Биореакторы колонные

Рис. 16.4. Разные типы биореакторов (упрощенная схема). Л. Реактор с механическим перемешиванием. Б. Барботажная колонна. В. Эрлифтный реактор с внутренней рециркуляцией. Г. Эрлифтный реактор с внешней системой рециркуляции. Стрелки — направление потока культуральной среды.

Рис. 3.27. Схема модели колонного биореактора с внешним циркуляционным контуром

Конструкционные особенности барботаж-ных колонн и эрлифтных биореакторов дают им некоторые преимущества перед реакторами с механическим перемешиванием. Пневматические реакторы более экономичны, поскольку [c.358]

Особенности моделирования колонных биореакторов заключаются в необходимости учета существенного влияния структуры жидкостных и газовых потоков на характер распределения концентраций микроорганизмов, субстрата и растворенного кислорода по высоте колонны. В целом математическая модель формируется согласно ранее рассмотренной схеме на рнс. 3.3 и включает следующие основные блоки гидродинамики, массообмена и кинетики. Конструктивное разнообразие колонных биореакторов обусловливает применение различных моделей структуры потоков, описывающих ситуацию, соответствующую либо режиму вытеснения, либо ячеечной схеме потоков, либо диффузионной модели [5, 19, 22]. [c.156]

Рис. 4.13. Стратегия оптимального расчета колонного биореактора

Представленные уравнения формируют модуль (блок) математической модели биореактора. На рис. 4.16 рассмотрена общая блочная схема стратегии оптимального расчета биореактора применительно к рассмотренному колонному аппарату. Алгоритм оптимального расчета реализован на ЭВМ СМ-4 и включает следующую последовательность вычислений [c.215]

Модели колонных биореакторов [c.156]

Устройства с инжектированием газа свободно падающими струями жидкостями целесообразно использовать в открытых бассейнах больших объемов (более 100 м ), например, для поверхностной аэрации воды в неглубоких аэротенках или в биореакторах с иммобилизованной микрофлорой [35]. Это же устройство может быть использовано в струйных аппаратах для окисления сульфитных щелоков (в целлюлозно-бумажной промышленности) и в ферментаторах (рис. б.7.4.2), работающих на разбавленных культуральных средах с содержанием редуцирующих веществ до 1,5 % [34]. Аэрационная часть аппарата представляет собой колонну, разделенную горизонтальными перегородками [c.530]

Для решения системы уравнений модели эффективно применение метода сведения краевой задачи к задаче Каши. При этом система уравнений решается методом Хемминга. Некоторые результаты расчета колонного биореактора на основе данной модели приведены на рис. 3.23. Модель предполагает рост микробных клеток в нелимитируемых по кислороду условиях, т. е. с учетом соотношения [c.157]

Секционированные колонные биореакторы. Применение секционированных по высоте колонных биореакторов для процессов биотехнологии связано с целым рядом преимуществ этих аппаратов возможностью организации заданной структуры газожидкостных потоков возможностью осуществления многостадийного процесса культивирования микроорганизмов высокой интенсивностью перемешивания среды п транспорта кислорода к клеткам. Известно [c.160]

При организации в колонных биореакторах внешних контуров теплообмена ячеечная модель дополняется соотношениями, учитывающими наличие циркуляционного потока. Схема модели, соответствующая этому варианту организации процесса, приведена на рис. 3.27. Согласно схеме возможна организация циркуляции среды субстрата в колонном биореакторе с заданным распределением по секциям. Это позволяет решить задачу управления условиями роста клеток в объеме каждой секции. Система уравнений модели для 1-й ячейки имеет вид [c.163]

Рис. 3.26. Сопоставление опытных и расчетных данных для колонного секционированного биореактора

Эрлифтные биореакторы, вообще говоря, более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в случае суспензий микроорганизмов с большой плотностью или вязкостью. Перемешивание в них более эффективно и проблема слипания пузырьков не столь велика. В особенно больших эрлифтных ферментерах, таких как ферментер на 1 500 ООО л фирмы I I (Англия), сконструированный для получения белков одноклеточных микроорганизмов, ддя прохождения клетками полного цикла в реакторе требуется весьма значительное время. Чтобы обеспечить их субстратами на все время их перемещения с током жидкости, субстраты вводились но всей длине реактора сразу во многих точках. [c.359]

