Ключи к биореактора выбор
Bioreactions
Несколько основных конструкций реактора используется для производства широкого спектра продукции, от антибиотиков на продукты питания в топливо. Вот как можно выбрать оптимальные варианты для вашего приложения.
Традиционно, микробиологов играют доминирующую роль в bioreaction развития, при содействии со стороны тех, во многих дисциплинах, в том числе, биохимиков, генетиков и инженеров-химиков. И хотя процесс брожения - предшественника современного bioreactions - используется с доисторических дней, основных достижений второй половины века имели как много общего с технологией, как с биологией. Это наша цель, чтобы проиллюстрировать важность установленных химического машиностроения методов и процессов, как они относятся к bioreaction инженерных сегодня, как инженеры-химики делают дальнейшие набеги на поля считались прерогативой биологии основе ученых.
В этой статье будут обсуждаться ключевые вопросы техники в биореактор проектирования и эксплуатации, сосредоточив внимание на сходство между традиционными инженерных химического реактора и bioreaction техники. Наша цель заключается не в банальной области биологических процессов на основе, это просто чтобы показать, что сильное сходство существует между двумя полями. В самом деле, мы обсудим ключевые отличия, которые должны быть приняты во внимание для успешного bioreactions. Поступая таким образом, мы обеспечим инженеров-химиков с повышенным доверием при применении своих знаний и опыта в химических реакторах, чтобы нести на вопросы и возможности, имеющиеся в биореакторе техники.
Далекого и недавнего прошлого
Задолго до того, кто-нибудь понял концепцию bioreaction, люди были воспользоваться его результатами. Хлеб, сыр, вино и пиво все стало возможным благодаря, традиционно известный как брожение - мало понимать процесс, более успешным, чем случайно дизайна. Это был, по сути, неудачи и разочарования французских виноделов, которые нашли они слишком часто производство уксуса не вина, что привело знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер исследования процесса ферментации по их просьбе.
Что Пастер обнаружил, что брожение происходит в результате биологической активности микроскопических растение называется дрожжей. Когда нежелательных микробов проникли вина и "кормят" на спирта дрожжами, микробы остались неприятные и вредных отходов, который обернулся разорением вкус вина. работы Пастера заложили основу для биореакторов как мы знаем их сегодня, потому что как только этот процесс был выявлен и понял, он может находиться под контролем. И это контроль над процессом, что касается инженеров-химиков в первую очередь. Объем биоинженерии вырос от простого микробиологии вина бутылку индустриализации не только пиво, вино, сыр и молоко производства, но и производство новых продуктов биотехнологии - антибиотики, ферменты, стероидные гормоны, витамины, сахара и органические кислоты.
Биореакторах против химических реакторов
По определению, биореактор представляет собой систему, в которой биологического преобразования осуществляется. Хотя это определение можно применить к любой перевод с участием ферментов, микроорганизмов и животных и растительных клеток, для целей данной статьи, мы ограничимся определением. Биореакторов упомянутых здесь включают только механическую судов, в которых (а) организмов, культивируемых в контролируемой форме и / или (б) материалы преобразуются или преобразованные с помощью специфических реакций. Очень похож на обычных химических реакторах, биореакторы отличаются тем, что они специально предназначены для влияния метаболических путей. Традиционные химического реактора модели и промышленные образцы, которые могут быть использованы для bioreaction а также включают в себя: непрерывный реакторов перемешивают бак, непрерывный поток перемешивают танк реакторов, а также плагин проточных реакторах, необыкновенно или в серии; ebullized-кровать (т. е. "булькало и кипело ") реакторами и кипящем слое реакторов. Термин "биореактор" часто используется как синоним "ферментатор;", однако, в самом строгом определении, ферментера системы, которая обеспечивает анаэробного процесса для производства спирта из сахара.
