BIOREAKTORY Wykład III prof. M. Kamiński

Transkrypt

1 BIOREAKTORY Wykład III prof. M. Kamiński Ogólne zasady opracowywania optymalnych warunków bioprocesów Zasada doboru rodzaju bioreaktora, wyposażenia pomiarowego / pomocniczego Efektywne użytkowanie bioreaktorów - problemy operacyjne Dynamika bioreaktorów Ogólne zasady powiększania skali bio-procesów WCh PG prof. M. Kamiński r. ak

2 Ogólny schemat pełnego procesu biotechnologicznego Up-stream processing bioreaktor down-stream processing Przygotowanie substratów / Przygotowanie bioreaktora Realizacja bio-przemian (realizacja bio-procesów) Rozdzielanie i oczyszczanie produktów Warunki realizacji bioprocesów - należy wziąć pod uwagę! Wrażliwość mikroorganizmów na oddziaływanie czynników fizycznych (temperatura, mieszanie, obecność substancji inhibitujących, bio-toksycznych, szczepów wrogich czasem światło, ciśnienie) Wrażliwość komórek na działanie naprężeń ścinających (turbohipobioza) Konieczność zabezpieczenia kultur (zwłaszcza mono-kultur) przed zanieczyszczeniem (sterylność) Powstawanie piany (wynikająca stąd - niejednorodność mieszaniny wieloskładnikowej w reaktorze, ale także problem możliwości spowodowania awarii przez pianę) Określony przebieg zmienności warunków pracy bioreaktora w czasie trwania procesu (odprowadzanie / doprowadzanie ciepła, zapotrzebowanie na tlen, nagromadzenie piany, zmiana właściwości reologicznych płynów hodowlanych).

3 KLASYFIKACJA BIOREAKTORÓW +. Podział ze względu na specyfikę bio-procesu Wgłębne ( substraty - rozpuszczalne / nierozpuszczalne) Powierzchniowe Z immobilizowanymi mikroorganizmami na nośnikach stałych Z granulowanymi agregatami mikroorganizmów (niekiedy wielowarstwowe, np. warstwa zewnętrzna aerobowa, a wewnętrzna aneorobowa) Podział ze względu na geometrię reaktora Zbiornikowe z mieszaniem mechanicznym najczęściej mieszadła łopatkowe z kilkoma parami łopatek, z regulacją obrotów mieszadła w celu zabezpieczenia przed nadmiernymi napręrzeniami ścinania Kolumnowe (bez wypełnienia, z wypełnieniem nieruchomym, z warstwą fluidalną) Rurowe - jedno- lub wielosekcyjne (panują w nich ustalone warunki) Toroidalne - rura zwinięta w pierścień-> idealne mieszanie w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu, nie ma gradientu Komorowe (szczególnie do oczyszczania ścieków)

4 Reaktory zbiornikowe Bez mieszania i napowietrzania (okresowa produkcja wina, sera, piwa) Z mieszaniem mechanicznym, bez napowietrzania Bez mieszania mechanicznego z napowietrzaniem Z mieszaniem i napowietrzaniem (drożdże Saccharomyces cerevisiae) Podział reaktorów ze względu na charakter mieszania Reaktor z idealnym mieszaniem Reaktor z przepływem tłokowym Reaktor o pośrednich warunkach mieszania tj. z przepływem dyspersyjnym

5 Podział reaktorów ze względu na sposób doprowadzania / odprowadzania energii Energia doprowadzana z parą grzejną bioreaktory ze stali kwasoodpornej (nigdy szklane!!!) - kondensacja nasyconej pary wodnej, związana z wysokimi wartościami współczynnika wnikania ciepła Doprowadzana / odprowadzana energia z wodą grzewczą / chłodzącą Doprowadzana energia elektryczna raczej tylko bioreaktory w skali laboratoryjnej Energia doprowadzana / odprowadzana z fazą gazową Energia doprowadzana / odprowadzana z fazą ciekłą Energia doprowadzana w sposób kombinowany tj. z fazami gazową i ciekłą Podział reaktorów ze względu na transport ciepła: Reaktory adiabatyczne (bez wymiany ciepła z otoczeniem) Reaktory izotermiczne (przez cały czas procesu t=const.) Reaktory politropowe (pracujące w warunkach pośrednich)

6 Podział ze względu na liczbę faz w układzie: Homogeniczne (jednofazowe katalizator, substraty, produkty to jedna faza ciekła płyn / koloid), lub gazowa) Heterogeniczne (więcej niż jedna faza) Reaktory heterogeniczne: Ciało stałe gaz Gaz ciecz Ciało stałe ciecz Ciecz ciecz Gaz ciało stałe ciecz Gaz ciecz ciecz Podział ze względu na ciśnienie panujące w układzie Bezciśnieniowe Ciśnieniowe Wysokociśnieniowe

7 Typowe wyposażenie bioreaktora Klasyfikacja bioreaktorów: - ze względu na sposób prowadzenia procesu: - ze względu na sposób doprowadzenia energii na mieszanie Pojęcie reaktora idealnego: - reaktor tłokowy - reaktor zbiornikowy z idealnym wymieszaniem Modele reaktorów rzeczywistych: - model dyspersyjny - kaskada reaktorów Funkcje rozkładu czasu przebywania - metoda znacznikowa

8 Bioreaktory airlift -- materiał uzupełniający do ćwiczeń laboratoryjnych -- Reaktory air lift szczególna uwaga na ćwiczeniach projektowych - budowa i zasada działania - funkcje hydrodynamiczne, metody wyznaczania - stopień zatrzymania gazu, metody wyznaczania, - powierzchnia międzyfazowa, metody wyznaczania - prędkość cyrkulacji cieczy, czas cyrkulacji - czas mieszania - współczynnik dyspersji - współczynnik wnikania masy - obliczenia funkcji hydrodynamicznych na podstawie danych doświadczalnych