С учетом рассмотренных математических моделей колонных биореакторов можно сформулировать общую стратегию оптимального проектного расчета аппаратов исходя из технико-экономического критерия [13]. При этом для заданной производительности биореактора по биомассе на основе модели определяются технологические показатели (время ферментации, нагрузка по субстрату, продуктивность, расходные коэффициенты), режимные показатели (скорость газа, циркуляционный поток, давление) и конструктивные показатели (высота колонны, число секций, объем аппарата). Затем оцениваются технико-экономические характеристики— затраты энергии на аэрацию и перемешивание, затраты на сырье, капитальные затраты, вычисляется общий технико-экономический критерий эффективности биореактора. [c.165]

Все биореакторы можно отнести к одному из трех основных типов реакторы с механическим перемешиванием, барботажные колонны, эрлифтные реакторы. В настояшее время в промышленности чаще всего используются биореакторы первого типа, но появляется интерес и к эрлифтным биореакторам. Механическое перемешивание обеспечивается с помощью механической мешалки, а в эрлифтных биореакторах для аэрации и перемешивания используют газ (обычно воздух), который подается под давлением через разбрызгиватель в дне сосуда. При этом во всем объеме происходит непрерывная циркуляция жидкой среды. Барботажные колонны сходны с эрлифтными реакторами, но их недостатком является отсутствие циркуляции культуральной среды. Для обеспечения стерильности, постоянства pH, температуры и других параметров используют разные способы в зависимости от дизайна биореактора. Для синтеза рекомбинантных белков применяют двухступенчатые процессы ферментации, осуществляемые в тандемных эрлифтных биореакторах или в одном реакторе с механическим перемешиванием. [c.368]

Гидродинамическая структура потоков в секционированном колонном биореакторе описывается ячеечной моделью с обратным потоком по жидкой фазе и моделью вытеснения по-газовой фазе [c.215]

Результаты оптимального проектного расчета колонного биореактора с плавающей насадкой на производительность 35 т биомассы в сутки [c.217]

Сравнительные показатели процесса биоочистки в колонном (башенном) биореакторе и бассейновом аэротенке [c.236]

В барботажных колоннах воздух подается под высоким давлением в нижнюю часть биореактора но мере подъема маленькие пузырьки воздуха объединяются, что приводит к неравномерному его распределению. Кроме того, подача воздуха под высоким давлением может привести к слишком сильному пенообразованию. Все это ограничивает универсальность данных конструкций и сужает диапазон реализуемых технологических условий, а также уменьшает возможный размер барботажных колонн. [c.359]

Если говорить о других условиях среды, то совершенно очевидно, что наиболее пригодны для использования в промышленности микроорганизмы с широкими диапазонами оптимумов pH, концентрации растворенного кислорода и температуры. Впрочем, частично эти трудности позволяют обойти техническое усовершенствование установок и улучшение контроля за условиями в них. Отметим, однако, что в некоторых новых конструкциях промышленных биореакторов, в частности в колонных аппаратах и в циклических системах под давлением, создаются значительные градиенты как физических параметров, так и концентраций питательных веществ. Если экономические преимущества подобных систем над более привычными достаточно велики, то для достижения высокой экономичности процесса в целом крайне важно, чтобы в нем принимали участие микроорганизмы, сохраняющие высокую продуктивность в быстро меняющихся условиях. [c.416]

Однако более общий случай распределения концентраций веществ но высоте колонного барботажного биореактора описывает диффузионная модель, область применения которой охватывает режимы прямоточного взаимодействия газового и жидкостного потоков и малых относительных скоростей газа и жидкости при противотоке. Параметром, характеризующим однопараметрическую диффузионную модель (в предположении о незначительной неравномерности перемешивания в радиальном направлении), является коэффициент осевого перемешивания или число Пекле Ре = тЬфь- Система уравнений модели имеет вид [c.157]