Биореакторах отличаются от обычных химических реакторах, что они поддержки и контроля биологических объектов. Таким образом, биореактор системы должны быть спроектированы, чтобы обеспечить более высокую степень контроля над процессом расстройств и загрязнений, так как организмы более чувствительны и менее устойчивы, чем химические вещества. Биологические организмы, по своей природе, будет мутировать, которые могут изменить биохимии bioreaction или физических свойств организма. По аналогии с гетерогенного катализа, деактивация или смертности происходят и промоутеров или коферментов влиять на кинетику bioreaction. Хотя большинство основных инженерных биореактора и вопросы разработки схожи, поддержания желаемого биологической активности и устранения или минимизации нежелательных деятельности, зачастую представляет собой большую проблему, чем традиционные химические реакторы обычно требуют.
Организмы, под влиянием их морфологии и bioreaction средой, сдвига чувствителен к той или иной степени. Количество бактерий, дрожжей и грибов культур, которые могут быть относительно терпимо сильного сдвига среды обладают надежностью в физике высоких энергий перемешивания судов. Животных, рыб, насекомых и растений, клетки тонкий и обычно требуют низких сдвига условий для жизнеспособности. Вязкости bioreaction масс могут изменяться в процессе роста и этапах производства, и, зачастую, среда становится неньютоновской как цикл прогресса. Смешивание в биореактор является неотъемлемой частью эффективной тепло-и массообмена в этапах производства, что ставит дополнительные ограничения на соответствующий механизм агитации и реология bioreaction среды.
Другие ключевые различия между химическими реакторами и биореакторов селективность и скорость. В биореакторах, высокую селективность - то есть, мера способности системы для производства предпочтительный продукт (по сравнению с другими результатами), - имеет первостепенное значение. В самом деле, избирательность особенно важно при производстве относительно сложных молекул, таких как антибиотики, стероиды, витамины, белки и некоторые сахаров и органических кислот. Часто, активности и селективности желаемого происходит в существенно меньшем диапазоне условий, чем присутствуют в обычных химических реакторах. Кроме того, отключение биомассы часто порождает более серьезные последствия, чем химические расстроен.
Рейтинг имеет второстепенное значение. Для многих биологических системах, инкубационный период для подготовки культуры использовали привить биореактор с производства микробов или их прекурсоров. Хотя bioreaction может быть кратким, в системах, где организм или биомассы рост является необходимым, bioreaction может занять 10-20 г для завершения партии. Кроме того, биореактор, не следует рассматривать как изолированные единицы, а как часть интегрированного блока с обеих выше по течению (подготовки) и вниз (восстановление) оперативной группы.
Продукция bioreactions
Bioreaction продукты состоят из трех основных процессов:
1. Процессы, в которых продукт получается путем клетки либо внеклеточной, например, спиртов или критика кислота, или внутриклеточные, например, метаболит или фермента. Производство клеточных продуктов разделить на два типа, основанные на когда они производятся в рамках биологического цикла. Первичные метаболиты производятся в процессе роста и имеют важное значение для продолжения роста. Вторичных метаболитов производятся после роста прекратилась. Первичные метаболиты включать аминокислоты, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. Примеры сырья для промышленного использования включают этанол, лимонная кислота, ацетон, бутанол, лизин, полисахариды, витамины.
Среднее сотовой продукты образуются из полупродуктов и продуктов первичного метаболизма и, как правило, связана с определенной вида или группы организмов. Не все микроорганизмы, вторичные метаболиты, но они широко распространены среди мицелиальных грибов и растений. Многие побочные продукты имеют токсичных или антибиотическими свойствами и, как таковой, в основе многих антибиотиков промышленности. Производство ферментов с помощью bioreactions перемещенными неэффективных методов добычи с мутацией и генетических манипуляций. Промышленные ферменты найти свой дом в выпечке, пивоварения, переработки зерна, молочных решений, а также в производстве моющих средств, соки, вина и других продуктов.
2. Процессы, которые производят клеточной массы. пекарских дрожжей, используемых в промышленности выпечки, является примером производства клеточной массы. Среди других одноклеточных белков для пищевых источников.
