Типичная зависимость изменения концентрации субстрата во времени в многосекционном аппарате представлена на рисунке 4г.
К аппаратам с промежуточным гидродинамическим режимом относятся большинство ферментеров колонного типа.
Реактор, как аппарат, в котором протекает основной процесс биотехнологии – образование нового продукта в результате сложного взаимодействия исходных веществ, должен работать эффективно, то есть обеспечивать требуемую глубину и избирательность биохимического превращения. Следовательно, биохимический реактор должен удовлетворять ряду различных требований: иметь необходимый реакционный объем, обеспечивать определенный гидродинамический режим движения реагентов, создавать требуемую поверхность контакта взаимодействующих фаз, поддерживать необходимый теплообмен в процессе, режим аэрации и т.д.
В промышленных условиях важнейшее значение приобретает не только скорость биохимического превращения вещества, но и производительность аппаратуры, поэтому выбор типа и конструкции оборудования является одним из главных и отвествтвенных этапов реализации химико-технологического процесса.
По конструкции биохимические реакторы классифицируются следующим образом:
- реакторы емкостного типа (типа реакционной камеры);
- реакторы типа колонны;
- реакторы трубчатого типа;
- реакторы пленочного типа;
- реакторы мембранного типа;
- реакторы с псевдоожиженным слоем (рис. 8).
Конструктивный тип реактора зависит от условий проведения процесса и свойств участвующих в нем веществ.
К важнейшим из факторов, определяющий устройство реактора, относятся: агрегатное состоянияние исходных веществ и продуктов реакции, а так же их биохимические и микробиологиеческие свойства; температрура и давление, при которых протекает процесс; тепловой эффект процесса и скорость теплообмена; интенсивность переноса массы (массообмен), перемешивания реагентов; непрерывность или периодичность процесса; удобство монтажа и ремонта аппаратуры, простота его изготовления; доступность конструкционного материала и т.д.
Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказывает наибольшее влияние на принцип организации движения взаимодействующих фаз и определяет конструктивный тип реакционного устройства. Кроме того, от этого фактора зависит выбор некоторых основных и вспомогательных деталей аппарата, таких как, например, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и др.
С точки зрения определения технологических возможностей биохимических реакторов целесообразно систематизировать с учетом основных гидродинамических и массообменных показателей. Эти показатели будут в значительной мере зависеть от количества и способа подвода энергии на перемешивание и аэрацию в реакторах. В соответствии с этим все биохимические реакторы (ферментеры) могут быть отнесены к трем группам.
Реакторы с подводом энергии через газовую фазу (рис. 9). Эта группа аппаратов отличается простотой конструкции и надежностью эксплуатации, так как отсутствуют движущие детали и узлы. К таким аппаратам относятся, например, барботажные эрлифтерные ферментеры.
Реакторы с подводом энергии через жидкую фазу (рис. 10). Характерным конструктивным признаком таких аппаратов является наличие самовысасывающего элемента, или насоса. К этой группе аппаратов можно отнести, например, ферментеры с самовысасывающими перемешивающими устройствами, с эжекционной системой перемешивания и аэрации, с внешним циркуляционных контуром.
Реакторы с комбинированным подводом энерги (рис. 11). Основной конструктивных элемент таких аппаратов – перемешивающее устройство, обеспечивающее высокоэффективное диспергирование и гомогенизацию. К этой группе относятся высокоинтенсивные аппараты с механическим перемешиванием и одновременно барботажем сжатым воздухом.
Биохимический реактор имеет ряд устройств и даже целых узлов, с помощью которых к нему присоединяются основное и вспомогательное оборудование, а так же арматура и контрольно-измерительные приборы.
Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, что в ближайшее время область их применения существенно расширится. В таких реакторах, называемых реакторами с неподвижным слоем катализатора, с помощью иммобилизованных ферментов осуществляют изомеризацию глюкозы, частичный селективный гидролиз пенициллина, селективное расщепление смеси производных рацемических аминокислот. В реакторах с неподвижным слоем изучались также процессы с участием иммобилизованных клеток.
В простейшем и часто довольно успешно применяющемся математическом описании работы реактора с неподвижным слоем катализатора в основу положена модель реактора полного вытеснения, модифицированная с целью учета влияния каталитической насадки на структуру течений и кинетику реакций. Поверхностную скорость потока через реактов определяют как объемную скорость потока исходных веществ, отнесенного к площади поперечного сечения пустот, которое представляет собой произведение общей площади поперечного сечения колонны на долю пустот e.
Для простой реакции S→T, протекающей с собственной скоростью v = v (s, p), скорость образования продукта в единице объема гранулы иммобилизованного катализатора в какой-либо определенной точке реактора равна:
vобщ = h(ss, ps)v(ss, ps) (1)
Здесь ssи ps – концентрации субстрата и продукта соответственно на наружной поверхности частицы катализатора в данной точке объема реактора. Как указано в уравнении (1), в общем случае коэффициент эффективности h, определяющий скорость диффузии в частицу катализатора, и скорость реакции v зависят как от ss, так и от ps.
Математический балланс по сустрату в сферический частице катализатора радиусом Rв стационарном состоянии будет выражаться уравнением:
4pR2ks(s–ss) = 4/3pR3h(ss, ps)v(ss, ps) (2)
или: Скорость диффузии субстрата из жидкой фазы = скорости трансформации субстрата внутри частицы в результате реакции.
Преобразование и подстановка величин уравнений (1) и (2) дает выражение, позволяющее определить общую скорость утилизации субстрата, отнесенную к единице объема частиц катализатора, если известна концентрация субстрата в жидкой фазе.
Течение вокруг частицы, составляющих слой насадки, и особенно смешения жидкой фазы в пустотах между частицами создают обратное смещение, которое может вызвать отклонение от режима полного вытеснения. В таких случаях можно применять дисперсионную модель или модель на основе каскада реакторов. Влияние небольшой дисперсии на работу реактора в сравнении с режимом идеального вытеснения мы уже обсуждали при изучении стерилизаторов.
При достаточной плотности культуры быстро растущих аэробных организмов общая скорость клеточного роста обычно лимитируется скоростью переноса кислорода из газовых пузырьков в жидкую фазу. Анализ переноса кислорода, лимитирующего скорость всего процесса, требует сведений о параметрах перемешивания газовой и жидкой фаз в башне. Жидкая и газовая фазы в барботажной колонне полностью пермешиваются, если скорость газового потока намного выше скорости течения жидкой фазы и если высота башни близка к ее диаметру. В случае более обычных высоких колонн необходимую скорость переноса кислорода можно определить по уравнению (2) при L = z.
В интегральной форме уравнение (2) справедливо при практически постоянной величине удельной площади межфазовой поверхности а по всей высоте колонны. Это требование выполняется только при сохранении пузырьковой структуры газового потока. Эксперименты с системой воздух-вода показали, что если объемная доля газа e превышает критическую величину emax, равную приблизительно 0,3, то поднимающиеся через слой жидкости газовые пузырьки коалесцируют вплоть до образования воздушных пробок. В любой точке башни
FG= uGept2/4 (3)
Здесь FG и uG – объемная и линейная скорости потока газа соответственно. Достаточно обоснованно можно принять, что uG= utудельного газового пузырька в неперемешиваемой жидкости и что FG приблизительно равно скорости поступающего в реактор газа FGf. Последующее допущение основывается на том факте, что поглощающийся из пузырьков кислород по меньшей мере частично замещается на углекислый газ.