Download - BIOREAKTORY W - 4
BIOREAKTORYW - 4
Dynamika bioreaktorów
– czas przebywania / dyspersja masy -
- Zbiornikowych z mieszaniem – okresowych
- Zbiornikowych z mieszaniem – półciągłych
- Rurowych / komorowych przepływowych
- Przepływowych z immobilizowanym osadem czynnym
- Typu „air lift” – z przepływem zawiesiny osadu czynnego wymuszonym napowietrzaniem
WCh PG prof. M. Kamiński r. ak. 2016-17
Rodzaje bioreaktorów
Reaktor zbiornikowy
Reaktor rurowy
Reaktor wielodziałowy
Reaktory „air lift”
Zbiornikowy z mieszaniem – okresowy Zbiornikowy z mieszaniem – półciągły
Badanie dynamiki „obiektu”, w tym bioreaktora, to określenie odpowiedzi na skokowe / impulsowe / prostokątne –„wymuszenie” – metoda matematycznego przewidywania / doświadczalnego opisu czasu zatrzymania, dyspersji , efektywnej dyfuzji
W rzeczywistych reaktorach zbiornikowych nie mamy do czynienia z idealnym mieszaniem. Czasem ma też miejsce przepływ segregacyjny. Wówczas w sposób doświadczalny określa się funkcję odpowiedzi dozując „prostokątną” porcję trasera i badając przebieg funkcji odpowiedzi. Określa się rząd kaskady idealnych mieszalników o objętości V oraz opóźnienie transportowe. Opóźnienie transportowe należy też konieczne określić w przypadku reaktora rurowego albo reaktora ze złożem porowatym. W przypadku tego typu reaktorów konieczne jest też wyznaczenie współczynnika efektywnej dyfuzji (Deff) w funkcji liczby Peckleta (Pe=udp/Dm), albo wartości HETP (H) w funkcji prędkości (u) przepływu płynu dla warstwy porowatej.
Reaktory rurowe niewypełnione / z wypełnieniem ziarnistym i immobilizowanym enzymem lub„osadem czynnym” ,
Czas przebywania w reaktorach przepływowych
b) Model przepływu tłokowego
m 0
a) Model idealnego wymieszania
Funkcje rozkładu czasu przebywania
E() – funkcja gęstości prawdopodobieństwa czasu przebywania; widmo rozkładu
czasu przebywania
F() - funkcja rozkładu/dystrybuanta czasu przebywania;
dEF 0
00 F 1F
1
0
dE
00
dFdEm
Rozkład czasu przebywania – residence time distribution RTD
Metody znacznikowe:
- skokowa
- impulsowa
m
m
A
A
dla
dla
c
cFF
1
0
0
Metoda skokowa
expFF 1Idealne
wymieszanie
Przepływ
tłokowy
m
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
m
m
A
Am
dla
dla
c
cEE
01
0
Metoda impulsowa
expEE m
Idealne
wymieszanie
Przepływ
tłokowy
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Przebieg zmian stężenia znacznika w strumieniu opuszczającym reaktor
przepływowy rzeczywisty:
a) metoda skokowa
b) metoda impulsowa
m
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Model dyspersyjny
Pe
Pe 0 Idealne
Wymieszanie
Przepływ
tłokowyLD
LuPe
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Pe
21
Bioreaktory airlift
reaktory airlift z
cyrkulacją zewnętrzną
reaktory airlift z
cyrkulacją wewnętrzną
doprowadzenie gazu
strefa separacji – top zone
strefa wznoszenia – riser
strefa opadania – downcomer
strefa przydenna – bottom zone
odprowadzenie gazu
doprowadzenie gazu
strefa separacji – top zone
strefa wznoszenia – riser
strefa opadania – downcomer
strefa przydenna – bottom zone
odprowadzenie gazu
M.Y. Chisti - Airlift bioreactors, Elsevier Applied Science, 1989
Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej
CLL
L
tD
L
D
LuBo
2
t
tiR
c
cc
C
i
t
t
CL
t
Lu
L
lZ i
Ct
i
R
ZiBoexp
BoC
44
2
Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej
Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej
Mieszanie wzdłużne w fazie ciekłej w układzie barbotażowym:
1. Ślady fazy zdyspergowanej
2. Cyrkulacja cieczy
3. Burzliwość przepływu fazy ciekłej
A. Pinto, J. Campos, Coalescence of two gas slugs rising
in a vertical column of fluid. Chem.Eng.Sci. 51(1)1996
D. Bhaga, M. Weber, In-line interaction of a pair of bubbles
in a viscous liquid. Chem.Eng.Sci. 35,1980
1 2 3
321 VVV
321 RRR uuu
321 RRR DDD
321 RRR uuu
1 2 3
P. Weiland, Influence of draft tube diameter on operation behaviour of airlift loop reactors.
Ger.Chem.Eng. 7, 1984