BIOREAKTORYW - 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

WCh PG prof. M. Kamiński r. ak. 2016-17

Rodzaje bioreaktorów

Reaktor zbiornikowy

Reaktor rurowy

Reaktor wielodziałowy

Reaktory „air lift”

Zbiornikowy z mieszaniem – okresowy Zbiornikowy z mieszaniem – półciągły

Badanie dynamiki „obiektu”, w tym bioreaktora, to określenie odpowiedzi na skokowe / impulsowe / prostokątne –„wymuszenie” – metoda matematycznego przewidywania / doświadczalnego opisu czasu zatrzymania, dyspersji , efektywnej dyfuzji

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

b) Model przepływu tłokowego

m 0

a) Model idealnego wymieszania

Funkcje rozkładu czasu przebywania

E() – funkcja gęstości prawdopodobieństwa czasu przebywania; widmo rozkładu

czasu przebywania

F() - funkcja rozkładu/dystrybuanta czasu przebywania;

dEF 0

00 F 1F

1

0

dE

00

dFdEm

Rozkład czasu przebywania – residence time distribution RTD

Metody znacznikowe:

- skokowa

- impulsowa

m

m

A

A

dla

dla

c

cFF

1

0

0

Metoda skokowa

expFF 1Idealne

wymieszanie

Przepływ

tłokowy

m

J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991

m

m

A

Am

dla

dla

c

cEE

01

0

Metoda impulsowa

expEE m

Idealne

wymieszanie

Przepływ

tłokowy

J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991

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

Model dyspersyjny

Pe

Pe 0 Idealne

Wymieszanie

Przepływ

tłokowyLD

LuPe

J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991

Pe

21

Bioreaktory airlift

reaktory airlift z

cyrkulacją zewnętrzną

reaktory airlift z

cyrkulacją wewnętrzną

doprowadzenie gazu

strefa separacji – top zone

strefa wznoszenia – riser

strefa opadania – downcomer

strefa przydenna – bottom zone

odprowadzenie gazu

doprowadzenie gazu

strefa separacji – top zone

strefa wznoszenia – riser

strefa opadania – downcomer

strefa przydenna – bottom zone

odprowadzenie gazu

M.Y. Chisti - Airlift bioreactors, Elsevier Applied Science, 1989

Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej

CLL

L

tD

L

D

LuBo

2

t

tiR

c

cc

C

i

t

t

CL

t

Lu

L

lZ i

Ct

i

R

ZiBoexp

BoC

44

2

Bioreaktory airlift – mieszanie w fazie ciekłej

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 3

321 VVV

321 RRR uuu

321 RRR DDD

321 RRR uuu

1 2 3

P. Weiland, Influence of draft tube diameter on operation behaviour of airlift loop reactors.

Ger.Chem.Eng. 7, 1984

𝜀 =𝑉0𝑉𝑐

=𝑉0

𝜋𝑑𝑐2

4 ∙ 𝐿𝑐

𝑢 =𝐿𝑐𝜏𝑜

= 𝑉

𝜋𝑑𝑐2

4 ∙ 𝜀[𝑚

𝑠]