3. Процессы, которые изменяют состав, который будет добавлен в процессе брожения, называются биотрансформаций. Биотрансформаций происходят использованием ферментативных присущие возможности большинства клеток. Клетки всех типов могут быть использованы для biocatalyze преобразования некоторых соединений с помощью обезвоживания, окисления, гидроксилирования, аминирования и изомеризации. Ферментативный переходы часто выставке ниже энергии активации и высокую селективность, чем их коллеги химических веществ. Стероиды, антибиотики и простагландинов, все это может быть произведен через биотрансформаций.
Ключевые вопросы в биореакторе проектирования и эксплуатации
Цель эффективного биореактора для контроля, сдерживания и положительное влияние на биологические реакции. Чтобы достичь этого, инженер-химик должен принимать во внимание двух областях. Одним из них является подходящей параметров реактора для желаемого биологических, химических и физических (макрокинетики) системы. Система включает в себя макрокинетики микробного роста и метаболитов производства. Микробы могут включать в себя бактерии, дрожжи, грибки и животных, растений, рыб и насекомых клеток, а также других биологических материалов.
Другие вопросы, представляющие важное значение для биореактора дизайн включает в себя bioreaction параметров, в том числе:
* Контролируемой температуре
* Оптимальное значение рН
* Достаточным подложки (как правило, источником углерода), например, сахаров, белков и жиров
* Наличие воды
* Соли в питании
* Витамины
* Кислорода (для аэробных процессов)
* Развитие газо-и
* Побочного продукта и удаления.
В дополнение к борьбе с этими, биореактор должны быть разработаны как способствовать формированию оптимальной морфологию организма и для устранения или уменьшения загрязнения нежелательных организмов или мутации в организме.
Эта статья даст описание и обзор различных bioreaction систем, в том числе и биореакторов, которые ориентированное на производство и те, которые используются для экологического контроля. Мы будем обсуждать преимущества и недостатки различных систем, с краткого упоминания о типичных применений для каждого. Кроме того, следует отметить, что существует широкий спектр bioreaction системы, и любая попытка классифицировать их по различным признакам естественно привести к некоторым перекрытием характеристик системы.
Мы не будем включать все различными подтемами, которые могут быть актуальны, так как изучение bioreactions так экспансивных, что было бы невозможно включить Подразделы здесь сколько-нибудь подробно. Эти Подразделы не включают: микробиологии, стерилизация, реологические свойства, перемешивание, мешалка дизайн, псевдоожижения, теплообмен, массообмен, поверхностных явлений и транспортных усовершенствований, кинетика, гидродинамика, scaleup, моделирование, приборов и управления технологическими процессами. По большей части, обилие литературы существует на этих обычных химических процессов и лечения часто напрямую применимы к биореакторов с небольшими изменениями для размещения на живые организмы, участвующие в процессе. Для более углубленного чтения по этим темам, смотрите в разделе Дополнительная литература в конце этой статьи.
Bioreaction / технологии брожения
Теперь мы будем обсуждать инженерные аспекты и приложения для различных bioreaction / технологии брожения, в том числе проблемы каждого из них и преимущества и недостатки соответствующих технологий. Различных типов систем, охватываемых bioreaction здесь включить партии, непрерывный, полунепрерывного, поверхности / лоток, воду, воздух поднимать петли и ручеек кровать установок. Как отмечалось ранее, Есть дублирования характеристик в ряде технологий обсуждали.
Пакетная bioreactions
Большинство bioreactions являются партии стрелке. На первом этапе партия bioreaction обычно стерилизации, после чего стерильной питательной среды зараженных микроорганизмами, которые начали выращивать на достижение конкретного результата. В этот динамичный период реакции, клетки, подложек (в том числе питательных солей и витаминов) и концентрации продуктов меняться со временем. Правильное смешивание сохраняет различия в составе и температуре на приемлемом уровне.
Содействовать аэробных культивирования, среды газированных обеспечить постоянный приток кислорода. Газообразных побочных продуктов образуются, например, Coz, удаляются, а аэрации и газа удаления процессы происходят полунепрерывно.