9 BIOREAKTORY -- klasyczne / air-lift -- prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

10 Bioreaktory airlift -- materiał uzupełniający do ćwiczeń laboratoryjnych -- Funkcje hydrodynamiczne bioreaktorów heterofazowych ze zdyspergowaną fazą gazową: Stopień zatrzymania gazu Powierzchnia wymiany masy Czas cyrkulacji cieczy Czas mieszania Prędkość cyrkulacji cieczy Współczynnik dyspersji wzdłużnej Współczynnik wnikania masy W reaktorze airlifting gaz jest nie tylko jednym z reagentów, ale zdyspergowany na pęcherze wędruje przez warstwę cieczy, zapewniając mieszanie. Rozproszenie gazu na pęcherze pozwala na uzyskanie dobrze rozwiniętej powierzchni międzyfazowej.

11 Reaktor Air-Lift - alternatywne rozwiązania techniczne prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

12 prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

13 prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

14 prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

15 prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

16 prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

17 Bioreaktory airlift stopień zatrzymania gazu Metody wyznaczania stopnia zatrzymania gazu: manometryczna, ekspansyjna, wagowa z układem szybko zamykających się zaworów, techniki fotograficzne, prześwietlanie mieszaniny dwufazowej promieniami X, wiązką światła, promieniem laserowym, metody radioznacznikowe, pomiar wielkości elektrycznych stosując sondy oporowe, pojemnościowe lub przewodnościowe np. metoda konduktometryczna, inne Najprostsze i najczęściej spotykane to metoda ekspansyjna i manometryczna. dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

18 Bioreaktory airlift stopień zatrzymania gazu Powierzchnia wymiany masy gaz ciecz: m a L, 3 m 2 L a, m 3 m L 2 G Metody pomiaru powierzchni międzyfazowej: Wykorzystujące różnice w przepuszczalności świetlnej ośrodka Fotograficzne pomiar liczby i wielkości pęcherzy Chemiczne szybkość absorpcji gazu na jednostkę powierzchni gaz ciecz jest zależna od współczynnika wnikania masy w fazie ciekłej (np.. absorpcja CO 2 w wodnym roztworze NaOH) dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

19 Bioreaktory airlift stopień zatrzymania gazu Przeciętna średnica pęcherza: Średnica Sautera objętościowo powierzchniowa, m 3 /m 2 d 32 n d i i nid i 3 2 dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

20 Bioreaktory airlift mieszanie w fazie ciekłej Czas cyrkulacji cieczy Czas mieszania Prędkość cyrkulacji cieczy Współczynnik dyspersji wzdłużnej Modele reaktorów idealnych: 1. Reaktor z mieszaniem idealnym C i (x,y,z)=const - idealne wymieszanie w każdym kierunku 2. Reaktor z przepływem tłokowym brak mieszania w kierunku przepływu, idealne wymieszanie w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu Funkcje rozkładu czasu przebywania RTD residence time distribution Reaktor przepływowy - mieszaniem wzdłużne, dyspersja wzdłużna ( w kierunku przepływu) dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

21 Mieszanie w reaktorach przepływowych a) Model przepływu tłokowego b) Model idealnego wymieszania Czas przebywania w reaktorze a) b) m 0 m V. V m dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

22 Rozkład czasu przebywania Funkcje rozkładu czasu przebywania: E() funkcja gęstości czasu przebywania; oznacza ułamek masy wprowadzonej substancji o czasie przebywania zawartym w przedziale od do +d w strumieniu opuszczającym reaktor F() - funkcja rozkładu/dystrybuanta czasu przebywania; podaje sumaryczny ułamek masy cząsteczek o czasie przebywania od 0 do na wyjściu z reaktora F E 0 d F0 0 F E d dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

23 Rozkład czasu przebywania residence time distribution RTD Metoda skokowa Przepływ tłokowy F F c c A A0 0dla 1dla m m Idealne wymieszanie F exp F 1 prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

24 Rozkład czasu przebywania residence time distribution RTD Metoda impulsowa Przepływ tłokowy E m E c c A A0 1 0dla dla m m Idealne wymieszanie exp E me prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

25 mieszanie w fazie ciekłej Model dyspersyjny przepływ tłokowy z nałożoną dyspersją poosiową/wzdłużną Bo ul D L Bo 0 Idealne Wymieszanie Bo Przepływ tłokowy prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

26 mieszanie w fazie ciekłej Model kaskady j stopni idealnego wymieszania j 1 Idealne Wymieszanie j Przepływ tłokowy dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

27 Bioreaktory airlift mieszanie w fazie ciekłej Metoda znacznikowa: Do przepływającego strumienia wprowadza się porcję znacznika, śledząc w punkcie pomiarowym lub w kilku punktach zmiany stężenia znacznika w czasie trwania eksperymentu rejestrujemy krzywe rozkładu czasu przebywania Def. znacznika substancja, która wprowadzona do danej fazy lub części układu umożliwia uzyskanie informacji o tej fazie lub układzie poprzez obserwowanie zachowania się tej substancji Znaczniki Roztwory barwników, soli i związków organicznych badania hydrodynamiki faz ciekłych Gazy: He, A, Kr, CO2, N2, NH3 - badania hydrodynamiki faz gazowych Znaczniki promieniotwórcze - radioznaczniki dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

28 Bioreaktory airlift wymiana masy Model Whitmana dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

29 Bioreaktory airlift Literatura 1. M.Y. Chisti - Airlift bioreactors, Elsevier Applied Science, J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT O. Levenspiel - Chemical Reaction Engineering, Wiley&Sons (3rd ed.) 1999 dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY