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.

2. Устройство и принципы работы биохимических реакторов

2.1. Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора

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:

v _общ = h(s_s , p_s )v(s_s , p_s ) (1)

Здесь s_s и p_s – 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 s_s , так и от p_s .

Математический балланс по сустрату в сферический частице катализатора радиусом R в стационарном состоянии будет выражаться уравнением:

4pR² k_s (s–s_s ) = 4/3pR³ h(s_s , p_s )v(s_s , p_s ) (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.

2.2. Биореакторы типа барботажных колонн

Биореакторы типа барботажных колонн – реакторы с большим отношением высоты к диаметру, перемешивание в них осуществляется за счет восходящего потока газа, подаваемого в реактор под давлением. В некоторых случаях применяют только одну колонну, которую иногда снабжают внутренними тарелками или даже перемешивающими устройствами на отдельных или всех ступенях.

Колонные реакторы могут функционировать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. В последнем случае возможны два варианта, в первом из которых направление потоков жидкой фазы и газа параллельны (т.е. совпадают), а во втором варианте используется принцип противотока. В эрлифтных реакторах с помощью наружного устройства осуществляется циркуляция жидкой фазы. Рециркуляционные устройства обеспечивают высокоэффективный теплообмен, необходимый в крупномасштабных микробиологических процессах с участием парафиновых или метанольных субстратов. Рециркуляционное устройство, кроме того, способствует формированию устойчивой структуры течений и определенных характеристик перемешивания в реакторе.

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 e_max , равную приблизительно 0,3, то поднимающиеся через слой жидкости газовые пузырьки коалесцируют вплоть до образования воздушных пробок. В любой точке башни

F_G = u_G ept ² /4 (3)

Здесь F_G и u_G – объемная и линейная скорости потока газа соответственно. Достаточно обоснованно можно принять, что u_G = u_t удельного газового пузырька в неперемешиваемой жидкости и что F_G приблизительно равно скорости поступающего в реактор газа F_Gf . Последующее допущение основывается на том факте, что поглощающийся из пузырьков кислород по меньшей мере частично замещается на углекислый газ.

Достаточно малый размер пузырьков по всей высоте колонны обеспечивают ситчатые тарелки и/или перемешивающие или другие внутренние устройства, разрушающие все воздушные пробки и таким образом способствующие сохранению высокой величины площади контакта между газовой и жидкой фазами.

На рисунке 12 представлена схема, положенная в основу математической модели башенного реактора с рециркуляционным устройством и с параллельными потоками газовой и жидкой фаз (биореактор эрлифтного типа). В собственно башне реактора (на рисунке изображенной справа) в одном направлении движутся потоки жидкой и газовой фаз. В верхней части башни газ отделяется, а жидкая фаза через рециркуляционное устройство (изображенное слева) возвращается в нижнуюю часть реактора, где расположено барботирующее устройство.

2.3. Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора

Процессы в псеводоожиженном слое катализатора обычно осуществляют в реакторах колонного типа, рассмотренных в предыдущем разделе, поэтому если такие процессы включают подачу или отвод газа, то расчет газовых потоков и массопереноса должен выполняться так, как было только что описано. В то же время в реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора появляется еще одна фаза.

В башенном реактрое с псевдоожиженным слоем катализатора поток жидкости направлен снизу вверх по высокому вертикальному цилиндру. Частицы нерастворимого биокатализатора (скопления микроорганизмов, частицы иммобилизованных ферментов или клеток) суспендируются, увлекаемые восходящим потоком жидкости. Вовлеченные в этот поток частицы катализатора в верхней расширяющейся части реактора прекращают подъем и затем вновь возвращаются в башню. Если тщательно подобрать режим работы реактора с учетом характеристик организма, то биокатализатор удается удерживать в реакторе, несмотря на то, что через реактор неперерывно протекает среда.

Например, в башенных ферментерах, использующихся в непрерывных процессах пивоварения, создается определенный градиент концентрации дрожжевых клеток по высоте башни, причем бвлизи от дна реактора концентрация микроорганизмов может достигать 35%, а в верхней части башни этот парамент снижается до 5-10%. Более того, в зависимости от высоты в реакторе постепенно изменяются и характеристики среды. Так, вблизи зоны поступления исходных питательных вещств превращениям подвергаются прежде всего легко ферментируемые сахара, что приводит к снижению плотности среды. В средней и верхней зонах башни скопления дрожжевых клеток трансформируют мальтотриозу и отчасти мальтозу. Такая картина, характеризующаяся быстрыми реакциями в начальной стадии процесса и последующими более медленными реакциями с участием менее "удобных" субстратов, согласуется с экспериментальными данными, предствленными на рисунке 13.

Рудиментарная модель реактора с псеводоожиженным слоем катализатора может быть разработана, если допустить, во-первых, что частицы биологического катализатора (хлопья скоплений микроорганизмов или частицы иммобилизованного фермента) однородны по форме и размерам; во-вторых, что плотность жидкой фазы является функцией концентрации субстрата; в-третьих, что движение жидкой фазы в реакторе осуществляется в режиме полного вытеснения; в-четвертых, что реакция утилизации субстрата имеет первый порядок по биомассе, но нулевой порядок по субстрату; в-пятых, что числа Рейнольдса частиц катализатора, рассчитанные по их конечной скорости, достаточно малы, так что движение частицы может быть описано законом Стокса. Четвертое и пятое допущение достаточно обосновнны во многих ситуациях; первое, второе и третье в ряде случаев так же могут быть оправданы.

При указанных допущениях скорость утилизации субстрата можно описать уравнением типа:

d(su)/dz = – kx,

или

u ds/dz + s du/dz = – kx (4)

Если движение частиц (клеток) описывается законом Стокса, то зависимость концентрации суспендированной биомассы от скорости потока жидкости в псевдоожиженном слое должна подчиняться уравнению:

x = r₀ [1 – (u/u_t )]^1/4.65 (5)

Здесь r₀ – плотность культуры микроорганизмов (масса сухого клеточного вещества в единице объема), а u_t – конечная скорость сферы в стоксовом потоке.

Любое именением плотности жидкой фазы мало сказывается на величине u . Если и не зависит от положения в реакторе, то уравнение (4) можно проинтегрировать непосредственно и таким путем получить

s_c = s_f – k r₀ [1 – (u/u_f )^1/4.65 ]*L/u (6)

Здесь L – высота башни; при выводе этого уравнения принималось, что х определяесят уравнением (5). Отражаемая уравнением (6) линейная зависимость концентрации субстарата от среднего времени реакции L/u (если допустить, что r так же линейно зависит от s ) действительно наблюдается по меньшей мере на некоторых участках соответствующей кривой (рис. 13).

Основным недостатком этой модели является обезличивание субстратов. Действительно, в обсуждаемой модели различные сахара, утилизируемые в ходе анаэробного спиртового брожения, сгруппированы в некий гипотетический единый и средний субстрат. При таком подходе исключается возможность учета эффекта глюкозы, играющего очень важную роль в процессах пивоварения в башенных ферментерах непрерывного действия.