Далее, кислота или щелочь добавляется, если рН должно находиться под контролем. Чтобы сохранить пену до приемлемого уровня, пеногасители могут быть добавлены, когда указано пены датчика. Большой, нержавеющая сталь ферментера партии по производству пива на рисунке 1. (Партии ферментера похож на биореакторе показано на рисунке 3, но без цикла переработки.) Один из первых типов партии систем лоток ферментер (рис. 2), используемых в первые дни коммерческих аэробных bioreactions для таких продуктов, как лимонная кислота и пенициллин. В этой системе, лотки загружены с питательной среды и организмов, а поток воздуха создает bioreaction, в течение которого выхлопные газы разрядится. Когда bioreaction завершения конечного продукта удаляется из лотков. Поскольку этот метод неэффективен для создания больших коммерческих количествах, он быстро упал на обочине с появлением подводных системах танка, которые предназначены для обработки существенно больших объемах.
Целом, системы партии bioreaction обеспечивают целый ряд преимуществ, включая:
* Снижение риска загрязнения или мутации клетки, из-за относительно короткий период роста.
* Нижняя капитальных вложений по сравнению с непрерывными процессами на тот же объем биореактора.
* Больше гибкости с различной продукции / биологических систем.
* Высшее сырья преобразования уровней, в результате контролируемого периода роста.
К недостаткам относятся:
* Нижний уровень производительности за счет времени для заполнения, отопление, стерилизации, охлаждения, опорожнения и очистки реактора.
* Повышенное внимание приборов из-за частых стерилизации.
* Большой расходов, понесенных в подготовке нескольких субкультур прививки.
* Более высокие затраты на рабочую силу и / или управления процессом для этого нестационарного процесса.
* Большие производственные риски гигиены из-за возможного контакта с патогенными микроорганизмами и токсинами.
Общие приложения для пакетного биореакторов включают в себя:
* Продукты, которые должны быть произведены с минимальным риском заражения или организма мутации.
* Операции, в которых лишь небольшое количество продукта производится.
* Процессы с использованием 1 реактор, чтобы различные продукты.
* Процессы, в которых партия или полунепрерывного продуктов разделения является адекватной.
Непрерывная bioreactions
Определяющей характеристикой непрерывного bioreaction это непрерывный процесс кормления. Питательной среды, которая либо является стерильной и состоит из микроорганизмов, непрерывно подается в биореактор для поддержания устойчивого состояния. Конечно, продукт также обращается непрерывно от реактора. Реакция переменных и параметров контроля оставаться последовательной, создание постоянной времени состояние внутри реактора. В результате непрерывного производительности и объема производства. Эти системы обеспечивают ряд преимуществ, в том числе:
* Повышение потенциала для автоматизации этого процесса.
* Сокращение трудовых расходов, за счет автоматизации.
* Менее непроизводственной время, затрачиваемое на освобождение, наполнения и стерилизации реактора.
* В соответствии качества продукции в связи с неизменным рабочих параметров.
* Снижение токсичности риски для персонала за счет автоматизации.
* Сокращение нагрузки на документах из-за стерилизации.
Недостатки непрерывных биореакторов включают в себя:
* Минимальные гибкость, так как только незначительные изменения в процессе возможны (пропускная способность, состав среды, концентрации кислорода и температуры).
* Обязательные однородности качества сырья необходимо обеспечить, чтобы процесс остается непрерывным.
* Высшее инвестиционных расходов в управлении и автоматизации, а также увеличить расходы на непрерывной стерилизации среды.
* Большой расходы на обработку при непрерывном пополнении нерастворимых твердых субстратов, таких как солома.
* Более высокий риск заражения и мутации клетки, из-за относительно короткий период выращивания.
Непрерывная bioreaction часто используется для процессов с производства в больших объемах, для процессов, использующих газ, жидкость или растворимых твердых подложках, а для процессов с участием микроорганизмов с высокой мутации устойчивости. Типичные конечные продукты включают винный уксус, дрожжи пекарские и очищенных сточных вод.
