Тема 8 Процеси и апарати в биотехнологията

[Mozo]

Смесване
Смесването е процес на изравняване на потенциалите в една система (масови и топлинни). То е най-важният процес в биореактора, когато най-бавните стадии са масо- и топлобмените процеси. Смесването може да се извършва между газове, течности, твърди тела в насипно състояние (например ензими и др. миещи средства). Най-лесно се смесват газове, а най-трудно твърди вещества.

Смесване чрез механично разбъркване. Особености на процеса
Механизми:
Механизмите се разделят на два вида – природни и създадени от човека.
Природните механизми на смесване се наричат още неинтензивни. Такъв например е молекулярната дифузия. При нея се извършва пренос на молекули от области с по-висока концентрация към области с по-ниска. Този механизъм обаче е много бавен, т.е. неговото технологично време е голямо. Колкото по-голямо е технологичното време (времето на смесване), толкова е по-голямо времето на пребиваване, което е свързано с обема. Големият обем от своя страна е свързан с повече инвестиции. За това при смесването се използват активиращи въздействия, които да ускорят процеса. В такъв случай се говори за създадени от човека (интензивни) механизми, чрез които се пренасят цели „парчета” от флуида от едно място на друго. Активиращите въздействия са енергетични (чрез механично въздействие), каталитични, биокаталитични (биоагент, биокатализатор). Най-широко разпространеното внасяне на енергия е чрез твърд елемент – бъркачка. Енергията може да се внася и чрез флуид – газ, течност, когато обемът на апарата е над 400.

Най-широко разпространеният интензивен механизъм на разбъркване е чрез твърд елемент – бъркачка.
Математическо описание:
Хидромеханиката на апарата се описва чрез критериите на Рейнолдс и Ойлер. Критерият на Фруд не се използва, защото в автомоделната система силата на тежестта – G е много по-малка от силата, която прилагаме.
Критерият на Рейнолдс приложен за процесът разбъркване се пресмята по формулата:

където n – обороти, d – диаметър, ρ – плътност, μ – вискозитет. За всеки вид бъркачка е характерна различна стойност на Re, т.е. различна турбулентност.
Критерият на Ойлер Eu се описва с критерий на мощността - . Той се пресмята по формулата:

където е истинската мощност.

Профил на скоростта на флуид в съд с бъркачка, централен вихър
Профилът на скоростта описан в цилиндричен съд с бъркачка, погледнат отгоре, се представя схематично по следния начин:

Ефективност и интензивност на разбъркването
Интензивността на разбъркване представлява количеството енергия, което се внася в единица обем. В смесителните устройства е добре да се внасят 3kV/. Тя е непосредствено свързана с бързината (времето) на смесване.
Ефективността е понятие, свързано с интензивността на разбъркване и с вида на бъркачката. При ефективността се отчита за колко време, при каква енергия се извършва смесването и до каква степен се постига еднаква концентрация в смесителя. Сумата от всички тези критерии представлява коефициент на полезно действие. Колкото повече енергия се внася, толкова повече нараства вероятността за смесване.

Режим на идеално смесване
Режимът на идеално смесване е хидромеханичен начин на организация на потоците от маса, при който време пребиваването на всяка една от частиците, влязла в зоната на смесване, зависи по особен начин от условията на смесване. Режимът се сравнява с буталния режим в утаителите, при който времето на пребиваване на всяка частица е едно и също.

Целият материал: