Microsoft PowerPoint - 20x_.ppt

Transcriere

1 Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi Facultatea de Inginerie Chimică şi Protecţia Mediului Ingineria proceselor chimice şi biologice/20 Titular disciplină: Prof.dr.ing. Maria Gavrilescu Catedra Ingineria şi Managementul Mediului 1

2 Bioreactorul cu amestecare şi recircularea biomasei În numeroase cazuri este necesară operarea unui bioreactor continuu la rate de diluare foarte mari. Un caz particular este epurarea biologică a apelor uzate. O soluţie a acestei probleme poate fi găsită prin utilizarea unui bioreactor cu un volum de lucru mare, care este neeconomică. O altă variantă constă în aplicarea unei metode de reţinere a biomasei, prin realizarea unui curent de recirculare a biomasei în bioreactor, permiţând în acelaşi timp evacuarea curentului de alimentare epuizat în substrat. 2

3 Se pot aplica următoarele variante: - bioreactor cuplat cu filtrare externă - bioreactor cuplat cu filtrare internă - bioreactor cuplat cu centrifugare - bioreactor cuplat cu sedimentare Membrană 3

4 Centrifugare 4

5 Filtrare internă 5

6 Una din cele mai aplicate metode este trecerea efluentului din bioreactor într-un decantor, iar biomasa concenrată sau o porţiune din aceasta este returnată în vas. S 0 X 0 0 Alimentare proaspătă Bioreactor V, X, S 0 + R X S Decantor Efluent e X e S e Biomasa recirculată Nămol în exces R X R S R W X R S R 6

7 Sistemul poate fi analizat şi modelat întocmind bilanţul de materiale pentru bioreactor. Se admite ipoteza că, în separator nu se produce creşterea microbială sau reacţia biochimică, astfel încât concentraţia substratului S în curentul de intrare în decantor este aceeaşi cu cea din efluentul clarificat, din curentul ce conţine biomasa evacuată şi din curentul de recirculare. 7

8 Bilanţul de materiale pentru bioreactor este următorul: Debitul de materiale int rate cu a lim entarea proaspata Debitul de materiale int rate prin curentul de recircular e (92) Debitul de materiale generate in reactia bio log ica Debitul de iesire la separator Acumulare 8

9 Bilanţul pentru substrat: (93) S + S r V ( ) R R + S - 0 R = S V ds dt Bilanţul pentru biomasă: X + X + r V ( ) R R X - 0 R = X V dx dt (94) 9

10 Ipoteze: r X X Se cunoaşte că: dx dt X stare staţionară alimentare sterilă 10

11 În aceste condiţii, bilanţul pentru biomasă (ec. 94) se formulează astfel: R X R XV X 0 0 R (95) Dacă se împarte expresia prin 0 se obţine: R 0 X R X V 0 X R 0 X 0 (96) 11

12 R 0 R Raportul de recirculare (97) V D 0 Rata de diluare 12

13 Ţinând seama de relaţiile (97), ec. (96) devine: X D X 1 R RX R (98) Întrucât în ecuaţie apare raportul de recirculare este necesar să se ia în considerare performanţa separatorului ξ (randamentul de separare)(ec. 99): X R X (99) 13

14 Dacă relaţia (98) se divide cu X şi se substituie expresia (99) rezultă ec. (100): D 1 R R (100) Ec. (100) se poate rearanja în forma (101): D 1 R 1 (101) 14

15 Se poate constata că : - numitorul ec. (101) este mai mic decât unitatea, deci D > μ - relaţia (101) nu depinde de modelul cinetic al creşterii microbiale - dacă R=0 sau ξ = 1 ecuaţia (100) devine: D = μ corespunzătoare unui bioreactor cu amestecare perfectă în stare staţionară fără recirculare Efectul recirculării constă în faptul că permite operarea bioreactorului la rate mai mari de diluare decât cele posibile fără recirculare. 15

16 Procese chimice/biologice care se desfăşoară în (bio)reactoare reale Cauzele abaterii de la idealitate a curgerii în reactoare reale Caracterul curgerii specific celor trei tipuri de curgere ideală analizată până acum nu este întâlnit în reactoarele reale. Un număr mare de scheme de circulaţie se apropie de condiţiile ideale de curgere. Reactoarele industriale, pilot sau de laborator se caracterizează prin curgerea neideală a masei de reacţie. Acest tip de curgere este cuprins între curgerea cu deplasare totală şi cea cu amestecare perfectă. 16

17 Abaterea de la idealitate este consecinţa unor defecte de curgere, adică a formării zonelor stagnante (staţionare), canalelor de curgere preferenţială, a existenţei scurtcircuitelor şi a amestecării axiale. Aceste forme ale curgerii neideale pot fi individuale sau combinate şi conduc la micşorarea performanţelor reactoarelor. Din acest motiv, în activitatea de proiectare trebuie să se ţină seama de caracteristicile curgerii neideale. 17

18 Cauzele care determină abaterea circulaţiei de la caracterisiticile ideale sunt numeroase. Câteva dintre ele sunt următoarele: - anumite caracteristici constructive (provenite de exemplu dintr-o proiectare necorespunzătoare) ale reactorului sau ale diferitelor elemente care îl compun: agitator, serpentina pentru transferul de căldură, şicane; - specificul sistemului de reacţie: proprietăţi fizice (în special vâscozitatea şi densitatea), felul şi numărul fazelor, proporţia dintre acestea, regimul de curgere (laminar, turbulent); - gradienţii de temperatură din reactor care determină variaţia proprietăţilor fizice ale fluidului. 18

19 Toţi aceşti factori determină apariţia, în interiorul reactorului, a anumitor moduri de circulaţie a fluidului care se abat de la curgerea ideală, cum sunt: zonele stagnante (moarte), materializate prin porţiuni ale volumului reactorului, în care fluidul poate fi considerat în repaus şi care din punct de vedere al performanţelor reactorului sunt total ineficiente: 19

20 scurtcircuitele (curgerea cu ocolire) reprezintă fracţiuni din curentul total de fluid alimentat în reactor, care trec direct de la intrare la ieşirea din reactor fără a realiza o durată de contact semnificativă cu componentul din interiorul reactorului. 2 20

21 canalele preferenţiale: L G G L 21

22 Datorită anomaliilor de curgere, diferitele părţi de fluid vor parcurge traiectorii de lungimi diferite, ceea ce determină durate de staţionare diferite a fluidului în reactor. Din această cauză, curgerea fluidelor în reactoarele reale se caracterizează prin distribuţia duratelor (timpilor) de staţionare (DDS). Cunoaşterea DDS prezintă o mare importanţă atât pentru evaluarea conversiei în reactoarele reale cât şi pentru determinarea unor mărimi importante în modelarea reactoarelor (coeficientul de dispersie, constanta de echilibru, fracţia de goluri). 22

23 Distribuţia duratelor de staţionare poate fi calculată cu ajutorul funcţiilor de distribuţie a vârstelor elementelor de volum de fluid din interiorul reactorului sau la ieşirea din reactor. Vârsta reprezintă timpul scurs din momentul intrării volumului elementar de fluid în interiorul reactorului până când se măsoară acest element de fluid. Vârsta unui volum de fluid poate fi măsurată în diferite puncte din interiorul reactorului sau la ieşirea din reactor. Raportul între o vârstă şi un timp curent sau o vârstă şi un timp mediu de staţionare se numeşte timp redus şi arată cu cât se abate vârsta unui element de la valoarea medie a tuturor vârstelor. 23