opracowanie na egzamin z inżynierii bioreaktorów 1

7/25/2019 Opracowanie Na Egzamin z Inynierii Bioreaktorw 1

1/14

INYNIERIA BIOREAKTORW

1. Bilans przemiany mikrobiologizne!

" # $ %& $ #$ # ' Skadniki dodatkowe oraz produkty uboczne pomija si S substrat gwny [g/l] X ilo! komrek [g/l] X przyrost iloci komrek zwi"zany z podziaem [g/l] # ilo! uzyskanego produktu [g/l] Yx/s = X/S$ wspczynnik wydajnoci biomasy okrelaj"cy ile

przybyo komrek jeli ubya okrelona ilo! substratu Yp/s = P/S wspczynnik wydajnoci biomasy opisuj"cy przyrost

iloci produktu w stosunku do ubytku substratu Yx/s + Yp/s =1$ jeli pominiemy przemian podstawow"% jeli nie to&

Y()s # Yp)s * 1 #rzemiana podstawowa cz! substratu zu'ywana na

podtrzymanie 'ycia komrek i nie przynosz"ca zysku w procesie( )spczynniki * s" zmienne wic podaje si warto! urednion"

wzgldem czasu

+. Kine,yka reak!i enzyma,yzne! i przemiany mikrobiologizne!

a( +inetyka enzymatyczna

,wnanie -ic.aelisa$-enten& okrela zale'no! szybkoci reakcji enzymatycznejod st'enia substratu0

r 1

rmaxCs

Km+Cs

r szybko! reakcjirma2 maksymalna szybko! reakcji+m Staa -ic.aelisa3s st'enie substratu

t czas reakcji 1 dCsdr 1

Kmrmax ln

Cs0Csk 4

Cs0Cskrmax


2/14

)ykres zale'noci& 5cs01r,eakcja rzdu zerowego jest dla du'yc. st'e6,eakcja rzdu pierwszego zac.odzi dla mayc. st'e6 pocz"tek wykresu7la du'yc. st'e6% szybko! nie zale'y od st'enia% gdy' wszystkie centraaktywne enzymu s" wysycone(

b( #rzemiana mikrobiologiczna

,wnanie -onoda & 8 1max SKm+S

8 specy9czna szybko! wzrostu mikroorganizmw8ma2 $ ma2ymalna specy9czna szybko!S st'enie substratu+m Staa -onoda

r

3s


3/14


4/14

?o co zamalowane jest% to jest t% czyli czas w dla reaktora okresowegoc.arakterystyka&

#rzepyw$ @ieustalony

Aednorodno! $ 7obrawielo5azowo!$)ielo5azowy

7obra kinetyka3zas jaowy $ Bbecny

+ontrola procesu $ ?rudnaparametry si zmieniaj"0)ielko! produkcji $ -aa

i redniaClastyczno! produkcji $

Dardzo du'a7o! niezawodny

sterylizacja $ 7obra niema problemu% 'eby j"zrobi!% ale trzeba si

napracowa!0 podczasczasu jaowego

#rzydatno!mikrobiologiczna $ dobra

2. "posoby yznazania kine,yznego r0nania reak!i

a( 7ane dowiadczalne wykorzystanie zale'noci& cs1 5t0

Speniaj"ce warunki pocz"tkowej szybkoci reakcji E FG% wpywst'enia substratu na szybko! reakcji enzymatycznej0

H reaktora okresowegob( Bbrbka danyc.

-etoda r'niczkowa -etoda cakowa

3. R04nizkoa me,o5a yznazanie r0nania kine,yznego reak!i

-etoda stosowana% gdy dane dowiadczenie mo'emy przedstawi! 5unkcjiwartoci szybkoci i st'enia( ) metodzie tej operuje si r'niczkow" postaci"rwnania kinetycznego( =zyskane dane nanosi si na wykres czsto linearyzuj"c


5/14

wczeniej rwnanie kinetyczne przez logarytmowanie( Hale'no! mo'na w prostysposb wyznaczy! metod" gra9czn"% lub metod" najmniejszyc. kwadratw(-etoda r'niczkowa jest bardzo czua b"d podczas pomiaru powoduje znacz"c"zmian wyniku0 i jest to metoda bardzo dokadna( >by 5unkcja dala sir'niczkowa! musi by! to 5unkcja ci"ga% wic pierwszym etapem tej metody jestIuci"glanieJ 5unkcji najczciej za pomoc" regresji(

r 1dcdt 1

c t

dalej robimy tabelk&3s ,

K rysujemy z tabelki wykres(7alej metod" prb i bdw zakadamy% 'e jest to rwnanie L rzdu% czyli r1kc i

jeli otrzymamy z wykresu lini prost" to jest ok( jeli nie% to prbujemy dalej%czyli zakadamy% 'e rwnanie jest M rzdu% czyli r1kcMi robimy tak samo(#rbujemy% dopki nie uzyskamy wykresu w postaci linii ci"gej()ykres jest zale'noci" r15c0(

tu nie wida! tego% ale na osi pionowej jest r% na osi poziomejjest c(

6. a7koa me,o5a yznazania r0nania kine,yznego reak!i

-etoda ta daje bezpieczny wynik mo'na si troc. pomyli! podczas pomiarw inie spowoduje to znacz"cej zmiany0(-etoda ta jest stosowana% gdy mamy wartoci czasu i st'enia( ) metodzie tejoperuje si cakow" postaci" rwnania kinetycznego( @a jednej osi przedstawiasi czas% natomiast na drugiej osi cakow" posta! rwnania kinetycznego dlazakadanego rzdu reakcji()ykorzystujemy do oblicze6 cak&

t 1 Cs

Cs0dcr

i od razu zakadamy rz"d reakcji(@p( dla reakcji :N &t 1 L/k 3s: 3s0 L/ k nac.ylenie prostej

je'eli uzyskamy lini prost" na wykresie% to osi"gnlimy sukces% je'eli nie% toszukamy dalej metod" prb i bdw(dla reakcji LN &

t 1 L/k lnCs0Cs

itd(K znowu musimy tutaj otrzyma! lini prost"(

8. zas przebyania reak,orze


6/14

-wi nam on o tym% ile czasu spdza dana substancja w okrelonym reaktorze(3zas przebywania w reaktorze zale'y w gwnej mierze od typu reaktora i odrodzaju przepywu(

O 1Vr 1

Cs0Cskr

O reaktor ci"gyt reaktor okresowyO P t w dowolnym zakresie st'e6(#roces okresowy ma czas jaowy bezproduktywny np( na przemycie reaktora0)yr'nia si M modele przepywu strumienia przez aparat&

-odel przepywu tokowego elementy strumienia przebywaj" przezaparat w jednym czasie

-odel przepywu z doskonaym mieszaniem strumie6 dopywaj"cy doaparatu miesza si niesko6czenie szybko z ca" objtoci" ukadu(Skutkiem tego jest jednakowy rozkad st'enia w caej objtoci aparatu%

jednak czas przebywania poszczeglnyc. elementw ukadu jest r'ny(7o wyznaczenia rozkadu czasu przebywania su'" M metody&

-etoda impulsowa umieszczamy wskaQnik impuls0 i mierzymy po jakimczasie pojawi si na wylocie z reaktora(

-etoda skokowa wpuszczamy barwnik% ktry si miesza i mierzymy czaspo ktrym na wylocie bdzie tylko barwnik(

?u podobno na wykadzie podawa jeszcze jakie wykresy do tego% nie wiem niebyo mnie na tym wykadzie% nie mam ic.(

9. /arak,erys,yka i r0nanie mieszalnikoego bioreak,ora o5zia7ani: i;g7ym

L/r

c

3:3k


7/14

R ; 3s: 1 R ; 3sk 4


8/14

jest przemieszany istacjonarny0

Trednia i du'aSaba

7o! niezawodny

najbardziej zawodny0) drugim aparacie wsposb ci"gy lub

prawie ci"gy@iedobra mo'e doj!

