. 1. Классификация биохимических р еакторов По принципу организации про це сса 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 точка х реакцио нного объема , но различен по времени для одной и той же точки объема . В таком аппарате продолжительностль р еакции можно измерить непосредственно , так ка к время реакции и время пребывания реаген тов в реакционном объеме одинаковы . Параметры технологического процесса в периодич ески действующем реакторе изменяются во време ни . Реакторы периодического действия мало про изводительны и плохо поддаются автоматическому контролю и регулированию . В реактроре непрерывного действия (рис . 2) все отдельные стадии процесса биохимического превращения вещества (подача реагирующих веществ , биохимиче ские реакции , вывод конечного продукта ) осущес твляются параллельно , одновременно . Характер измен ения концентраций реагирующих веществ в реакц ионном объеме различен в каждый момент в р емени в разных точках объема аппарата , но постоянен во времени для о дной и той же точки объема . В таких аппратах технологические параметр ы процесса постоянны во времени . Однако , п родолжительность реакции в реакторах непрерывног о действия нельзя измерить н епосредственн о . В аппаратах непрерывного действия время реакции не может совпадать с временем пребывания реагентов , так как каждая элемен тарная частица вещества находится в реакционн ом объеме разное время , и , следовательно , о бщее время пребывания зависит от характ ера распределения времени пребывания отдельных частиц . В общем случае время реакции за висит от интенсивности перемешивания , структуры потоков в аппарате , и для каждого гидро динамического типа реактора оно индивидуально . Непрерывно действующие реа кторы высок опроизводительны , легко поддаются механизации при обслуживании и автоматическому контролю и регулированию при управлении , в том числе с применением быстодействующих электронно-вычислит ельных машин . Реактор полунепрерывного (полупери одического ) действия (рис . 3) р аботает в неустановленных условиях , так как один из реагентов поступает непрерывно , а другой – периодически . Возможны варианты , к огда реагенты поступают в реактор периодическ и , а продукты реакции выгружаются непрерывно . Такой реактор мож но рассматривать ка к непрерывнодействующий аппарат , в котором по токи входящего и выходящего из реактора в ещест не равны , и , кроме того , как пери одически действующий аппарат , в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществл я ется периодически . Реакторы полупериодического действия используются тогда , когда изменения скорости подачи реагентов позволяет регулировать скорос ть процесса . В таблице 1 сопоставлены факторы определяющие периодичность и непрерывность п роцесса в реакторе. Таблица 1 Факторы Тип процесса периодический Не прерывный Период процесса - время между п роведением отдельных стадий процесса (например , между двумя смежными выгрузками продукта ). > 0 0 Степень непрерывности процесса (где - время , необходимое для проведен ия всех стадий процесса ). > 1 0 Последовательность отдельных стадий процесса. Последов ательно Параллельно Мес то проведения отдельных стадий процесса. В одном аппа рате В нескольких ап паратах или в разных частях одного аппара та Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме Одинаков во всех точках объе ма реактора , но различен во времени для одной и той же точки объема Различ ен в каждый мом ент времени По гидродинамическому режиму (структуре потоков ) ректоры д елятся на три группы. Реакторы идеального (полного ) п еремешивания – аппараты , в к оторых потоки реагентов мгновенно и равномерн о перемешиваются во всем реакционном объеме . Это значит , ч то состав и температ уру реакционной смеси в таком аппарате мо жно считать одинаковыми во всем его объем е . На рисунке 4а предствлена типичная зави симость изменения концентрации субстрата во в ремени в таком реакторе. К такому типу реакторов могут быть отнесен ы аппараты малого объема с механическим перемешиванием жидкости , частотой вр ащения мешалки не менее 4 с – 1 и временем гомогени зации не более 8 минут . Реакторы идеального (полного ) в ытеснения – аппараты , в кото рых движение реагентов носит поршеневой харак те р , то есть каждый предыдущий объем , проходящий через аппарат , не смешивается с последующим , так как вытесняется им . В таком аппарате существует определенное распред еление скоростей потока по его сечению . В результате состав , а так же температура реакционн о й смеси в цетре ап парата и у его стенок различны ; и темп ератур на входе и выходе из аппарата . К таким аппаратам относятся трубчатые реактор ы при соотношении их высоты к диаметру , равным не менее 20 ( H / D ≥ 20) . Од нако , в больших реакционных объемах , как п ра вило , режим полного (идеального ) вытеснен ия нарушается за счет эффекта обратного п еремешивания . Типичная зависимость изменения конц ентрации во времени для такого аппарата п редставлена на рис 4б. Реакторы с промежуточным гидр одинамическим режимом . Этот тип аппаратов очень широко распространен на практике . Наиболее часто отклонение от ид еального режима пермешивания в реакционном об ъеме наблюдается , например , в аппаратах большо го объма при недостаточной частоте вращения мешалки , наличии теплообменных устройст в внутри аппарата , большой скорости подач и реагентов в аппарат непрерывного действия и т.д . В этих случаях возникают застой ные зоны (объемы с малым перемешиванием ил и вообще без перемешивания ), байпасные потоки в аппарате а так же проскок потока без смешен и я через аппарат . (рис . 5) На рисунке 4в показана хара ктерная зависимость изменения концентрации субст рата во времени в таком реакторе. В аппаратах идеального вытеснения регуляр ный гидродинамический режим может быть наруше н в результате поперечного и особен но продольного пермешивания потока (рис . 6), что приводит к частичному выравниванию концентраци й и температур по сечению и длине реа ктора . Объясняется это тем , что продольное (обратное ) пермешивание ускоряет перемещение одних элементов объема , а других – з амедляет , вследствие чего время пребывани я их в реакторе становится различным . Одним их технических приемов уменьшения эффекта продольного пермешивания яв ляется секционирование реакционного объема (рис . 7), в результате чего пермешивание приобретает локал ьный характер и по длине аппа рата сохраняется гидродинамический режим , близкий к режиму полного вытеснения . Типичная зависимость изменения ко нцентрации субстрата во времени в многосекцио нном аппарате представлена на рисунке 4г. К аппаратам с промежуточным гидроди намическим режимом относятся большинство фермент еров колонного типа . Реактор , как аппарат , в котором протек ает основной процесс биотехнологии – образов ание нового продукта в результате сложного взаимодействия исходных веществ , должен работат ь эффе ктивно , то есть обеспечивать тре буемую глубину и избирательность биохимического превращения . Следовательно , биохимический реактор должен удовлетворять ряду различных требован ий : иметь необходимый реакционный объем , обесп ечивать определенный гидродинамичес к ий режим движения реагентов , создавать требуемую поверхность контакта взаимодействующих фаз , поддерживать необходимый теплообмен в процессе , режим аэрации и т.д. В промышленных условиях важнейшее значени е приобретает не только скорость биохимическо го превр ащения вещества , но и производ ительность аппаратуры , поэтому выбор типа и конструкции оборудования является одним из главных и отвествтвенных этапов реализации химико-технологического процесса . По конструкции биохимические реакторы классифицируются сл едую щим образом : ь реакторы емкостного типа (типа реакционной камеры ) ; ь ре акторы типа колонны ; ь ре акторы трубчатого типа ; ь ре акторы пленочного типа ; ь ре акторы 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 состоян ияние исходных веществ и продуктов реакции , а так же их биохимические и микробиоло гиеческие свойства ; температрура и давление , при которых протекает процесс ; тепловой эффект процесса и скорость теплообмена ; интен сивность переноса массы (массообмен ), перемешивания реагентов ; непрерывность или периодичность п роцесса ; удобство монтажа и ремонта апп а ратуры , простота его изготовления ; доступность конструкционного материала и т.д. Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказыва ет наибольшее влияние на принцип организации движения взаимодействующих фаз и определяет конструктивны й тип реакционного устройст ва . Кроме того , от этого фактора зависит выбор некоторых основных и вспомогательных деталей аппарата , таких как , например , перем ешивающее устройство , поверхность теплообмена и др. С точки зрения определе ния технологических возмож ностей биохимических реакторов целесообразн о систематизировать с учетом основных гидроди намических и массообменных показателей . Эти п оказатели будут в значительной мере зависеть от количества и способа подвода энергии на перемешивание и аэрацию в реакторах . В соответствии с этим все биохимич еские реакторы (ферментеры ) могут быть отнесен ы к трем группам. Реакторы с подводом энерг ии через газовую фазу (ри с . 9). Эта группа аппаратов отличается простотой конструкции и надежностью эксплуатации , так как отсутству ют движущие детали и узлы . К таким аппаратам относятся , например , барботажные эрлифтерные ферментеры. Реакторы с подводом энерг ии через жидкую фазу (рис . 10). Характерным конструктивным признаком таких аппаратов является наличие самовысасывающего э лемента, или насоса . К этой группе ап паратов можно отнести , например , ферментеры с самовысасывающими перемешивающими устройствами , с эжекционной системой перемешивания и аэраци и , с внешним циркуляционных контуром. Реакторы с комбинированным подводом энерги (рис . 11). Основной конструктивных элемент таких аппарат ов – перемешивающее устройство , обеспечивающее высокоэффективное диспергирование и гомогенизацию . К этой группе относятся высокоинтенсивные аппараты с механическим перемешиванием и о дновременно барботажем с жатым воздухом. Биохимический реактор имеет ряд устройств и даже целых узлов , с помощью которых к нему присоединяются основное и вспомог ательное оборудование , а так же арматура и контрольно-измерительные приборы. 2. Устройство и принципы работы биохимиче ских реакто ров 2.1. Реакт оры с неподвижным слоем биокатализатора Колонны с насадкой иммобил изованного катализатора в настоящее время исп ользуются в нескольких промышленных процессах , и есть все основания полагать , что в ближайшее время область их применен ия существенно расширится . В таких реакторах , называемых реакторами с неподвижным слоем катализатора , с помощью иммобилизованных ферменто в осуществляют изомеризацию глюкозы , частичный селективный гидролиз пенициллина , селективное р асщепление смеси произво д ных рацемиче ских аминокислот . В реакторах с неподвижным слоем изучались также процессы с участием иммобилизованных клеток. В простейшем и часто довол ьно успешно применяющемся математическом описани и работы реактора с неподвижным слоем кат ализатора в основу положена модель реак тора полного вытеснения , модифицированная с ц елью учета влияния каталитической насадки на структуру течений и кинетику реакций . Пов ерхностную скорость потока через реактов опре деляют как объемную скорость потока исходных веществ , отне с енного к площади поперечного сечения пустот , которое представляе т собой произведение общей площади поперечног о сечения колонны на долю пустот . Для простой реакции S →'3e T , протекающей с собст венной скоростью v = v ( s , p ) , скор ость образования продукта в единице объема гранулы иммобилизованного катал изатора в какой-либо определенной точке реакт ора равна : v общ = ( s s , p s )v(s s , p s ) (1) Здесь s s и p s – концентрации субстрата и продукта соответствен но на наружной поверхности частицы катализатора в данной точке объема реактора . Как указано в ур авнении (1), в общем случае коэффициент эффектив ности , определяющий скорость диффузии в частицу катализатора , и скорость реакции v зависят как от s s , так и от p s . Математический балланс по сустрату в сферический частице катализатора радиусом R в стационарном состоянии будет выра жаться уравнением : 4 R 2 k s (s – s s ) = 4/3 R 3 ( s s , p s )v(s s , p s ) (2) или : Скорость диффузии субстрат а из жидкой фазы = скорости трансформации субстрата внутри частицы в результате реакции . Преобразование и подстановка вели чин уравнений (1) и (2) дает выражение , позволяющее определить общую скорость утилизации с убстрата , отнесенную к единице объема частиц катализатора , если известна концентрация суб страта в жидкой фазе. Течение вокруг частицы , составляющих слой насадки , и особенно смешения жидкой фазы в пустотах между частиц ами создают обратное смещение , которое может вызвать от клонение от режима полного вытеснения . В т аких случаях можно применять дисперсионную мо дель или модель на основе каскада реактор ов . Влияние небольшой дисперсии на работу реактора в сравнении с режимом иде ального вытеснения мы уже обсуждали при и зучении стерилизаторов . 2.2. Биореакторы тип а барботажных колонн Биореакторы типа барботажных колонн – реакторы с большим отношением высоты к диаметру , перемешивание в них осуществляется за счет восходящего по тока газа , подаваемого в реактор под давлением . В некоторых случаях применяю т только одну колонну , которую иногда снаб жают внутренними тарелками или даже перемешив ающими устройствами на отдельных или всех ступенях . Колонные реакторы могут функционировать как в периодическом , так и в непре рывном режимах . В последнем случае возможны два варианта , в первом из которых напра вление потоков жидкой фазы и газа паралле льны (т.