Биохимические реакторы

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.