- Typu „air lift” –z przepływem zawiesiny osadu - Zbiornikowych z mieszaniem – okresowych BIOREAKTORY

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

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 (D_eff) 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



 





 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;

      



d E F ^



0

 

F F

 

 

0









  













0 0











^{E d dF}

Rozkład czasu przebywania – residence time distribution RTD

Metody znacznikowe:

- skokowa - impulsowa

   







 





m m A

A

dla dla c

F c

F  



 

 1

0

0

Metoda skokowa

 

 

 

F 1

Idealne

wymieszanie

Przepływ tłokowy

m

J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991

   

 







 







m m A

A

m

dla

dla c

E c

E  





 



 ^{1 0}

0

Metoda impulsowa

 

 

 

E _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

Wymieszanie Przepływ tłokowy

D

L Pe u 



J. Szarawara - Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT 1991

Pe 1  2

 

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

C L L

L

t D

L D

L Bo u

 2







t ti

R c

c c

C i

t

 t



C L t u  L

L Z  lⁱ

tC



 



 



  

 



i R

Z i exp Bo

C Bo







 4

4

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

3 2

1 V V

V    

3 2

1 R R

R u u

u  

3 2

1 R R

R D D

D  

3 2

1 R R

R u u

u  

1 2 3

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

Ger.Chem.Eng. 7, 1984

𝜀 = 𝑉₀

𝑉_𝑐 = 𝑉₀ 𝜋𝑑𝑐²

4 ∙ 𝐿_𝑐

𝑢 = 𝐿_𝑐

𝜏_𝑜 = 𝑉 𝜋𝑑𝑐²

4 ∙ 𝜀

[𝑚 𝑠 ]