Dynamika bioreaktorów czas przebywania / dyspersja masy -

Transkrypt

1 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

2 Rodzaje bioreaktorów Reaktor zbiornikowy Reaktor rurowy Reaktor wielodziałowy Reaktory air lift WCh PG prof. M. Kamiński r. ak

3 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

4

5

6

7

8

9

10

11

12 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 (D eff ) w funkcji liczby Peckleta (Pe=udp/Dm), albo wartości HETP (H) w funkcji prędkości (u) przepływu płynu dla warstwy porowatej.

13 Reaktory rurowe niewypełnione / z wypełnieniem ziarnistym i immobilizowanym enzymem lub osadem czynnym,

14

15

16

17

18 Rozkład czasów przebywania w reaktorach przepływowych Iwona Hołowacz

19 Czas przebywania w reaktorach przepływowych a) Model idealnego wymieszania b) Model przepływu tłokowego 0 m

20 Funkcje rozkładu czasu przebywania E() funkcja gęstości prawdopodobieństwa czasu przebywania; widmo rozkładu czasu przebywania F() - funkcja rozkładu/dystrybuanta czasu przebywania; F E 0 d F0 0 F E d m 0 Ed 0 df

21 Rozkład czasu przebywania residence time distribution RTD Metody znacznikowe: - skokowa - impulsowa

22 Metoda skokowa J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991 m Idealne wymieszanie F exp F 1 Przepływ tłokowy F F c c A A0 0dla 1dla m m

23 Metoda impulsowa J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991 Idealne wymieszanie exp E me Przepływ tłokowy E E m c c A A0 1 0dla m dla m

24 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

25 Model dyspersyjny Pe 1 u L D L 2 Pe Pe 0 Idealne Pe Wymieszanie Przepływ tłokowy J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991

26 Bioreaktory airlift reaktory airlift z cyrkulacją wewnętrzną reaktory airlift z cyrkulacją zewnętrzną odprowadzenie gazu strefa separacji top zone odprowadzenie gazu strefa separacji top zone strefa wznoszenia riser strefa opadania downcomer strefa wznoszenia riser strefa opadania downcomer strefa przydenna bottom zone strefa przydenna bottom zone doprowadzenie gazu doprowadzenie gazu

27 Bioreaktory airlift mieszanie w fazie ciekłej M.Y. Chisti - Airlift bioreactors, Elsevier Applied Science, 1989

28 C L L L t D L D L u Bo 2 t ti R c c c C i t t C L t L u L l Z i C t i R Z i Bo exp Bo C Bioreaktory airlift mieszanie w fazie ciekłej

29 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

30 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

31 V V V R R R u u u R R R D D D R R R u u u P. Weiland, Influence of draft tube diameter on operation behaviour of airlift loop reactors. Ger.Chem.Eng. 7, 1984

32

33 ε = V 0 V c = V 0 πdc 2 4 L c u = L c τ o = V m πdc 2 [ 4 ε s ]