3. Реакторы с неидеальным перемешиванием

Закончив изучение идеальных реакторов с полным перемешиванием или трубчатых реакторов полного вытеснения, которые можно воспроизвести в лабораторных мелкомасштабных экспериментах, рассмотрим теперь более реальную ситуацию, типичную для больших промышленных реакторов. Здесь основное внимание будет уделено методам изучения параметров перемешивания и структуры течений в резервуарах реакторов, применению полученных данных в проектировании биореакторов, а также исследованию некоторых взаимосвязей между биологическими или биокаталитическими реакциями и характером перемешивания и структурой течений в реакторе. Сначала рассмотрим вопрос о времени выравнивания концентраций компонентов в перемешиваемых резервуарах, что необходимо для знакомства с масштабами времени; здесь мы познакомимся также с существованием крупномасштабных циркуляций в реакторах и получим некоторое представление о характерном для биореакторов порядке величин времени циркуляции.

РИС. 7. Влияние различных перемешивающих и других внутренних устройств в резервуарах с перемешиванием на соответствующие характерные отклики системы, наблюдаемые после импульсного введения индикатора. Отклик системы здесь представлен как отклонения от концентрации индикатора в конечном, полностью перемешанном состоянии. (По данным Нагаты [15])

3.1. Время выравнивания концентраций в реакторах с перемешиванием

Под временем выравнивания концентраций понимают время необходимое для достижения определенного уровня гомогенности содержимого реактора после импульсного введения индикатора в определенную зону реактора. Функции индикатора может выполнять раствор соли, кислоты или основания, нагретая или охлажденная жидкость. Циркуляционные характеристики реактора и время выравнивания концентраций можно определить путем непрерывного мониторинга концентрации индикатора в одной или нескольких точках реактора. Как схематично показано на рис. 7, характер циркуляции и время выравнивания концентраций в общем случае зависят от конструкции реактора (в особенности от наличия и конструкции внутренних, приспособлений) и перемешивающих устройств. На представленных на том же рисунке графиках отражен периодический характер изменения концентрации индикатора, указывающий на то, что для выравнивания концентраций компонентов смеси необходимо определенное число циркуляций всего содержимого реактора. Время циркуляции является важным параметром и с другой точки зрения: оно приближенно указывает характерный временной интервал, в течение которого суспендированные в перемешиваемой жидкости клетки или частицы биокатализатора циркулируют через различные зоны реактора, возможно, сталкиваясь на этом пути с различными условиями реакций. Затем, как упоминалось выше, необходимо определить, могут ли эти флуктуации условий в силу своей интенсивности и временного диапазона в существенной степени влиять на локальное кинетическое поведение системы. К вопросу о времени выравнивания концентраций вы вернемся в заключительной части этого раздела при анализе некоторых экспериментальных работ, повященных изучению влияния перемешивания на активность биокатализаторов.

С математическими выражениями, позволяющими определить время выравнивания концентраций в ньютоновских жидкостях и мицелиальных культурах, и с экспериментальными данными по оценке времени выравнивания концентраций в растворах полисахаридов, продуцируемых микроорганизмами, можно познакомиться в обзоре Чарльза. Установлено, что в некоторых ферментерах емкостью 2,5—160 м³ время выравнивания концентраций составляет 29—104 с. С другой стороны, сообщалось, что в ряде случаев время выравнивания концентраций достигает нескольких минут. В реакторе объемом 25 м³ при глубокой струйной аэрации время выравнивания концентрации составило 80 с (в случае воды). Чарльз указывал, что время выравнивания концентраций в 1%-ном растворе ксантана равно приблизительно 6 мин при скорости вращения мешалки 300 об/мин в отсутствие аэрации и около 1 мин при скорости вращения мешалки 500 об/мин и аэрации воздухом, когда объем последнего составляет 0,25% объема смеси. С другой стороны, упоминалось, что в небольших реакторах время выравнивания концентраций составляет 2—3 с. Эти величины дают представление о порядке величин времени выравнивания концентраций в реакторах различной емкости в зависимости от природы содержащейся в биореакторе реакционной массы. В данном разделе мы будем изучать закономерности циркуляции в больших объемах жидкости и связанную с этим возможность неоднородности состава смеси и ее температуры. Анализ меньших реакторов, где главную роль играют турбулентность и ее взаимосвязь с массопередачей и ростом клеток.