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:

vобщ = h(ss, ps)v(ss, ps) (1)

Здесь ss и ps – 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 ss, так и от ps.

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

4pR2ks(s–ss) = 4/3pR3h(ss, ps)v(ss, ps) (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 emax, равную приблизительно 0,3, то поднимающиеся через слой жидкости газовые пузырьки коалесцируют вплоть до образования воздушных пробок. В любой точке башни

FG = uGept2/4 (3)

Здесь FG и uG – объемная и линейная скорости потока газа соответственно. Достаточно обоснованно можно принять, что uG = ut удельного газового пузырька в неперемешиваемой жидкости и что FG приблизительно равно скорости поступающего в реактор газа FGf. 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.