е . совпадают ), а во втором варианте используется принцип противотока . В эрлифтны х реактор а х с помощью наружного устройства осуществляется циркуляция жидкой фа зы . Рециркуляционные устройства обеспечивают высо коэффективный теплообмен , необходимый в крупномас штабных микробиологических процессах с участием парафиновых или метанольных субстратов . Р е циркуляционное устройство , кроме тог о , способствует формированию устойчивой структуры течений и определенных характеристик перемеш ивания в реакторе . При достаточной плотности культур ы быстро растущих аэробных организмов общая скорость клеточного роста обы чно лим итируется скоростью переноса кислорода из газ овых пузырьков в жидкую фазу . Анализ перен оса кислорода , лимитирующего скорость всего п роцесса , требует сведений о параметрах переме шивания газовой и жидкой фаз в башне . Жидкая и газовая фазы в барботажн о й колонне полностью пермешиваются , если скорость газового потока намного выше скор ости течения жидкой фазы и если высота башни близка к ее диаметру . В случае более обычных высоких колонн необходимую с корость переноса кислорода можно определить п о уравнени ю (2) при L = z . В интегральной форме уравнение (2) справедли во при практически постоянной величине удельн ой площади межфазовой поверхности а по всей высоте коло нны . Это требование выполняется только при сохранении пузырьковой структуры газового пото ка . Экс перименты с системой воздух-вода показали , что если объемная доля газа превышает критическую величину max , рав ную приблизительно 0,3, то поднимающиеся через с лой жидкости газовые пузырьки коале сцирую т вплоть до образования воздушных пробок . В любой точке башни F G = u G t 2 /4 (3) Здесь F G и u G – объем ная и линейная скорости потока газа соотв етственно . Достаточно обоснованно можно прин ять , что u G = u t удельного газового пузырька в неперемешив аемой жидкости и что F G приблизительно равно скорости поступающего в реактор газа F Gf . Последующее допущение основывается на том факте , что поглощающийся из пузырьков кислород по меньшей мере частич но зам ещается на углекислый газ . Достаточно малый размер пузырьков по всей высоте колонны обеспечивают ситчатые тар елки и /или перемешивающие или другие внут ренние устройства , разрушающие все воздушные пробки и таким образом способствующие сохране нию высок ой величины площади контакта между газовой и жидкой фазами. На рисунке 12 представлена схема , положенная в основу математической модели башенного реактора с рециркуляционным устройством и с параллельными потоками газовой и жидкой фаз (биореактор эрлифтного типа ). В соб ственно башне реактора (на рисунке изображенн ой справа ) в одном направлении движутся по токи жидкой и газовой фаз . В верхней ч асти башни газ отделяется , а жидкая фаза через рециркуляционное устройство (изображенное слева ) возвращается в нижную ю ч асть реактора , где расположено барботирующее устройство. 2.3. Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора Процессы в псеводоожиженном сл ое катализатора обычно осуществляют в реактор ах колонного типа , рассмотренных в предыдущем разделе , поэтому есл и такие процессы включают подачу или отвод газа , то ра счет 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 ) суспенди руются , увлекаемые восход я щим потоком жидкости . Вовлеченные в этот поток частиц ы катализатора в верхней расширяющейся части реактора прекращают подъем и затем вновь возвращаются в башню . Если тщательно подо брать режим работы реактора с учетом хара ктеристик организма , то биокатализ а то р удается удерживать в реакторе , несмотря на то , что через реактор неперерывно проте кает среда. Например , в башенных ферментерах , использующихся в непрерывных процессах пивовар ения , создается определенный градиент концентраци и дрожжевых клеток по высоте башни , причем бвлизи от дна реактора концентрация микроорганизмов может достигать 35%, а в верхн ей части башни этот парамент снижается до 5-10%. Более того , в зависимости от высоты в реакторе постепенно изменяются и характе ристики среды . Так , вблизи зоны п оступления исходных питательных вещств превращен иям подвергаются прежде всего легко ферментир уемые сахара , что приводит к снижению плот ности среды . В средней и верхней зонах башни скопления дрожжевых клеток трансформирую т мальтотриозу и отчасти мальтозу . Т акая картина , характеризующаяся быстрыми реакциями в начальной стадии процесса и п оследующими более медленными