Рассмотрим далее пример модели колонного биореактора, описываемого диффузионной моделью, с учетом лимитирующего влияния на процесс ферментации концентрации растворенного кислорода. В этом случае на характер распределения рабочей концентрации кислорода в бпореакторе колонного типа оказывают влияние структура жидкостного и газового потоков, скорость транспорта кислорода из газа в жидкость, скорость утилизации кнсло- [c.158]

Результаты изменения текунцих концентраций биомассы, субстрата и растворенного кислорода но секциям колонного биореактора в зависимости от величины обратного потока иллюстрирует график на рис. 3.25, в. [c.163]

Гидродинамическая структура жидкостного потока в колонном биореакторе может соответствовать идеальному перемешиванию при наличии контура циркуляции, или приближаться к идеальному вытеснению при прямоточном взаимодействии барботируемого газа и питательной среды, что позволяет применять эти аппараты для широкого класса процессов культивирования аэробных микроорганизмов [20]. Необходимая величина скорости сорбции кислорода, с учетом потребления кислорода микроорганизмами, достигается в основном расходом газовой фазы и относительной скоростью движения газового и жидкостного потоков. В работах [5, 12, 20] рассмотрены примеры использования секционированных колонных бнореакторов в процессах микробиологического синтеза. В многоступенчатом колонном биореакторе, состоящем из секций, разделенных перфорированными тарелками, подача субстрата осуществляется на нижнюю тарелку, а вывод суспензии микроорганизмов — сверху. Дополнительно к турбулизацин жидкости барботируемым газом в ряде аппаратов применяется механическое пере.мешнванпе за счет лопастных мешалок, находящихся в каждой секции колонны и помещенных на центральной оси. Движение жидкости и газа в ферментере обычно противоточное. За счет дополнительного механического перемешивания каждая секция колонны работает как ячейка полного смешения. [c.206]

Экспериментальное исследование, выполненное в 6-секционной колонне диаметром 600 мм при ироведении процесса выращивания дрожжей на углеводородном субстрате [5], показало возможность использования рассмотренной модели для целей оптимизации режимных параметров и оптимального нроектнровання аналогичных биореакторов большего объема. Сопоставление опытных и рассчитанных ио модели данных показано на рис. 3.26. [c.163]

Наиболее интересной разработкой аппаратов эрлнфтного типа являются биореакторы с высоким эрлифтом фир.мы Ай-Си-Ай , конструктивные варианты которых изображены на рис. 4.9, а, б. В качестве формы реактора принята колонна 1 в виде бутылки . Соотношение поперечных сечений расширенной (восходящей) и суженной (нисходящей) частей находится в пределах от 3 1 до 8 1. Воздух подается [основное количество С1=(60 —80 %)Х ХРобщ] в нижнюю зону расширенной части колонны и сообщает жидкости восходящую скорость не менее Wl = lБ см/с (предпочтительно 20—80 см/с). Нисходящий корпус выполнен либо в виде отдельной колонны меньшего сечения (рис. 4.9, а), либо в виде кольцевой емкости, соосно расположенной с реакторной емкостью (рис. 4.9, б). В нисходящем корпусе отсепарированная от газовых пузырей жидкость опускается вниз со скоростью не менее W2 = = 1 м/с (предпочтительно 2—5 м/с). Часть воздуха [Сг=(20 — [c.200]

Принцип высокого эрлифта использован также при разработке бнореактора фирмы Хекст применительно к технологии получения бактериальной биомассы из метанола. К преимуществу данных аппаратов относится простота конструкции (полая колонна) и малые удельные энергозатраты (около 0,5 кВт - ч/кг О2). Однако использованпе этих биореакторов для процессов фермен- [c.201]

Широкое распространение в последние годы получили колонные биореакторы, секционированные по высоте тарелками различных конструкций. По сравнению с эрлифтнымн системами в таких аппаратах достигается более высокая скорость массопередачи кислорода за счет многократного взаимодействия газа и жидкости на тарелках. Движение газового и жидкого потоков может быть прямоточным нлн протнвоточным. [c.206]

Эффективным путем интенсификации массообменных процессов в колонных биореакторах за счет дополнительной турбулиза-ции среды и выравнивания профиля концентраций по сечению колонны является способ проведения процесса ферментации в присутствии плавающей насадки. Проведены экспериментальные и теоретические исследования работы колонного биореактора с плавающей насадкой, показавшие его высокую эффективность при проведении различных процессов микробиологического синтеза, в том числе при выращивании кормовых дрожжей на гидролизном и углеводородном субстрате, при культивировании мицелиальных культур, получении бактериальной биомассы и др. [c.207]

Достигаемая в разработанном колонном секционированном биореакторе с плавающей насадкой (рис. 4.14) продуктивность составляет 4,5—5,2 кг/(м -ч) при выращивании дрожжей на н-па-рафинах н 6,2—6,6 кг/(мЗ-ч) при использовании мелассы в качестве субстрата [7]. Удельные энергозатраты на 1 кг биомассы составляют соответственно 2,2—2,3 кВт-ч/кг и 1,0—1,1 кВт-ч/кг биомассы. Промышленный колонный бнореактор такого принципа действия объемом 900 м обеспечит получение 50 т биомассы дрожжей из н-парафинов в сутки. [c.207]

В табл. 4.4 представлены результаты текущих (1, 2) и оптимального (3) расчета колонного секционированного биореактора с плавающей насадкой для заданной суточной производительности 35 т биомассы дрожжей из углеводородов при ограничениях 5 0,3 г/л Сь О, 1С. Расчеты выполнены на ЭВМ СМ-4 (язык — Фортран-4, система-Рафос). [c.216]

Все большее распространение для биологической очистки получают колонные биореакторы, позволяющие за счет гидравлического давления столба жидкости значительно улучшить условия снабжения кислородом микроорганизмов активного ила. Это в свою очередь приводит к заметной интенсификации процесса, снижению энергетических и эксплуатационных затрат. Так, по данным [23] при практически равных удельных капитальных затратах на 1 т БПКб для колонного (башенного) биореактора и традиционного бассейнового аэротенка удельные энергозатраты в первом случае почти в 2 раза ниже, что иллюстрируют приведенные в табл. 4.8 показатели. [c.236]

Оценивая транспорт кислорода из газовой фазы в жид КОСТЬ в микробиологических реакторах, Эндрью (Andrew, 1982) высказал мнение, что при конструировании любых промышленных аэробных биореакторов, в том числе больших тэнков с мешалками, их можно рассматривать как аппараты колонногО типа со свободным прохождением пузырьков газа по высоте аппарата. Крупные биореакторы-тэнки с мешалками относят к категории вышеупомянутых биореакторов, основываясь на явлении массопереноса, а также в связи с тем, что при обычной лромышленной энергоемкости мешалка, не способна создавать рециркуляцию жидкости, достаточную для возврата пузырьков стремящихся выйти на поверхность жидкости. [c.445]

Все эти соображения относятся и к пневматическим реакторам типа барботажньгх колонн и эрлифтньгх биореакторов. Таким образом, обеспечение стерильности, постоянства pH и температуры - ключевые требования при любом способе культивирования независимо от конструкции биореактора. [c.358]

Подд,ержание заданных параметров — дело не простое, когда непрерывно изменяются условия культивирования биообъекта вследствие многокомпонентности исходной питательной среды и культуральной жидкости на заключительной стадии ферментации, изменения pH в процессе роста, размножения и развития биообъекта, сложности регуляторных механизмов при биосинтезе целевых продуктов, к тому же возможно — нестабильных, различный уровень структурно-функциональной дифференцировки акариот, прокариот и эукариот, и пр Лишь при эксплуатации в колоннах иммобилизованных ферментов аппаратурное оформление технологических процессов существенно отличается от оформления процессов, когда используют, прежде всего, специальные биореакторы [c.291]

В зависимости от вида и потребностей клеток их культивируют в разных биореакторах (с механическим перемешиванием, колонного типа с перемешиванием (рис 110)) Фирма "Sigma" (США) выпускает мембранные наборы (Rafts) для растительных культур тканей, что помогает исключить ингибиторы, нередко присутствующие в агар-агаре и других желирующих агентах Мембранные наборы (Rafts) предназна- [c.342]

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или С помощью- коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной акклиматизации очистной системы к повышенной скорости-поступления стоков и последующего поддержания скоростй потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше ис--пользовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы. [c.290]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология