Ingineria proceselorProf.dr.ing. NISTOR Ileana DenisaC4

2.9. REACTORUL CU REGIM DINAMIC

Acest tip de reactor funcioneaz n regim continuu prin echilibrarea debitelor de intrare a reactanilor i de evacuare a produilor (care pot conine, cu siguran, anumite cantiti de reactani neconvertii). Regimul continuu ine cont de transformarea reactanilor fr acumulare de materie n interiorul reactorului (figura 5).

Bioreactoarele de acest tip ofer o eficacitate remarcabil i posibilitatea de reciclare a mediului de cultur i sunt foarte folosite n fabricarea aa-numitului IZOSIROP, sirop alimentar i dietetic cu un coninut ridicat de fructoz, folosind ca materie prim amidonul de porumb.

2.10. BIOREACTORUL CU DISCURI ROTATIVE

O reprezentare schematic a bioreactorului cu discuri rotative este ilustrat n figura 6. Principiul de funcionare este relativ simplu i const n instalarea unor discuri rotative pe suprafaa crora sunt cultivate i imobilizate microorganisme; exist variante ale acestui tip de reactoare care folosesc discuri cu enzime imobilizate.

Aceste discuri, prin rotirea lor, sunt supuse unor impregnri i aerri (absorbii de oxigen) succesive prin imersie periodic n dou faze distincte (mediu lichid i aer). Acest tip de bioreactor este foarte folosit n biotehnologii, n special n procedeele de epurare a efluenilor apoi prin oxidarea biologic.

2.11. REACTORUL VERTICAL CU TALERE PERFORATE

Reactorul vertical cu talere perforate, prezentat n figura 7, pune n contact mediul de cultur cu un curent de aer ce poate circula:- fie n contra-curent (circuitul a);- fie n echi-curent (circuitul b).

Acest utilaj funcioneaz ca un reactor mixt ce regrupeaz att caracteristicile reactorului cu regim continuu ct i cele ale reactorului cu amestecare perfect.

1. Principalele avantaje ale reactorului sunt: - un bun transfer de mas datorit mbuntirii eficienei contactului prin circulaia n contra-curent i agitare simultan;- posibilitatea introducerii oxigenului (aerului) la toate nivelele;- reducerea pierderilor ce se datoraz evaporrii.

2. Inconvenientele majore sunt:- un cost relativ ridicat datorit complexitii dispozitivelor anexate;- curirea utilajului este relativ dificil;- o ntreinere relativ dificil datorit geometriei utilajului.

2.12. BIOREACTOARELE AIR-LIFT

Aceste reactoare funcioneaz pe principiul amestecrii mediului de reacie prin circularea forat a aerului (figura 8).Cantitatea de aer furnizat reactorului satisface nevoile proceselor biochimice i, n acelai timp, cerinele unei amestecri continue a mediului de reacie prin formare de turbulene. Bioreactoarele air-lift pot fi construite n dou moduri diferite:- fie sub form de doi cilindri concentrici (tip A,B i D);- fie sub forma unei bucle exterioare de circulare (tip C).

n funcie de modul de instalare a generatoarelor de bule de aer, n raport cu pereii lichidului central,deplasarea lichidului de reacie poate fi:

- central - ascendent i lateral descendent (tip A);- central - descendent i lateral ascendent (tip B i D).Cilindrul central impune lichidului o direcie de micare i mrete turbulena mediului precum i suprafaa de contact dintre fazele lichide i gazoase.

2.13. BIOREACTORUL VERTICAL CU MULTITREPTE

Bioreactorul vertical cu multitrepte este un utilaj folosit pentru fabricarea berii. Dioxidul de carbon folosit asigur amestecarea lichidului de fermentare (figura 9). Partea superioar a utilajului este dotat cu plci de separare (site) a lichidului i a dioxidului de carbon, care formeaz o zon fr reflux la evacuarea berii din utilaj.

2.14. BIOREACTORUL DE TIP CILINDRU-CON

Reactoarele de tip cilindru-con sunt foarte folosite n tehnologiile de obinere a berii; ele sunt relativ uor de ntreinut i de curat. Principiul de funcionare se bazeaz pe deplasarea lichidului i asigurarea amestecrii mediului de reacie cu ajutorul bulelor de dioxid de carbon (figura 10).Micarea ascendent a bulelor de dioxid de carbon favorizeaz amestecarea mediului de reacie i a biomasei. Trebuie semnalat faptul c procesele de obinere a berii necesit o fermentare n dou trepte, n timpul crora sistemul este alimentat n continuu cu dioxid de carbon.

2.15. BIOREACTOARE CU CIRCULARE FORAT

Exist o variant de bioreactoare ce combin agitarea mecanic cu regimul aer-lift de funcionare. Dispozitivul const ntr-un cilindru central n interiorul cruia este instalat un dispozitiv de barbotare a aerului, n partea inferioar a utilajului (figura 11). Acest dispozitiv impune o deplasare descendent a bulelor de gaz i combinarea acestei deplasri cu agitarea mecanic care foreaz lichidul s aib o micare central ascendent i lateral ascendent (periferic).

n partea superioar a cilindrului central, are loc separarea dintre faza lichid, care coboar prin interirul cilindrului, i faza gazoas care urc spre orificiul superior de evacuare.

