ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Transcript

1 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

2 Τύποι ιδανικών βιοαντιδραστήρων

3 Τρόποι λειτουργίας αναδευόμενων βιοαντιδραστήρων

4 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.

5 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;

6 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.

7 ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ

8 Το ισοζύγιο μάζας για κάθε συστατικό i σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου παίρνει την μορφή: d(v c ) R dt i =V r R i όπου r i ο καθαρός ρυθμός σχηματισμού ανά μονάδα όγκου ανά μονάδα χρόνου. Συνήθως μπορεί κανείς να αγνοήσει τις μεταβολές σε όγκο, οπότε το ισοζύγιο παίρνει την μορφή: dci dt = r i

9 Αν Ζ i η επιθυμητή παραγωγή του συστατικού i σε mles ανά χρόνο c i η τελική συγκέντρωση του συστατικού i και t b ο απαιτούμενος χρόνος για μία "φουρνιά", τότε: V R t c b i = Z i V R = Z i c t i b H σχέση δίνει τον απαιτούμενο όγκο αντιδραστήρα διαλείποντος έργου συναρτήσει του χρόνου που απαιτείται για να επιτευχθεί η τελική συγκέντρωση c i.

10 Ο χρόνος αυτός είναι ίσος με: t b=t d+t h t d (dwntime): ο χρόνος που απαιτείται για συλλογή των προϊόντων και φόρτιση του αντιδρώντος μείγματος (χρόνος μη λειτουργίας του αντιδραστήρα) t h ο χρόνος αντίδρασης, ο οποίος στην περίπτωση που ο ρυθμός r i είναι συνάρτηση μόνο της συγκέντρωσης c i υπολογίζεται από ολοκλήρωση της εξίσωσης: t = h c i c i dci r (c,t, ph,...) i i ΕΞΙΣΩΣΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

11 Παράδειγμα 1: όγκος που απαιτείται για ενζυματική αντίδραση που διέπεται από κινητική τύπου Michaelis-Menten για να ελαττωθεί το υπόστρωμα από σε : t h = K v m +[] d[] = [] ma v - ma K + v m ma ln V R = Z i ( t + t d h )

12 Παράδειγμα 2: Ο όγκος βιοαντιδραστήρα για να αυξηθεί η συγκέντρωση της βιομάζας από σε με κινητική Malthus: t = d h = 1 ln V R = Z i ( t + t d h )

13 Παράδειγμα 3: Ο όγκος αντιδραστήρα αποστείρωσης για να μειωθεί η συγκέντρωση των μικροοργανισμών από σε : t = h d -k = 1 k d d ln V R = Z i ( t + t d h )

14 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 Mnd, ο χρόνος για να επιτευχθεί συγκέντρωση από αρχική όταν η αρχική συγκέντρωση περιοριστικού υποστρώματος είναι είναι: t = h K Y ( + - ma Y ) d= +Y( +K ) ln ma - K Y ( +Y ) ln (1+ - Y )

15 Aνάπτυξη οργανισμών με ενδογενή μεταβολισμό και συντήρηση που συνοδεύεται από παραγωγή κάποιου μεταβολικού προϊόντος P d dt v = ma K m [] +[] v -k e v d d e v dt =k d[p] dt [] = ma K +[] v + v d[] dt 1 =- Y X / ma [] K +[] -m - 1 Y ( [] v v ma K +[] v + v ) P/

16 Απαιτούμενος χρόνος για συγκέντρωση προϊόντος P X V [P] P X [] t h χρόνος

17 ΑΣΚΗΣΗ 1 Σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου καλλιεργείται μικροοργανισμός που αναπτύσσεται στο περιοριστικό υπόστρωμα ακολουθώντας κινητική τύπου Mnd, με κινητικές παραμέτρους μ ma =0,5h -1, K s =0,1g/l και Υ /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-βιομάζας και ο στοιχειομετρικός συντελεστής απόδοσης Yp/s είναι 0,6. Η αρχική συγκέντρωση βιομάζας είναι =0,1 g/l και του περιοριστικού υποστρώματος =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.