35

MILAN M. MILIVOJEVI

DANIJELA S. ANDREJI BRANKO M. BUGARSKI

Tehnoloko-metalurki fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd

NAUNI RAD

UDK 66.06:621.039:532.5

DOI: 10.2298/HEMIND1009035M

UTICAJ GEOMETRIJE PNEUMATSKOG REAKTORA SA SPOLJANJOM RECIRKULACIJOM NA NJEGOVE HIDRODINAMIKE OSOBINE

U radu je ispitivan uticaj visine i prenika pneumatskih reaktora sa spoljanjom cirku-lacijom kao i udela vrste faze na brzinu cirkulacije tenosti i druge hidrodinamike osobine reaktora. Takoe, u radu je analizirana i mogunost teorijskog predvianja brzine cirkulacije tenosti. Jednaina predloena od strane Glenona (B. Glennon) i saradnika (Chem. Eng. Commun. 121 (1993) 183192) za odreivanje brzine tenosti u dvofaznim sistemima, proirena je i korigovana, i na taj nain je omoguena njena primena na trofazne sisteme. Tanost nove jednaine je ispitana na naim eksperimen-talnim podacima. Korigovani oblik jednaine daje rezultate blie eksperimentalnim vrednostima od originalne jednaine.

Poslednjih tridesetak godina biotehnologija se svr-stava u one oblasti interdisciplinarnih nauka koje dobi-jaju na znaaju, pri emu sve vie raste interesovanje za bioreaktore sa imobilisanim enzimima i elijama. Imo-bilisani biokatalizatori ili mikroorganizmi najee se koriste da bi zatitili biokatalizator od velikog smicaj-nog napona [1,2] ili da bi poboljali produktivnost bio-procesa [3,4].

U procesima u kojima je potrebna brza i uniformna raspodela reakcionih komponenti, kao i u sistemima u kojima su potrebne visoke vrednosti prenosa mase i to-plote, svoju primenu su nali air-lift reaktori. Pneumat-ski ili air-lift (ALR) bioreaktori predstavljaju relativno novi tip fermentora i imaju odreenih prednosti u od-nosu na standarne tipove bioreaktora (fermentori sa me-hanikim meanjem, barbotane kolone).

U veini prethodnih radova iz ove oblasti autori su se uglavnom bavili dvofaznim sistemima gastenost [5]. Samo manji broj radova je bio posveen sistemima u kojima se javlja i vrsta faza, pogotovo ako su to Ca- -alginatne estice. Trofazni air-lift reaktori predstavljaju trofaznu disperziju u kojoj je mogue ostvariti dobar kontakt izmeu gasa, tenosti i vrste faze. Oni pruaju mogunost stvaranja odgovarajueg mikro-okruenja oko vrstih estica i imaju prednost lakeg kontrolisanja rad-nih uslova (promenom brzine gasa, udela vrste faze) [6]. To je imalo za posledicu da su air-lift reaktori po-stali veoma privlani za bioprocese gde su mikroorga-nizmi imobilisani u/na vrstim esticama. U ovakvim sistemima udeo vrste faze ide i do 3040% od ukupne zapremine reaktora [3]. Brzina cirkulacije tenosti je je-dan od presudnih parametara u projektovanju trofaznih air-lift reaktora koji odreuju radne uslove u reaktoru. Ona utie na meanje, recirkulaciju mehurova, raspo-delu gasa, kao i udeo gasa u reaktoru.

Autor za prepisku: M. Milivojevi, Tehnolokometalurki fakultet, Univerzitet u Beogradu, Karnegijeva 4, 11000 Beograd. E-pota: mmilan@tmf.bg.ac.rs Rad primljen: 8. oktobar 2009. Rad prihvaen: 4. decembar 2009.

U ovom radu ispitivan je uticaj visine i prenika reaktora na brzine cirkulacije tenosti u reaktoru u za-visnosti od brzine gasa i udela estica vrste faze u nje-mu i mogunosti teorijskog predvianja ovih brzina.

