Noworyta, inżynieria bioreaktorów, rodzaje i opis bioreaktorów.docx

1. Charakterystyka i równanie mieszalnikowego bioreaktora okresowego
-duża szybkość reakcji; -czas jałowy(wada); -mała wielkość produkcji; -słaba standaryzacja produktu; -dobra elastyczność produkcji; -trudne pomiary i regulacja(bo parametry się zmieniają); -użyteczny przy złożonych wymaganiach hodowli; -sterylizacja in vivo (w ramach czasu jałowego)

    brak wejścia i wyjscia

0strumieńmasy nawejsciu(strumień dopływu substratu)=0wyj+VR⋅rSto co przereag(strumieńreakcjisubstratu)+VR⋅dCSdtakumulacja
 

dt=-dCSrS
tr=-CSOCSKdCSrS=CSKCSOdCSrS
tr=CSO∝S=0∝SKd∝srS=CSO∝S=0∝SKd∝sK⋅CSO(1-∝)

2. Czas przebywania w reaktorze
Rzeczywisty czas przebywania reagentów w reaktorze jest ważnym parametrem w projektowaniu reaktorów i zależy od rodzaju przepływu

τ=VRV=CSO-CSKrS

τreaktorciągły>trreaktorokresowyw danym zakresie stężeń

Proces okresowy ma czas jałowy (bezproduktywny)

Do wyznaczenia rozkładu czasu przebywania służą 2 metody:

-impulsowa: wpuszczamy impuls (odnośnik), mierzymy po jakim czasie pojawi się na wylocie z reaktora (wszystkie cząsteczki w tym samym czasie)

-skokowa: wpuszczamy barwnik, który się miesza i mierzymy, po jakim czasie na wylocie będzie tylko barwnik

Czas przebywania mierzymy znacznikami. Do reaktora wstrzykujemy znacznik i patrzymy co się dzieje. Znacznikiem może być barwnik, izotop, elektrolit.

θczasbezwymiarowy=tτ

3. Charakterystyka i równanie mieszalnikowego bioreaktora o działaniu ciągłym

-mała szybkość reakcji; -brak czasu jałowego; -duża wielkość produkcji; -dobra standaryzacja produktu; -słaba elastyczność produkcji; -łatwe pomiary i regulacja; -mniej użyteczny przy złożonych wymaganiach hodowli; -niezależna sterylizacja (wymagany dodatkowy sterylizator)
 

V⋅CSOto cowpływa=V⋅CSKto cowyplywa+Vr⋅rSto co przereag+∅brak akumulacji(w stanie ustalonym,VR=const)
V(CSO-CSK)=VR⋅rS              rS- stałe, bo stężenie jest stałe

VRV=CSO-CSKrS

τ=VRV=CSO-CSKrS(CSK)

4. Kaskada reaktorów mieszalnikowych – matematyczny opis, co zyskujemy i dlaczego oraz jakim kosztem
 

Celem utworzenia kaskady reaktorów jest poprawa charakterystyki reaktora. W efekcie czas przebywania ulega skróceniu. Im więcej stopni w kaskadzie, tym lepiej (ponieważ, gdy n→∞, zbliżamy się do reaktora okresowego). Jednak, gdy jest ich zbyt dużo, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne rosną. Dlatego najkorzystniej jest gdy nє(2,4)

Kupuje się takie same reaktory, bo potem łatwiej wymieniać im części. W każdym reaktorze szybkość reakcji jest inna, Największa w 1, średnia w 2, mała w 3. W jednym reaktorze wszystko przereaguje z tą samą najmniejszą szybkością. Gdy mamy kaskadę mamy większa, średnią i mniejszą szybkość. Czyli ogólnie jest szybciej.

VRV=τ1=CSO-CS1r(CS1)
VRV=τ2=CS1-CS2r(CS2)

VRV=τ3=CS2-CSkr(CSk)
τ1+τ2+τ3<τgdyby zamiastkaskady był1 reaktor              ;  ponieważ jest inny układ stężeń

τS=τ1+τ2+τ3

5. Charakterystyka i równanie bioreaktora kolumnowego/rurowego z przepływem tłokowym

-najwydajniejszy pod względem czasu; -główne reaktory w przemyśle wielkich syntez chemicznych; -płyn nie może być zanieczyszczony, bo reaktor będzie działać jak filtr (gdyż zwykle jest wypełniony katalizatorem); -utrudnione wstrzykiwanie mediów korygujących skład; -problemy z wymianą ciepła; -duża szybkość reakcji (równa okresowemu); -brak czasu jałowego; -bardzo duża wielkość produkcji; -dobra standaryzacja produktu; -słaba elastyczność produkcji; -mniej użyteczny przy złożonych wymaganiach hodowli; -niezależna sterylizacja (wymagany dodatkowy sterylizator)

Jest to najszybszy reaktor, wydajny, wykorzystywany w petrochemii. Nie ma czasu jałowego. Najlepszy dla gazowych substratów. Ma 2 wady: trudno wymienia się w nim ciepło. Trudno jest wstrzyknąć tzw. korektę. Dodatkowo, gdy mamy im mobilizowany katalizator, to płyn musi być czysty, bez zawiesin, bo się zatyka. Czyli bardzo rzadko stosowany w biotechnologii.

6. Bioreaktor membranowy- charakterystyka, wady i zalety

-umożliwia regenerację enzymu (jego wielokrotne wykorzystanie) i prowadzenie procesów ciągłych; -jednoczesna możliwość immobilizacji i separacji składników mieszaniny reakcyjnej; -zatrzymuje enzym i substrat (gdy brak inhibicji substratowej); -przepuszcza produkt; -wadą, jest to, ze membrany lubią się zatykać

7. Czas jałowy i jego znaczenie przy dobieraniu typu bioreaktorów

Czas jałowy jest to czas bezproduktywny, występujący w procesie okresowym

Tok=Ntr+tjTcg=VzbV⋅τ
TokTcg=VzbV⋅(tr+tj)VzbV⋅τ=tr+tjτ=trτ>1+tjτ>0

TokTcg=1→objętnie

TokTcg<1→krócej okresowy
TokTcg>1→krócej ciagły

8. Budowa i działanie bioreaktora mikrobiologicznego

Zawsze jest wielofazowy: {-komórki tworzą I fazę; -powietrze potrzebne aerobom w II faza; - czasem pożywka jest w postaci innej fazy; }àodpowiednie mieszanie zapewnia pseudohomogeniczność
I rozpuszczenie tlenu w wodzie; II poprzez mieszanie tlen zbliża się do mikroba; III mikroorganizm przyswaja tlen (korzystnie, gdy jest dużo małych pęcherzyków); W takim reaktorze zachodzi przemiana mikrobiologiczna S+Xà(1+Yx/s)*X

0to co wch=0to cowych+VR⋅rSto coprzereag+dsdt⋅VRakumulacja

rS=-dsdt; rX=dxdt→rXrS=YX/S

9. Bilans przepływowego bioreaktora mikrobiologicznego

Komórki już są w bioreaktorze, wiec na wejściu nie ma biomasy

...