BIOREAKTORY Wykład III prof. M. Kamiński

Podobne dokumenty
Dynamika bioreaktorów czas przebywania / dyspersja masy -

BIOREAKTORY. Wykład II

KARTA PRZEDMIOTU. 2. Kod przedmiotu:

Podstawy teoretyczne technologii chemicznej / Józef Szarawara, Jerzy Piotrowski. Warszawa, Spis treści. Przedmowa 13

ZADANIE 1 W temperaturze 700 K gazowa mieszanina dwutlenku węgla i wodoru reaguje z wytworzeniem pary wodnej i tlenku węgla. Stała równowagi reakcji

Inżynieria procesów przetwórstwa węgla, zima 15/16

Hydrodynamika warstwy fluidalnej trójczynnikowej

Prof. dr hab. inż. Grażyna Bartelmus Instytut Inżynierii Chemicznej PAN ul. Bałtycka Gliwice bartel@iich.gliwice.pl

- Dyfuzja / Konwekcja / Wnikanie / Przenikanie - Masy -

AUTOMATYKA I STEROWANIE W CHŁODNICTWIE, KLIMATYZACJI I OGRZEWNICTWIE L4 STEROWANIE KOLUMNĄ REKTYFIKACYJNĄ

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

BADANIE WYMIENNIKÓW CIEPŁA

BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Procesy mechaniczne: przepływy cieczy i gazów, opadanie cząstek w płynach

ĆWICZENIE NR 11 WNIKANIE MASY

Bioreaktory. Sterylizacja Pomiary Regulacja i sterowanie. M. Kamiński. Gdańsk 2016

WYMIANA CIEPŁA A PRZY ZMIANACH STANU SKUPIENIA

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESU PROJEKTOWANIA ODSTOJNIKA

Kryteria oceniania z chemii kl VII

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

III r. EiP (Technologia Chemiczna)

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Spis treści. Przedmowa WPROWADZENIE DO PRZEDMIOTU... 11

Destylacja z parą wodną

OFERTA TEMATÓW PROJEKTÓW DYPLOMOWYCH (MAGISTERSKICH) do zrealizowania w Katedrze INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

Zjawiska powierzchniowe

PLAN WYNIKOWY MASZYNOZNAWSTWO OGÓLNE

Wykład 2. Anna Ptaszek. 7 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 2. Anna Ptaszek 1 / 1

Zaawansowane techniki utleniania. Mokre utlenianie powietrzem Adriana Zaleska-Medynska. Wykład 9

Sonochemia. Schemat 1. Strefy reakcji. Rodzaje efektów sonochemicznych. Oscylujący pęcherzyk gazu. Woda w stanie nadkrytycznym?

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

Modele matematyczne procesów, podobieństwo i zmiana skali

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

KATEDRA INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH LABORATORIUM INŻYNIERII CHEMICZNEJ, PROCESOWEJ I BIOPROCESOWEJ

NAGRZEWANIE ELEKTRODOWE

Płyny newtonowskie (1.1.1) RYS. 1.1

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Katalityczne spalanie jako metoda oczyszczania gazów przemysłowych Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 18

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy

Miniskrypt do ćw. nr 4

Wykład 10 Równowaga chemiczna

Prężność pary nad roztworem

Wykład 13. Anna Ptaszek. 4 stycznia Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemia biopolimerów - wykład 13.

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy. -- Rektyfikacja. INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

Lista materiałów dydaktycznych dostępnych w Multitece Chemia Nowej Ery dla klasy 7

Aparatura i Instalacje. Przemysł owe

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

Wykład 5. przemysłu spożywczego- wykład 5

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

KIERUNKOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA Efekty przewidziane do realizacji od semestru zimowego roku akademickiego

WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

Polskie Normy opracowane przez Komitet Techniczny nr 277 ds. Gazownictwa

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Adsorpcyjne oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń związkami organicznymi

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

CHEMIA I GIMNAZJUM WYMAGANIA PODSTAWOWE

Wpływ ilości modyfikatora na współczynnik retencji w technice wysokosprawnej chromatografii cieczowej

Technika próżni / Andrzej Hałas. Wrocław, Spis treści. Od autora 9. Wprowadzenie 11. Wykaz ważniejszych oznaczeń 13

Realizacja wymagań szczegółowych podstawy programowej z chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej

Para pozostająca w równowadze z roztworem jest bogatsza w ten składnik, którego dodanie do roztworu zwiększa sumaryczną prężność pary nad nim.