Непрерывная против партии
Есть несколько основных преимуществ использования непрерывных bioreactions в отличие от пакетном режиме. Во-первых, непрерывный реакции открывают широкие возможности для исследования системы и анализа. Поскольку переменные остаются неизменными, ориентиром может быть определена по результатам процесса, а затем эффекты даже minor.changes на физические или химические переменные могут быть оценены. Кроме того, путем изменения роста предельного питательных веществ, изменения клеточного состава и метаболической активности можно отследить. Постоянство непрерывного bioreaction также обеспечивает более точное представление о кинетических констант, обслуживание энергетических и дает истинного роста.
Во-вторых, непрерывный bioreaction обеспечивает более высокую степень контроля, чем партии. Темпы роста можно регулировать и поддерживать в течение длительного периода. Изменяя разрежающего, биомасса концентрации можно управлять. Среднее метаболита производства можно поддерживать одновременно с ростом. В стационарном непрерывного bioreaction, смешанных культур может быть обеспечена использованием хемостат культуры - в отличие от партии bioreaction, когда один организм обычно вырастает другой. Хемостаты являются continuousflow перемешивают танк биореакторы (CFSTRs) в идеализированной стационарной, т. е. подача и выход потока композиции и потоков являются постоянными, и совершенное перемешивание происходит в течение CFSTR судна. В хемостаты состав выходе поток считается таким же, как в биореактор. Биореакторах работает как хемостаты могут быть использованы для повышения селективности термофилы, osmotolerant штаммов, или мутанты организмов с высокими показателями роста. Кроме того, в состав среды может быть оптимизирована для использования биомассы и образования продуктов с использованием импульсно-и-вахтовым методом, что внедрение питательных веществ непосредственно в хемостат. Поскольку изменения наблюдаются питательных добавляется в резервуар среднего предложения и новое стационарное состояние устанавливается ..
Третьим преимуществом является качество продукции. Из-за стационарного непрерывного bioreaction, результаты не только более надежным, но и более легко воспроизводимые. Этот процесс также приводит к повышению производительности в расчете на единицу объема, потому что много времени задач, таких как очистка и стерилизация, не нужны. Возможность автоматизировать этот процесс также делает его менее трудоемким и, следовательно, более экономичные и менее чувствительны к воздействию человеческой ошибки.
Наряду с сильных непрерывных bioreaction, присущие Есть недостатки, которые могут сделать этот процесс подходит для некоторых видов bioreaction. Например, одна задача заключается в контроле над производством некоторые не связанные с ростом продукции. По этой причине, непрерывный процесс часто требует питательной партии культивирования и непрерывное снабжение питательными веществами. Стены роста и клеточной агрегации также может вызвать вымывания или предотвратить оптимального роста устойчивого состояния.
Другая проблема заключается в том, что оригинальный продукт деформации могут быть потеряны с течением времени, если он обогнал более высокими темпами роста 1. Вязкости и неоднородный характер смеси можно также сделать его трудно поддерживать нитевидные организмы. Длительные периоды роста не только увеличивает риск заражения, но и подсказывает, что реактора должны быть очень надежными и последовательными, несущие потенциально больших первоначальных расходов в более высокое качество оборудования.
Полунепрерывных bioreactions
Это гибрид партии и непрерывного действия содержится во многих типах процессов. Одним из наиболее часто используемых инициирует bioreaction в пакетном режиме, пока рост лимитирующего субстрата уже израсходована. Затем субстрат подается в реактор, как указано (партии) или находится в ведении длительного периода культуры (непрерывного). Для вторичных метаболитов производства, при котором рост клеток и образования продуктов часто происходят в отдельных фаз, субстрат, как правило, добавить в указанной ставке. Как реакторах, квазинепрерывная реакторов не являются стационарными. Эти системы обеспечивают ряд преимуществ, в том числе:
* Высшее урожайности, в результате четко культивирования в течение которого клетки не добавлены или удалены.
* Увеличение возможностей для оптимизации состояния окружающей среды микроорганизмов по отношению к фазе роста или производства и возраста культуры.
* Почти стационарной эксплуатации, важных с несколько мутации микроорганизмов и людей, подверженных риску заражения. К недостаткам относятся:
* Нижний уровень производительности из-за длительных процедур для розлива, нагрева, стерилизации, охлаждения, опорожнения и очистки реактора.
* Большой расходы в сфере труда и / или динамического управления процессом для процесса.
Полунепрерывных биореакторов, как правило, используется при непрерывных методов не представляется возможным, например, те, в которых небольшие мутации или заражения микроорганизмов происходит. Такие биореакторы применяются также при групповых методов не обеспечивают необходимого уровня производительности.
Подводная биореакторов - смешения
Наиболее распространенный тип аэробного биореактора используется сегодня перемешивают танк реактор, который может особенность конкретного внутренней конфигурации предназначены для обеспечения конкретных циркуляции. Идеально подходит для промышленного применения, устройство предлагает производителям и низкие капитальные и эксплуатационные затраты. В лабораторных опытах с меньшими объемами, емкость для смешивания, как правило, сделаны из стекла. Бак из нержавеющей стали конструкция является стандартом для промышленных приложений с большими объемами. Высоты к диаметру судна может варьироваться, в зависимости от требований теплоотвода.
Принципы работы перемешивают танк биореактора относительно проста. Как показано на рисунке 3, стерильной среды и посевного вводятся в стерилизованные бак, и воздуха обычно входит в нижней части. Для оптимального перемешивания, бак функции не только системы агитатор, но также перегородки, которые помогают предотвратить джакузи том, что может помешать надлежащего перемешивания. На ранних этапах этого процесса, теплая вода может быть распространен через перегородки для разогрева системы, а позже, холодная вода может быть распространен внутри них, чтобы держать процесс от перегрева. Количество перегородок обычно составляет от 7:56.
Как bioreaction прогрессирует, пузырьки производства воздуха дробятся на агитатора, как они путешествуют вверх. Многие виды агитаторов в настоящее время используются, с наиболее распространенными из которых 4-лопастной диска турбины. Новые проекты Благодаря 12 или 18 лезвий или вогнутых, также показали, чтобы улучшить гидродинамики. В верхней части бака, выхлопной газ освобождается и продуктовыми потоками обратно вниз, где она сливается из бака.
В непрерывном потоке перемешивают танк реактора, подложки непрерывно подается в систему и продукт постоянно затягиваются и разделены, при этом производство организма возвращается в резервуар для повторного использования. Как и в обычных химических реакторах, биореакторы могут быть размещены последовательно или параллельно с контролируемой переработки потоков.
системы воздушных перевозок реактора
Также известен как башня реактора, воздушные биореактора можно охарактеризовать как мыльный пузырь столбец, содержащий проект трубы.
Многие типы воздушных перевозок биореакторов в настоящее время используются сегодня. Воздух, как правило, подается через разбрызгиватель кольцом в нижней части центральной трубки проект, который контролирует циркуляцию воздуха и среды (рис. 4). Потоки воздуха до трубки, образуя пузырьки, и выхлопных газов отключается, в верхней части колонки. Дегазации жидкости течет вниз и продукт сливают из бака. Труба может быть призвана служить в качестве внутреннего теплообменника, или теплообменник может быть добавлен к внутренним контуром циркуляции.
Пневматических систем обеспечивает ряд преимуществ против обычных биореакторах, таких, как стандартные ферментера:
* Простая конструкция без движущихся частей или уплотнения вала мешалки, для меньшего ухода, меньший риск развития дефектов и легче стерилизации.
* Нижняя скорости сдвига, для большей гибкости - система может быть использована для выращивания и клеток растений и животных.
* Эффективные газовой фазе разъединения.
* Большой конкретные поверхностного контакта с lowenergy ввода.
* Хорошо контролируемый поток и эффективного перемешивания.
* Четко определенный период, необходимый для всех его этапах.
* Увеличение массопереноса за счет расширения растворимости кислорода, достигнутый в больших цистернах с большим давлением.
* Большого объема танков возможности увеличения производства.
* Большой теплоотвода против обычных перемешивают танков. Основными недостатками являются:
* Высшее первоначальных капиталовложений за счет крупномасштабных процессов.
* Большой расход воздуха и более высоких давлениях, в частности для крупномасштабной операции.
* С низким коэффициентом трения с оптимальным диаметром гидравлических здания и downcomer.
* Нижняя эффективности сжатия газа.
* Существенно невозможно поддерживать должный уровень субстрата, питательных веществ и кислорода в организме, циркулирующей в биореактор и условия меняются.
* Неэффективное газа и жидкой фаз, когда происходит вспенивание.
Однако эти недостатки могут и должны быть сведены к минимуму при разработке пневматических систем. Например, если только в одном месте служит источником корма, организм будет испытывать непрерывный цикл высоких темпов роста, а затем от голода, в результате чего производство нежелательных побочных продуктов, низкой урожайности и высокого уровня смертности. Конструкция с несколькими точками загрузки устраняет эту опасность, особенно для крупномасштабных операций. Же риски, присущие единую точку входа для кислорода, которые должны быть поставлены в различных местах внутри судна, причем большинство из воздуха, поступающего в нижней части, чтобы распространить жидкости через реактор.
Воздушных перевозок внешнего контура реакторов
Другой тип воздушных система воздушных внешнего контура реакторной системы (AELR; рисунок 5), используются в основном для пакетной обработки. Рисунок 5 показывает визитки точки зрения, это, судна и downcomer на самом деле выше, чем показано на конкретных диаметром обращается. Изменение системы воздушных перевозок, AELR использует принудительной циркуляцией прямых воздуха и жидкости во судна. Эта система состоит из здания и внешних downcomer, которые соединены внизу и вверху, соответственно. Как вводят воздух в нижней части стояка создает пузырьки газа, которые начинают расти через основной боевой танк, выхлопных газов отключается, на верхней части и в результате тяжелых решение спускается через downcomer.
AELR имеет некоторые преимущества по сравнению со стандартными воздушные перевозки:
* Эффективная тепло-передачи и эффективного контроля температуры.
* С низким коэффициентом трения с оптимальным диаметром гидравлических для здания и downcomer.
* Четко определенные время пребывания в соответствующем разделе на AELR.
* Увеличение возможностей для измерения и контроля в здания и downcomer.
* Независимый контроль газового ввода курса и скорости жидкости на устройство регулирования между здания и downcomer.
Анаэробные bioreactions
Анаэробные bioreactions используются в таких приложениях, как производство биоэтанола, виноделия, пивоварения и очистки сточных вод. Технологии прочно закрепились в вина, этиловый спирт и пиво производства, улучшения в результате улучшению продукта и производства сокращению расходов. Непрерывная биореакторов для пива были коммерциализированы, однако, серийное ферментеров продолжать получать капитальных вложений. Переработка отходов является отрасли во многом считается созрели с полностью функциональным на современные технологии, поэтому, не так много внимания уделяется разработке новых процессов очистки сточных вод.
Технологии в стадии разработки
Ряд новых процессов в настоящее время разрабатываются. Один связан с использованием изолированных ферментов, а не целых клеток для проведения химических изменений. Преимущество заключается в том, что этот процесс не требует питания для специальных требований живых клеток. Тем не менее, ферменты, тоже может претерпевать изменения и, следовательно, требуют определения оптимальных условий, чтобы выразить их каталитической активности. Еще одной проблемой является то, что на изолированном ферментов часто дорогостоящим мероприятием для одноразового применения, использования.
Таким образом, долгое время реакции может потребоваться, если стоимость факторов требуют, чтобы дорогие ферменты должны использоваться только в низких концентрациях. Есть и другие недостатки их использования, также, таких, как необходимость удалить фермент из продукта один раз желаемое bioreaction произошло.
Иммобилизованных ферментов технологии в настоящее время успешно решить некоторые из этих трудностей. С фермента, иммобилизованного в постели или трубки, решение субстрат для преобразования затем пропускается через для перехода на продукт. Продукт постоянно, собранные в сточные воды в биореактор. Проектирования и эксплуатации иммобилизованных система аналогична процессам использованием гетерогенного катализа. Гетерогенных систем позволяет восстановления продукта при меньших затратах, чем разделение соответствующих однородных систем.