PNEUMATSKI (AIR-LIFT) REAKTORI

Danas se u biotehnolokim procesima koriste mno-gi tipovi bioreaktora. S obzirom na to da bioreaktor predstavlja centralni ureaj svakog biotehnolokog pro-cesa to je razumljivo da od pravilnog izbora tipa i oso-bina reaktora u mnogome zavisi i uspenost procesa [5].

Od standardnih tipova bioreaktora najee se ko-riste fermentori sa mehanikim meanjem, barbotane kolone i pneumatski reaktori (slika 1). Ono to se moe uoiti kao tendencija u poslednje vreme je da klasini reaktori sa mehanikim meanjem prestaju da budu do-minatan tip reaktora. To je posledica pre svega manje ekonominosti ovih reaktora kao i osetljivosti biofaze koja se uzgaja, na spoljne mehanike sile. Veina bio-transformacija je katalizovana ivim mikroorganizmima koji za svoj normalan razvoj zahtevaju uslove koji su teko dostini u pomenutom tipu reaktora. Iz tog razloga barbotane kolone se sve vie koriste u fermentacionim procesima [5].

Meutim, i pored svojih prednosti u odnosu na re-aktore sa mehanikim meanjem, barbotane kolone imaju i neke nedostatke. To su problemi koji se javljaju pri projektovanju usled nemogunosti da se tanije pre-dvide brzine tenosti, udeo gasa u sistemu i vei protoci gasa potrebni za suspendovanje estica [5].

Kao posledica pokuaja da se ti nedostaci preva-ziu u poslednje vreme se sve vie koriste pneumatski reaktori sa recirkulacijom. Njih je prvi prouavao Le Francois jo 1955. godine. Meutim, tek krajem ez-desetih godina ovi reaktori poinju vie da se prime-njuju, najpre u proizvodnji jednoelijskih proteina (SPC), a kasnije, sa razvojem novih tehnologija, i u kultivaciji tkiva. Mada su ovi reaktori na prvi pogled slini sa bar-botanim kolonama, razlika je u tome to cirkulacija tenosti u pneumatskim reaktorima zavisi od protoka

M.M. MILIVOJEVI, D.S. ANDREJI, B.M. BUGARSKI: UTICAJ GEOMETRIJE PNEUMATSKOG REAKTORA Hem. ind. 64 (1) 3546 (2010)

36

gasa, dok kod barbotanih kolona to nije sluaj. Pored toga, kod pneumatskih reaktora mogue je raditi u da-leko irem opsegu povrinskih brzina gasa i tenosti [7].

Slika 1. Shematski prikaz barbotane kolone (A), pneumatskog reaktora sa unutranjom cirkulacijom (B) i pneumatskog reaktora sa spoljanjom cirkulacijom (C). Figure 1. Schematic view of a bubble column (A), air-lift reactor with internal circulation (B) and air-lift reactor with external circulation (C).

Kod pneumatskih reaktora moe se ostvariti velika meufazna kontaktna povrina i pri malom utroku une-te snage to daje visoku efikasnost prenosa mase i ener-gije [5,8]. Osim ovoga, pneumatski reaktori predstav-ljaju odgovarajuu sredinu za imobilisane sisteme jer se u njima postie jedinstvena kombinacija niske vrednosti smicajnog napona, mali utroak unete energije, kontro-lisano meanje, koje se ne obavlja pomou mehanike mealice, brza i uniformna distribucija reakcionih kom-ponenata, naroito u velikim konfiguracijama [9,10].

Cirkulacija u pneumatskim reaktorima je efekat za-snovan na razlici lokalnih udela gasa u razliitim delo-vima reaktora. Razlika hidrostatikih pritisaka u uzlaz-noj i silaznoj sekciji reaktora predstavlja pogonsku silu za kontinualnu cirkulaciju tenosti. Kod ovog tipa reak-tora ostvareno je usmereno kretanje faza pod dejstvom razlike gustina u delu reaktora u kome se uvodi gas, uzlazna (engl. riser) sekcija pomou raspodeljivaa gasa postavljenog najee na dnu ove sekcije i dela reaktora u kome gas ili uopte nije prisutan, ili je prisutan u ma-loj koliini, silazna (engl. downcomer) sekcija.