do mutacji0#orwnywane s" te same cec.y% co w okresowym

ozysk:!emy i 5lazego oraz !akim kosz,em

3elem utworzenia kaskady reaktorw jest poprawa c.arakterystyki reaktora( )e5ekcie czas przebywania w reaktorze ulega skrceniu( Km wicej stopni wkaskadzie% tym lepiej% gdy' zbli'amy si do reaktora okresowego( Aednak% gdy jestic. zbyt du'o koszty inwestycyjne i eksploatacyjne rosn"( 7latego najkorzystniej

jest% jak w kaskadzie wystpuje od U do F reaktorw( ) kaskadzie% szybko!reakcji w ka'dym reaktorze jest wiksza% wic czas jest krtszy(

reaktory takie s" po"czone w sposb szeregowy( =zasadnione to jest tym% 'ec.cemy% aby objtoci takic. reaktorw byy takie same( #rodukt poprzedniego

stopnia w kaskadzie jest substratem nastpnego reaktora w kaskadzie( d"'y sido tego% 'eby reaktory byy takie same% poniewa' atwiej wymieni! czci(

OL1Vr 1

Cs0Cs1r (Cs1)

OM1Vr 1

Cs1Cs2r (Cs2)

OU1Vr 1

Cs2Cskr (Csk)

OL4OM4OUVO poniewa' jest r'ny rozkad st'e6(


9/14

Bglny czas przebywania&

O 1

Cs0Csk

r (Csk)

1?. /arak,erys,yka i r0nanie bioreak,ora kol:mnoegoR ; 3s 1 R; 3s 4 d3s0 4 rs;da5y i zale,y


10/14

Kmmobilizacja dziaanie pozwalaj"ce na wielokrotnym wykorzystaniu aktywnocidanego enzymu(

?aki reaktor umo'liwia regeneracj enzymu( -amy jednoczesn" mo'liwo!immobilizacji i separacji skadnikw mieszaniny reakcyjnej( Hatrzymuje on enzymi substrat% a przepuszcza produkt( )ad" jest to% 'e membrany czsto si zatykaj"(,eaktory takie te' posiadaj" ma" wydajno!% wic nie s" stosowane w praktyce(

1+. @ikrobiologizny bioreak,or membranoy %/arak,erys,yka> a5y i zale,y

Aest to zintegrowany ukad% ktry skada si z mieszalnikowego reaktorazbiornikowego oraz zewntrznego moduu membranowego% wyposa'onego wmembran% ktra cakowicie zatrzymuje komrki mikroorganizmw% aprzepuszcza rozpuszczalnik i pozostae skadniki roztworu() takim reaktorze poprzez zwikszenie okrelonego strumienia% zwiksza si

st'enie komrek mikroorganizmw% przez co zmniejsza si czas przebywania(Stosowana do biodegradacji dana kultura mikroorganizmw znajduje si wbioreaktorze membranowym w ukadzie zamknitym% co zapewnia dobr"sterylno!( Aedynym Qrdem zaka'enia mo'e by! strumie6 surowca zasilaj"cegobioreaktor(-o'na zastosowa! tutaj wiele membran% i jest miejsce na wprowadzanie sond(

1-. zas !a7oy i !ego znazenie przy 5obierani: ,yp:bioreak,ora

3zas jaowy jest to czas bezproduktywny% wystpuj"cy w procesie okresowym(

) czasie tym wykonywane s" czynnoci uboczne takie jak mycie reaktora%przygotowywanie prbek( 3zas rzeczywisty dla reaktora okresowego to sumaczasu pracy i czasu jaowego(

?okr1Vzb tr4tj0 ?ci"gy1

Vzb ;O

Tokr

Tcigy 1

Vzb (tr+tj)

Vzb

1tr

4tj


11/14

tr

PLtj P:

?okr/?ci"gy 1 L obojtnie?okr/?ci"gy VL krcej okresowy?okr/?ci"gy PL krcej ci"gyWdy O jest du'e% czas jaowy nie jest czynnikiem ograniczaj"cym proces( +iedy

jego warto! jest maa%)wczas stosunek czasw staje si niekorzystny(

12. /arak,erys,yka i opis ma,ema,yzny perio5yznegobioreak,ora mieszalnikoego i !ego por0nanie z bioreak,oremkol:mnoym

,eaktor mieszalnikowy okresowy zosta opisany w pytaniu U(?o tylko porwnanie&

'arame,r) Reak,or okresoy Kol:mnoy",an pray @ieustalony =stalony

e5noro5noC :k7a5: 7obra 7yskusyjnaWieloDazooC :k7a5: )ielo5azowy @ie tylko dla czystej

5azy0W7aioi

kine,yzne szybkoCF7obra kinetyka 7obra kinetyka

zas !a7oy Bbecny DrakKon,rola proes: ?rudna parametry si

zmieniaj"0,aczej trudna parametry

si nie zmieniaj" wczasie% ale geometria nie

sprzyja0WielkoC pro5:k!i -aa i rednia 7u'a i bardzo du'a

Elas,yznoC pro5:k!i Dardzo du'a SabaG,rzymanie r:/:

pro5:k!aF7o! niezawodny @iezawodny

",eryliza!a 7obra nie ma problemu%'eby j" zrobi!% ale trzeba

si napracowa!0

) drugim aparacie

'rzy5a,noCmikrobiologizna

dobra @ie nadaje si

13. B:5oa i 5zia7anie bioreak,ora mikrobiologiznego


12/14

,eaktor taki ma mieszado z dou% poniewa' ma wtedy mniejsze bicie i mniejszesiy dziaaj" na takie mieszado( #roblemem takie reaktora jest powstawaniepiany% ktr" trzeba jako usuwa!( #ian mo'na usuwa! mec.anicznie% czyli tak

jak na obrazku% lub za pomoc" olejw% ktre daj" inny rozkad napiciapowierzc.niowego dodaje si silikonowego oleju% lub ogniowego0(7ziki takiemu rozmieszczeniu aparatury ukad jest najbardziej .omogeniczny() bioreaktorze prowadzona jest .odowla wgbna(#okrywa jest paska( ) pokrywie s" otwory% przez ktre wprowadzamy midzyinnymi sondy( ) pokrywie jest rwnie' wylot powietrza z c.odnic" zwrotn"(

?aki ukad jest zazwyczaj wielo5azowy&L 5az tworz" komrki(M 5az stanowi powietrze% ktre jest potrzebne aerobom(3zasami U 5az stanowi po'ywka(

Aak to si dzieje wszystko@ajpierw tlen jest rozpuszczany w wodzie( 7alej tlen zbli'a si do mikrobapoprzez mieszanie( K na ko6cu tlen jest przyswajany przez mikroorganizm(

Aeszcze w takim bioreaktorze wystpuje co takie jak amacz wiru(

Dioreaktor taki musi by! odpowiednio uszczelniony( Stosuje si zazwyczajuszczelki% lub po"czenia klampowe lub po"czenia sanitarne( 7u'e reaktory% czylitakie jak ten s" sterylizowane na miejscu% poprzez u'ycie paszcza grzejnego(#o'"dane jest% aby pc.erzyki powietrza byy mae% zajmoway mniejsz"powierzc.ni% ale byo ic. wicej% s" wtedy lepiej wc.aniane(Km szybsze jest mieszanie% tym tlen szybciej tra9a do mikroorganizmw% ale

wtedy mo'e pojawia! si wiksza ilo! piany(


13/14

16. Bilans przep7yoego bioreak,ora mikrobiologiznego

R ; cs:1 R ; cs4


14/14

+?. Ja5ania logizne z poy4szy/ zaga5nie.

opracowanie na egzamin z inżynierii bioreaktorów 1

Documents