BIOREAKTORY W

BIOREAKTORY
W-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
Rodzaje bioreaktorów
Reaktor zbiornikowy
Reaktor rurowy
Reaktor
wielodziałowy
Reaktory „air lift”
WCh PG prof. M. Kamiński r. ak. 2016-17
Badanie dynamiki „obiektu”, w tym bioreaktora, to określenie
odpowiedzi na skokowe / impulsowe / prostokątne –
„wymuszenie” – metoda matematycznego przewidywania /
doświadczalnego opisu czasu zatrzymania, dyspersji , efektywnej
dyfuzji
Zbiornikowy z mieszaniem – okresowy
Zbiornikowy z mieszaniem – półciągły
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” ,
Rozkład czasów przebywania
w reaktorach przepływowych
Iwona Hołowacz
Czas przebywania w reaktorach przepływowych
a) Model idealnego wymieszania
 0
b) Model przepływu tłokowego
  m
Funkcje rozkładu czasu przebywania
E() – funkcja gęstości prawdopodobieństwa czasu przebywania; widmo rozkładu
czasu przebywania
F() - funkcja rozkładu/dystrybuanta czasu przebywania;
F   

 E  d
0
F 0   0
F    1

 E  d  1
0


0
0
 m     Ed     dF  
Rozkład czasu przebywania – residence time distribution RTD
Metody znacznikowe:
- skokowa
- impulsowa
Metoda skokowa
m
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Idealne
wymieszanie
Przepływ
tłokowy
F    F    1  exp  
F    F   
0dla   m
cA

c A0 1dla   m
Metoda impulsowa
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Idealne
wymieszanie
Przepływ
tłokowy
E     m E    exp  
c A 1 0dla    m
E     m E   
 
c A0  dla    m
m
Przebieg zmian stężenia znacznika w strumieniu opuszczającym reaktor
przepływowy rzeczywisty:
a) metoda skokowa
b) metoda impulsowa
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Model dyspersyjny
Pe  0
uL
Pe 
DL
2
  1
Pe
Pe  
J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991
Idealne
Wymieszanie
Przepływ
tłokowy
Bioreaktory airlift
reaktory airlift z
cyrkulacją wewnętrzną
reaktory airlift z
cyrkulacją zewnętrzną
odprowadzenie gazu
odprowadzenie gazu
strefa separacji – top zone
strefa separacji – top zone
strefa wznoszenia – riser
strefa wznoszenia – riser
strefa opadania – downcomer
strefa opadania – downcomer
strefa przydenna – bottom zone
doprowadzenie gazu
strefa przydenna – bottom zone
doprowadzenie gazu
Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej
M.Y. Chisti - Airlift bioreactors, Elsevier Applied Science, 1989
Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej
tC
CR 
cR 
cti
ct
uL 

L
tC
Bo
4  
 Bo i  Z   2 

i exp 
4




ti
tC
uLL
L2
Bo 

DL
DLtC
l
Z i
L
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
V1  V2  V3
uR 1  uR 2  uR 3
3
1
2
3
DR 1  DR 2  DR 3
uR 1  uR 2  uR 3
P. Weiland, Influence of draft tube diameter on operation behaviour of airlift loop reactors.
Ger.Chem.Eng. 7, 1984
𝜀=
𝑉0
𝑉0
=
𝑉𝑐 𝜋𝑑𝑐 2
4 ∙ 𝐿𝑐
𝑢=
𝐿𝑐
𝑉
=
𝜏𝑜 𝜋𝑑𝑐 2
4 ∙𝜀
𝑚
[ ]
𝑠