Posmatrajui cirkulacioni tok tene faze, pneumat-ski reaktori se dele na reaktore sa unutranjom cirkula-cijom i reaktore sa spoljanjom cirkulacijom.

Kod reaktora sa unutranjom cirkulacijom (IL-ALR) (slika 1B) uzlazna i silazna sekcija su razdvojene zidom unutranje cevi koja je centralno postavljena u reaktor, ili horizontalnom pregradom. Gas se najee uvodi u unutranju cev dok anularni prostor predstavlja silaznu sekciju, mada ima i obrnutih konfiguracija [5].

Glavna prednost reaktora sa unutranjom cirkula-cijom je njihova jednostavna konstrukcija. Problemi ko-ji se javljaju kod ovih reaktora su pre svega vezani za njihovo modelovanje usled toga to pri veim brzinama cirkulacije tenosti dolazi do uvlaenja mehurova gasa u silaznu sekciju to menja osobine reaktora [5].

Reaktori sa spoljanjom cirkulacijom (EL-ALR) (slika 1C) imaju uzlaznu i silaznu sekciju meusobno povezane dvema horizontalnim cevima (tzv. donja i gor-nja horizontalna sekcija). Kod ovih reaktora postoji je-dinstvena kombinacija kontrolisanog proticanja (odnos-no, dobro definisanih vremena zadravanja svih faza u reaktoru) i dobrog meanja [5]. Oni imaju dodatnih pre-dnosti u odnosu na reaktore sa unutranjom cirkulaci-jom, jer je kod njih uniformnije kretanje tenosti, a i de-lovi reaktora su jednostavni (obine cevi), pa su jednos-tavniji za modelovanje od onih sa unutranjom cirkula-cijom. Pored ovoga, kod reaktora sa spoljanjom cirku-lacijom mogua je laka kontrola temperature i razmene toplote, a mogunost ugradnje ventila u uzlaznoj i/ili si-laznoj sekciji omoguava kontrolu brzine tenosti neza-visno od brzine uvoenja gasa. Kod njih takoe postoji mogunost dobrog odvajanja faza na vrhu reaktora pra-vilnim izborom gornje horizontalne sekcije, kao i mo-gunost smanjivanja gubitaka usled trenja izborom opti-malnih prenika pojedinih sekcija [2].

Pneumatski reaktori kod kojih je prisutna i vrsta faza dobijaju u poslednje vreme sve iru primenu. Naj-ee se radi o esticama polisaharidnih gelova niske gustine (npr. alginatne estice) poto su se one pokazale pogodnim za imobilizaciju elija i enzima [5].

Hidrodinamike karakteristike pneumatskih reaktora Kretanje fluida u reaktoru je posledica postojanja

pogonske sile usled razlike gustina fluida u silaznom i uzlaznom delu reaktora. Ova sila je sa druge strane uravnoteena ukupnim otporima strujanju koji se javlaju du celog puta cirkulacije datih preko odgovarajuih pa-dova pritiska. Pri tome su zanemareni gubici usled tre-nja u uzlaznom delu reaktora i udeo gasa u silaznom de-lu reaktora (to je mogue kod reaktora sa spoljanjom cirkulacijom). Izraz kojim se ovaj bilans moe matema-tiki prikazati je dat sledeom jednainom:

= 2)(2

ldlfdrl

VKgH (1)

gde leva strana jednaine predstavlja pogonsku silu razlike pritiska (gravitaciona sila), a desna strana ukup-ne gubitke du puta cirkulacije (sile trenja). Glavna prednost ovog bilansa je u tome to se vrednosti otpora pojedinih delova od kojih je reaktor sastavljen (kolena, cevi, suenja i dr.) mogu nai kao standardni literaturni podaci.