ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Τύποι ιδανικών βιοαντιδραστήρων

Τρόποι λειτουργίας αναδευόμενων βιοαντιδραστήρων

Το πρόβλημα του σχεδιασμού Ο βιοχημικός μηχανικός καλείται να επιλέξει: τον τύπο βιοαντιδραστήρα τον τρόπο λειτουργίας που μεγιστοποιεί το κέρδος Δεδομένων: του κόστους των πρώτων υλών του κόστους των προϊόντων του κόστους του κεφαλαίου του κόστους της ενέργειας τις απαιτήσεις για ασφάλεια τις απαιτήσεις για έλεγχο της ρύπανσης.

Ερωτήματα: 1. Ποια η σύσταση του θρεπτικού μέσου; Υπάρχει δυνατότητα επιλογής της ή καθορίζεται από την παραγωγή κάποιας άλλης διεργασίας; 2. Τι ποσότητα παραγωγής απαιτείται; 3. Ποιος τύπος βιοαντιδραστήρα είναι ο πιο κατάλληλος; 4. Ποιος ο καλύτερος τρόπος λειτουργίας; 5. Τι σχήμα και μέγεθος αντιδραστήρα απαιτείται; 6. Τι λειτουργικές συνθήκες (θερμοκρασία, pH, πίεση, ανάδευση, αερισμός) απαιτούνται; 7. Ποιες οι ενεργειακές απαιτήσεις; 8. Μήπως είναι επιθυμητό να έχουμε ανακυκλοφορία;

Διαδικασία Σχεδιασμού Συνήθως επιλέγεται αναδευόμενος αντιδραστήρας, σε θερμοκρασία και pH που συνήθως είναι οι βέλτιστες για την ανάπτυξη των οργανισμών, οπότε απομένει να επιλεγεί ο τρόπος λειτουργίας. Στη συνέχεια το βασικότερο ερώτημα είναι η απαίτηση σε όγκο (διαστασιολόγηση). Η απάντηση με την χρήση των ισοζυγίων μάζας που περιλαμβάνουν την κινητική της βιοαντίδρασης. Μετά μπορούμε να υπολογίσουμε : τις ενεργειακές ανάγκες (με ισοζύγιο ενέργειας) τις ανάγκες αερισμού και ανάδευσης το συνολικό κόστος του βιοαντιδραστήρα. Τέλος εξετάζουμε με ποιες μεταβολές θα μπορούσαμε να βελτιώσουμε την διεργασία.

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ

ΕΞΙΣΩΣΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

Παράδειγμα 1: o όγκος που απαιτείται για ενζυματική αντίδραση που διέπεται από κινητική τύπου Michaelis-Menten για να ελαττωθεί το υπόστρωμα από So σε Sf:

Παράδειγμα 2: Ο όγκος βιοαντιδραστήρα για να αυξηθεί η συγκέντρωση της βιομάζας από xo σε xf με κινητική Malthus:

Παράδειγμα 3: Ο όγκος αντιδραστήρα αποστείρωσης για να μειωθεί η συγκέντρωση των μικροοργανισμών από xo σε xf:

Όταν ο ρυθμός εξαρτάται από περισσότερες συγκεντρώσεις που συνδέονται μεταξύ τους με σταθερή στοιχειομετρική σχέση, μπορούμε να εκφράσουμε τον ρυθμό πάλι συναρτήσει της μεταβλητής που μας ενδιαφέρει και να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση σχεδιασμού. π.χ. για απλή κινητική μικροβιακής ανάπτυξης τύπου Monod, ο χρόνος για να επιτευχθεί συγκέντρωση xf από αρχική xo όταν η αρχική συγκέντρωση περιοριστικού υποστρώματος είναι So είναι:

Aνάπτυξη οργανισμών με ενδογενή μεταβολισμό και συντήρηση που συνοδεύεται από παραγωγή κάποιου μεταβολικού προϊόντος P

Απαιτούμενος χρόνος για συγκέντρωση προϊόντος Pf

ΑΣΚΗΣΗ 1 Σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου καλλιεργείται μικροοργανισμός που αναπτύσσεται στο περιοριστικό υπόστρωμα S ακολουθώντας κινητική τύπου Monod, με κινητικές παραμέτρους μmax=0,5h-1, Ks=0,1g/l και Υx/s=0,3. Οι ρυθμοί συντήρησης και ενδογενούς μεταβολισμού θεωρούνται αμελητέοι. Στον αντιδραστήρα παράγεται από τη μικροβιακή δράση προϊόν P που σχετίζεται με την ανάπτυξη. Ο κινητικός συντελεστής α είναι 0,2 g-προϊόντος/ g-βιομάζας και ο στοιχειομετρικός συντελεστής απόδοσης Yp/s είναι 0,6 g-προϊόντος/g-βιομάζας. Η αρχική συγκέντρωση βιομάζας είναι xo=0,1 g/l και του περιοριστικού υποστρώματος So=10g/l. (α) Να βρεθεί ο χρόνος που απαιτείται ώστε το παραγόμενο προϊόν να φτάσει σε συγκέντρωση 0,2g/l καθώς και οι τιμές της βιομάζας και του υποστρώματος αυτή τη χρονική στιγμή (β) Να βρεθούν οι τελικές συγκεντρώσεις βιομάζας και προϊόντος όταν καταναλωθεί όλο το υπόστρωμα.

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΗΜΙΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ Προσθήκη μέρους ή όλου του θρεπτικού μέσου κατά την διάρκεια της βιοαντίδρασης όταν θέλουμε: να προσθέσουμε κάποια συστατικά (π.χ. διεγέρτες) αφού έχει επιτευχθεί κάποια σημαντική συγκέντρωση βιομάζας να διατηρήσουμε χαμηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος προκειμένου να αποφύγουμε παρεμπόδιση υποστρώματος ή καταστολή καταβολιτών παρατεταμένη λειτουργία στην στάσιμη φάση που είναι βέλτιστη για την παραγωγή ορισμένων μεταβολικών προϊόντων όπως αντιβιοτικών κ.λ.π.

Ισοζύγια Οπότε: Για δεδομένο F, oι δύο τελευταίες σχέσεις πρέπει να επιλυθούν για να βρεθεί η συγκέντρωση του i και η μάζα του i (=VRci) συναρτήσει του χρόνου.

Παράδειγμα Monod

Για σταθερό ειδικό ρυθμό ανάπτυξης Όπου: μ* ο επιθυμητός ειδικός ρυθμός ανάπτυξης και S* η συγκέντρωση υποστρώματος που αντιστοιχεί στον ρυθμό μ* Άρα ο ρυθμός παροχής πρέπει να είναι ανάλογος της συνολικής μάζας μικροοργανισμών

Τότε: Ολοκληρώνοντας: Αντικαθιστώντας: Οπότε για τον όγκο έχουμε:

Οπότε:

ΑΣΚΗΣΗ 2 Μέσο ανάπτυξης μικροοργανισμών χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιομάζας σε βιοαντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης. Η διαθέσιμη ποσότητα υποστρώματος είναι 200 g και επιδιώκεται η παραγωγή 26g βιομάζας. Ο αντιδραστήρας φορτώνεται αρχικά με 10 l διάλυμα που περιέχει υπόστρωμα συγκέντρωσης 10 g/l ενώ η αρχική συγκέντρωση βιομάζας μετά τον εμβολιασμό είναι 0,1g/l. Ο αντιδραστήρας λειτουργεί στη συνέχεια ως ημιδιαλείποντος έργου τροφοδοτούμενος με μέσο που περιέχει υπόστρωμα συγκεντρώσεως 200mg/l. Η τροφοδοσία γίνεται με διάλυμα υποστρώματος συγκέντρωσεως 20g/l με τέτοιο ρυθμό, ούτως ώστε η συγκέντρωση υποστρώματος να διατηρείται διαρκώς στα 10g/l. ¨όταν προστεθεί όλη η ποσότητα του υποστρώματος ο αντιδραστήρας λειτουργεί πλέον ως διαλείποντος έργου μέχρι να παραχθούν 26 g βιομάζας (τελική ποσότητα βιομάζας είναι 27 g). O οργανισμός που αναπτύσσεται ακολουθεί κινητική Monod με μmax=0,5h-1, Ks=0,1 g/l, Y=0,3. (α) Βρείτε τον τελικό όγκο του υγρού, την ποσότητα και τη συγκέντρωση της βιομάζας στο τέλος της φάσης ημιδιαλείποντος έργου και την τελική συγκέντρωση της βιομάζας. (β) Βρείτε τη διάρκεια κάθε φάσης λειτουργίας (γ) Συγκρίνατε τον συνολικό χρόνο λειτουργίας με το χρόνο που θα χρειαζόταν για την ίδια παραγωγή βιομάζας, αν όλη η ποσότητα του υποστρώματος φωρτονόταν στον αντιδραστήρα (αρχική συγκέντρωση 20g/l σε όγκο 10 l) εξ αρχής και ο αντιδραστήρας λειτουργούσε διακρκώς ως διαλείποντος έργου.