2.16. ALTE TIPURI DE BIOREACTOARE

Bioreactoarele sunt clasificate n funcie de natura micrii impuse amestecului lichidului de reacie i aerului injectat n interiorul acestuia. Exist, ns, o alt clasificare a reactoarelor n funcie de modul de funcionare. Aceste reactoare sunt dotate cu accesorii suplimentare avnd roluri foarte specifice. Printre acestea utilaje se pot numra:bioreactoarele cu strat fluidizat pentru obinerea etanolului sau epurarea apelor reziduale;bioreactoarele cu strat mobil;bioreactoarele cu agenii biologici imobilizai, fie pe paletele unui agitator, fie pe discuri rotative, pentru obinerea interferonului; performanele acestor reactoare sunt condiionate de aptitudinea agenilor biologici de a se fixa pe suprafaa utilajului;

bioreactoarele cu membran pentru creterea culturilor celulare i imobilizarea drojdiilor i a bacteriilor;

bioreactoarele de tip colon cu flux de circulare a agenilor biologici

imobilizai; aceste utilaje sunt folosite, n special, pentru obinerea etanolului i a anticorpilor.

2.17. TENDINELE DE VIITOR N ELABORAREA BIOREACTOARELOR

Ingineria chimic i ingineria biochimic au cunoscut o dezvoltare fr precedent n ultimele decenii, prin descoperirea de noi principii fundamendale n elaborarea i controlul reactoarelor i bioreactoarelor. Acest lucru a dus la definirea unei noi strategii n ingineria proceselor chimice, biochimice i enzimatice, ceea ce a dus, n mod inevitabil, la apariia unor noi tendine n design-ul unor astfel de utilaj ntr-un viitor apropriat. Printre tendinele actuale pentru dezvoltarea viitoarelor bioreactoare, putem enumera:diversificarea aplicaiilor proceselor biocatalitice;perfecionarea sistemelor de omogenizare ce asigur un regim de protecie a culturilor celulare;dezvoltarea metodelor de fermentare n faz solid i pe suprafa;valorificarea fazelor spumoase pentru intensificarea transferului de mas;perfecionarea subansamblelor bioreactorului (etanarea orificiilor de acces ale axelor de agitare etc).Problema costurilor de producie a culturilor selecionate (maielele) este i va rmne de actualitate, nc mult timp de acum nainte, iar tendinele de viitor se vor axa, credem noi, n special spre dezvoltarea de procedee enzimatice din ce n ce mai performante.

BAZELE DIMENSIONRII REACTOARELOR I BIOREACTOARELOR

3.1. FUNDAMENTE TEORETICE PENTRU MODELAREA PROCESELOR CHIMICE I BIOCHIMICE

Dimensionarea sau alegerea regimului de funcionare a unui reactor sau bioreactor se realizeaz cu ajutorul unui model mathematic, ce se bazeaz, n esen, pe cinetica procesului chimic. Orice proces chimic, biochimic sau enzimatic const ntr-o transformare n timp (dup un timp t oarecare de la declanarea procesului la to) a cel puin unei substane-cheie A din amestecul de reacie, conform ecuaiei:

n care Co este concentraia iniial a reactantului-cheie, iar C este concentraia aceleiai substanei-cheie la un timp oarecare dup declanarea procesului (concentraia instantanee). Evoluia n timp a cencentaiei acestui reactant (care se consum progresiv) precum i cea a produsului-cheie printre produi formai treptat poate fi mai bine ilustrat de schema de mai jos:

3.2. ELEMENTE DE INGINERIE PENTRU PROIECTAREA REACTOARELOR CHIMICE I BIOCHIMICE

Cinetica unui proces chimic depinde de viteza etapei determinante, adic a reaciei chimice cele mai lente. Un proces de prelucrare chimic, enzimatic sau biochimic este, nainte de toate, i un proces fizico-chimic n care transferul de mas i cel termic i pun amprenta asupra cineticii globale. Astfel, toate procesele chimice, fr excepie, sunt alctuite din :

Exist cazuri in care dimensionarea reactorului sugereaz lungimi exagerat de mari, i dac aceast soluie nu poate fi evitat, exist diferite modaliti tehnice de a proiecta astfel de utilaje, cum ar fi:

Realizarea utilajului sub form de reactor multitubulare cu circuite paralele sau antiparalele (echicurent sau contracurent) de circulare a fluidelor (substrat si agent termic);Realizarea utilajului sub form de serpentin.

n funcie de importana i de natura energiilor termice puse n joc (endo sau exo), circuitul de circulare a agentului schimbtor de cldur poate funciona fie cu debite variabile, fie prin modificarea diametrului sau lungimea serpentinei.

Indiferent de importana fenomenelor de difuzie a materiilor i a cldurii, un utilaj nu poate fi considerat reactor dect dac problemele legate de aceste fenomene sunt rezolvate n ntregime. Cu alte cuvinte, trebuie ca modul de funcionare s fie predominant descris de cinetica etapei chimice, sau mai bine zis ca reacia chimic s fie etapa-cheie n cadrul procesului global, motiv pentru care un utilaj de pasteurizare, de exemplu, nu poate fi numit reactor i nu este proiectat ca un reactor.

3.3. ALEGEREA REGIMULUI DE FUNCIONARE N FUNCIE DE CINETICA PROCESULUIPentru un proces fizico-chimic avnd o etap determinant de natur chimic, proiectarea utilajului i a modului su de funcionare se va baza pe cinetica chimic a acestei etape determinante. Dac modelarea procesului are drept scop determinarea regimului de funcionare a utilajului, atunci modelul matematic care l descrie se va baza pe curba experimental ce exprim evoluia n timp a concentraiei reactantului-cheie, aa cum se arat n figura 7.

Un exemplu reprezentativ de utilaje dimensionate n acest sens este cel al reactorului folosit n industria alimentar pentru izomerizarea glucozei n fructoz cu ajutorul glucozizomerazei (Procedeul Izosirop).