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Zadanie: 1 (1pkt) Zadanie: 2 (1 pkt)

4 Ogólna technologia żywności

PL B1. Sposób epoksydacji (1Z,5E,9E)-1,5,9-cyklododekatrienu do 1,2-epoksy-(5Z,9E)-5,9-cyklododekadienu

SPIS TREŚCI Obliczenia zwężek znormalizowanych Pomiary w warunkach wykraczających poza warunki stosowania znormalizowanych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

Techniki immunochemiczne. opierają się na specyficznych oddziaływaniach między antygenami a przeciwciałami

SUBSTANCJE CHEMICZNE I ICH PRZEMIANY

Badanie właściwości związków powierzchniowo czynnych

Fazy i ich przemiany

Spis treści. Przedmowa do wydania trzeciego /11 CZĘŚĆ I. WPROWADZENIE / Procesy podstawowe w technologii żywności /14

Realizacja wymagań szczegółowych podstawy programowej w poszczególnych tematach podręcznika Chemia Nowej Ery dla klasy siódmej szkoły podstawowej

Chłodnictwo i klimatyzacja / Kazimierz M. Gutkowski, Dariusz J. Butrymowicz. wyd. 2-1 dodr. (PWN). Warszawa, cop

Bałtyckie Forum Biogazu

WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA PRZEZ KONWEKCJĘ

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Kierunek: Biotechnologia Kod przedmiotu: 4.3 Rodzaj przedmiotu: treści kierunkowych. Poziom kształcenia: II stopnia. Liczba godzin/tydzień: 1W, 1Ć

Wymagania przedmiotowe do podstawy programowej - chemia klasa 7

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW DOTYCHCZASOWYCH GIMNAZJÓW 2017/2018. Eliminacje szkolne

Zastosowanie programu DICTRA do symulacji numerycznej przemian fazowych w stopach technicznych kontrolowanych procesem dyfuzji" Roman Kuziak

AUTOREFERAT. A. Dane Podstawowe. 1. Imię i Nazwisko Robert Grzywacz

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ. Laboratorium PODSTAWY TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

Projektowanie Biznesu Ekologicznego Wykład 2 Adriana Zaleska-Medynska Katedra Technologii Środowiska, p. G202

Kompensatory stalowe. Produkcja. Strona 1 z 76

Szczegółowy opis treści programowych obowiązujących na etapie szkolnym konkursu przedmiotowego z chemii 2018/2019

TERMODYNAMIKA PROCESOWA

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA ZAKŁAD GEOINŻYNIERII I REKULTYWACJI ĆWICZENIE NR 4 OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKA STRAT LOEKALNYCH

POLITECHNIKA GDAŃSKA

Zakres badań wykonywanych w Zakładzie Badań Fizykochemicznych i Ochrony Środowiska zgodnie z wymaganiami Dobrej Praktyki Laboratoryjnej:

(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/JP02/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

RÓWNOWAGA CIECZ PARA W UKŁADZIE DWUSKŁADNIKOWYM

Wymagania edukacyjne na poszczególne roczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

Transkrypt:

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. 2016-17

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).

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)

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

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)

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

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

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

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

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.

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

prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

prof. M. Kamiński BIOREAKTORY

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

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

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

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

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

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 1 0 1 E d dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY

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

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

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

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

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

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

Bioreaktory airlift Literatura 1. M.Y. Chisti - Airlift bioreactors, Elsevier Applied Science, 1989 2. J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991 3. O. Levenspiel - Chemical Reaction Engineering, Wiley&Sons (3rd ed.) 1999 dr inż. I. Hołowacz BIOREAKTORY