реакциями с учас тием менее "удобных " субстратов , согласуется с экспериментальными данными , предствленными на рисунке 13. Рудиментарная модель ре актора с п севодоожиженным слоем катализатора может быть разработана , если допустить , во-первых , что ч астицы биологического катализатора (хлопья скопле ний микроорганизмов или частицы иммобилизованног о фермента ) однородны по форме и размерам ; во-вторых , что плотность жидкой фа зы является функцией концентрации субстрата ; в-третьих , что движение жидкой фазы в реак торе осуществляется в режиме полного вытеснен ия ; в-четвертых , что реакция утилизации субстра та имеет первый порядок по биомассе , но нулевой порядок п о субстрату ; в-пя тых , что числа Рейнольдса частиц катализатора , рассчитанные по их конечной скорости , до статочно малы , так что движение частицы мо жет быть описано законом Стокса . Четвертое и пятое допущение достаточно обосновнны во многих ситуациях ; первое, второе и т ретье в ряде случаев так же могут быт ь оправданы. При указанных допущениях скорость утилиза ции субстрата можно описать уравнением типа : d ( su )/ dz = – kx , или u ds / dz + s du / dz = – kx (4) Если движение частиц (клеток ) описывается з аконом Стокса , то зависимо сть концентрации суспендированной биомассы от скорости потока жидкости в псевдоожиженном слое должна подчиняться уравнению : x = 0 [1 – ( u / u t )] 1/4.65 (5) Здесь 0 – плотность культуры микрооргани змов (масса сухого клеточного вещества в е динице объема ), а u t – конечная скорость сферы в стоксовом потоке. Любое именением плотности жидкой фазы мало сказывается на величине u . Если и не зависит от положения в реа кторе , то уравнение (4) можно проинтегр ировать непосредственно и таким путем получи ть s c = s f – k 0 [1 – ( u/u f ) 1/4.65 ]*L/ u (6) Здесь L – в ысота башни ; при выводе этого уравнения пр инималось , что х определяесят у равнением (5). Отр ажаемая уравнением (6) линейная зависимость концент рации субстарата от среднего времени реакции L / u (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 об суждаемой модели различные сахара , утилизируемые в ходе анаэробного спиртового брожения , с группированы 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 непрерывн ого действия. Что касается потока жидкой фазы через псеводоожиженный слой , то о бычно жела тельно поддерживать режим полного вытеснения . Нестабильная структура течений в слое в ряде случаев может вызывать существенное обра тное смешение , нарушающее ход процесса и н ормальную работу реактора . Вероятность обратного смешения возрастает при уменьшении диаметра колонны и снижении скорости поток а жидкой фазы . В то же время в био реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора в силу малых размеров его частиц и небольшого различия между плотностями жидкой фазы и катализатора приходится ограничива т ься относительно невысокими линейными ск оростями потока жидкости . Кроме того , при понижении скорости потока жидкой фазы повышае тся концентрация катализатора в реакторе . Пок азано , что введение в биореактор с псевдоо жиженным слоем катализатора статических э л ементов перемешивания может значительно улучшить характеристики расширения слоя и сни зить нежелательное обратное смешение. Поскольку реакторы с неподвижным слоем катализатора в общем случае ближе к ре акторам полного вытеснения , может возникнуть вопрос о це лесообразности и преимуществах биореакторов с псевдоожиженным слоем катализ атора . Прежде всего преимущества таких реакто ров 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 реакто ра ), а если в ходе процесса образуются газообразные продукты , например , углекислый газ , то нелегко и предупредить избыточное накоп ление газа в верхней части реактора с неподвижным слое м . Реактор с псев доожиженным слоем катализатора обеспечивает режи мы 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 друг о й , обеспечив ают так же реакторы со струйным течением жидкости. 2.4. Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидк ости Содержимое реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости представляет собой трехфазну ю систему , состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора , а так же подвижной газовой и жидкой фаз . Поступающая в реактор газ овая и жидкая фазы содержат по одному или несколько реагентов , поэтому скорость б иохимической реакции зависти зависит о т характеристик контакта между жидкостью , в которую переносится ограниченно растворим ый реагент из газовой фазы , и поверхностью катализатора . На работу таких реакторов в существенной степени влияет физическое состо яние газожидкостного потока , проходящего ч ерез неподвижный слой катализатора , и связанные с этим процессы массопереноса. К числу важных характеристик таких ре акторов и содержащихся в них систем относ ятся площадь поверхности катализатора , эффективно сть смачивания катализатора подвижной жидкой фазой , структура течений газожидкостной смес и , массопереноса ограниченно растворимых реагенто в из газовой в жидкую фазу , массопереноса реагентов к поверхности катализатора , а в случае пористого или проницаемого катализато ра – диффузия реагентов к каталитически м центрам , находящимся внутри частиц катализатора. Одной из первых областей применения б иореакторов с насадкой и струйным течением жидкости , сохраняющей свое значение и в настоящее время , является обработка сточных вод с помощью биологических капельных филь тров . Вращающееся распределительное устройств о разбрызгивает поток жидких отходов по к ольцевому слою гравия , на котором находится пленка микроорганизмов . Жидкость стекает через неподвижный слой в почти ламинарном режи ме , а воздух поднимается через слой ка т ализатора благодаря естественной кон векции за счет выделяющейся в микробиологичес ком процессе теплоты . Аналогичный принцип леж ит в основе традиционного способоа производст ва винного уксуса (биологическое окисление эт анола до уксусной кислоты ), где применя ю тся прямоугольные колонны с наса дкой из древесной щепы . Для ламинарного те чения жидкой фазы и упрощенной геометрии слоя , например для плоского слоя , можно со здать детальную математическую модель , описывающу ю характеристики потоков и процессов переноса , и р ешить соответствующие уравнения. В промышленности встечаются и другие конструкции реакторов со струйным течением жи дкости и неподвижным слоем катализатора , в частности такие , в которых параллельные пот оки 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 систем ы , начиная от непрерывной жидкой фазы с диспергирован ными в ней газовыми пузырьками и заканчив ая непрерывной газовой фазой с диспергированн ыми каплями жидкости (туманом ) (рис . 14). На это м рисунке выделена и зона нестабильности потока , когда через реактор н епрерыв но проходят газ и жидкость в виде кру пных газовых пузырей и жидких поршней соо тветственно . Участки графика , обозначенные как "пилотная установка " и "промышленная установка ", заимствованы из опытных данных , полученных при изучении процессов переребо т ки нефти . В некоторых режимах работы биореакто ра применяются низкие скорости потока воздуха . Так , в процессах биологической обработки отходов на капельных фильтрах аэрация осущес твляется за счет естественной конвекции , обус ловленной небольшой экзотермично с тью происходящих реакций. Конструкционно реакторы с неподвижным сло ем катализатора и со струйным течением жи дкости напоминают реакторы , рассматривавшиеся ран ее . При математическом моделировании систему обычно условно рассматривают , как твердую фаз у , находя щуюся в контакте с жидкой пленкой , которая в свою очередь контактируе т с газовой фазой . В сущности такой по дход к моделированию является расширенным вар иантом уже упоминавшейся двухфазной модели ба рботажной колонны . Затем рассматриваются процессы переноса между фазами и в каж дой из фаз , а так же ограничения , налаг аемые на скорость реакций диффузионными эффек тами. Заключение При выборе конкретной конструк ции реактора приходится учитывать самые разли чные характеристики проектируемого процесса и эксплуатацио нные параметры . В таблице 2 суммированы преимущества и недостатки трех ти пов реакторов , применяемых для осуществления процессов в трехфазных системах : реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости ; реакторов с перемешиваемой сусп е нзией ; реакторов с перемешив аемой суспензией и с барботажем (с псевдоо жиженным слоем катализатора ). (+ положительные харак теристики , – отрицательные характеристики ). Таблица 2 Характеристики Реактор с неподвижным слоем катализатора и струйным течением ж идкости с перемешиваемой с успензией с псевдоожи-женным слоем катализато ра Разделение реактора на ступени ++ – + Перепад давлений – + + Максимальная ско рость потока – + ++ Отвод теплоты (+) + + Замена катализат ора – + + Истирание катали затора (+) – (+) Утилизация катал изатора – + + Простота констру кции + – ++ Масштабирование (+) + – Список литературы 1. 2. Бейли Дж ., Оллис Д . Основы биохимической инженерии . Ч . 2. М .: 1989. 3. Смирнов И . И . Биохимич еские реакторы. Л .: 1987.
© Рефератбанк, 2002 - 2017