Газ-жидкость-твердое связаться биореакторы были исследованы с рядом иммобилизованных ферментных систем. Иммобилизации фермента может принимать самые разнообразные формы, и было изучено по целому ряду поддерживает. Метод, используемый в частности применение зависит от характеристик фермента, в ее систему, подложки и биореактор жидкости. Ферменты могут не поддерживаться на сетчатом или обычных структура массообмена, воплощен в фильме, при поддержке гель или кремния, полученных систем, на крупнопористых ионообменных смол или других полимерных поддерживает.
Одна система, что в настоящее время работает эта технология биореактора ручеек кровать (рис. 6). Не в отличие от некоторых типов биофильтров, традиционно используемых для контроля за выбросами, эта система имеет экран, на котором фермент придерживался и скованной, через который Раствор субстрата прошло для конвертации.
Мембран и полых волокон были опробованы на иммобилизованные системы bioreaction. Пример полых волокон с ферментами, включили в свои стены. Диффузии субстрата через стенки трубы позволяет связаться с загущенное ферментов и превращение в товар. Последующие распространение этого продукта позволяет интервалов, необходимых для его восстановления. Под влиянием перепад давления на стенки трубы, продукт проходит через внутрь трубки, в конечном итоге должны быть собраны в multitube заголовка. Производство этанола, достигнутый в лаборатории с иммобилизованными ферментами с неподвижным слоем катализатора и мембранных реакторов. Ферменты уже успешно опробована на сахар переход на этанол.
Глюкоза изомеризации на фруктозы хорошо установлено, большие объемы коммерческого процесса для производства с высоким содержанием фруктозы кукурузный сироп (ГФУ). Технологии, использующие иммобилизованных изомераза глюкозы в основной кровать и кипящем реакторе продолжают развиваться.
Резюме
Биореакторах станет неотъемлемой частью развития многих новых продуктов высокой ценности и замена существующих химических процессов, основанных на сырьевые товары. Правильный выбор и проектирование реактора будет определить оптимальные коммерческих биотехнологических и соответствующих капитальных вложений. Биореактора следует рассматривать не как изолированное отделение, но как часть интегрированного блока с обеих выше по течению (подготовки) и вниз (увольнения) оперативной группы.
Дополнительная литература
Карберри, Джеймс J., "Химические технологии и каталитической реакции инженерия," McGraw-Hill, Нью-Йорк (1976).
Чистые, MY ", биореакторах воздушных перевозок", Elsevier Science, графство Эссекс, Великобритания (1989).
Крабб, М. Джеймс, редактор "фермента биотехнологии: белковая инженерия, структура и прогнозирования брожения," Ellis Horwood, Западный Суссекс, Великобритания (1990).
Гхош, Tarun К., редактор, "Биопроцесс Техника: первое поколение," Ellis Харвуд, Западный Суссекс, Великобритания (1989).
Джексон, AT, "Технологии в области биотехнологии", Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1991).
Ли, JR, редактор, "Моделирование и управление процессами брожения," Питер Peregrinus, Лондон (1987).
Mijnbeek, Г. и др. /. ", Проект биореакторов Дизайн и выход продукта", Открытого Universiteit и Темза политехнический институт, Butterworth-Heinemann, Оксфорд (1992).
Sikdar, Субхас K и др., редакторы, "Достижения в биотехнологической", CRC Press, Бока Ратон, Флорида (1990).
Синклер, CG, Б. Кристиансен, "Брожение Кинетика и моделирование", и Фрэнсис Тейлор, Нью-Йорк (1987).
Underkofler, Леланд, и Ричард Дж. Хики, ред. "Промышленная ферментация," Химическая Издательское дело, в Нью-Йорке (1954).
Вант Reit, Клаас, и Йоханнес Tramper, "Основные биореакторов Дизайн", Marcel Dekker, Нью-Йорк (1991).
Wang, Daniel IC, и др.. ", Брожения и ферментов технологии", John Wiley, Нью-Йорк (1979).
JOHN А. Уильямс, PHD, возможная ошибка EPS: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
JOHN А. Уильямс генеральный менеджер EPS: Охрана окружающей среды
