1

Ingineria proceselor chimice şi biologice/11

Departamentul Ingineria şi Managementul Mediului

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din IaşiFacultatea de Inginerie Chimică şi Protecţia Mediului

Baterii de reactoare (Reactoare multiple)

Reactoarele cu amestecare perfectă şi cu deplasare totală pot fi conectate în diferite moduri, obţinându-se sisteme cu mai multe reactoare, numite baterii de reactoare.

Reactoarele dintr-o baterie pot fi de aceeaşi mărime sau de mărimi diferite.

Bateria de reactoare cu amestecare perfectă legate în serie este utilizată frecvent în practica industrială în cazurile în care sunt necesare durate mari de reacţie, caz în care volumul total al spaţiului de reacţie este foarte mare.

Spre deosebire de reactoarele tubulare, în care concentraţia reactanţilor scade continuu, pe măsură ce fluidul trece prin reactor, în reactoarele cu amestecare perfectă cu funcţionare continuă concentraţia scade instantaneu, la o valoare corespunzătoare concentraţiei la ieşirea din reactor.

Din acest motiv, se consideră că reactoarele tubulare sunt mai eficiente decât reactoarele cu amestecare perfectă, pentru reacţii a căror viteză depinde numai de concentraţia reactanţilor (de exemplu, cazul reacţiilor ireversibile de ordin n, unde n > 0).

Reactoare de diferite tipuri legate în serie

Se consideră o baterie de reactoare formată din două reactoare cu amestecare perfectă între care se intercalează un reactor cu deplasare totală:

Dacă se impune concentraţia (conversia) la ieşirea din fiecare reactor, atunci volumul total al bateriei de reactoare se poate calcula pe cale grafică, ţinând seama de profilul curbei (1/-rA) = f (XA) şi de ecuaţiile de dimensionare ale reactoarelor din baterie (la volum de reactie constant pentru fiecare reactor) (ec. 137-139):

A

AAA

A rXX

CFV

01

0

0

11 (137)

2

1

0

0

22

A

A

X

X A

AA

A rdXC

FV (138)

A

AAA

A rXX

CFV

23

0

0

33

(139)

XA1 XA2 XA

1/(-rA)

0 XA3

0

1

AFV

0

2

AFV

0

3

AFV

Problema.

Într-o baterie de reactoare continue se desfăşoară o reacţie chimică, pentru care s-au determinat experimental valorile vitezei de reacţie (-rA), la diverse valori ale gradului de transformare a reactantului de referinţă A (XA). Datele experimentale sunt prezentate în tabelul 1.

Se cere:a) Să se determine volumul unei baterii formată din trei reactoare

continue înseriate în ordinea: AP-DT-AP pentru o conversie finală XA= 86% pentru un debit de alimentare cu reactant de referinţă FAo = 18 mol/s, ştiind că după primul reactor conversia intermediară este de 25%, iar după al doilea reactor este de 60%.

b) Să se compare cu volumul unui reactor cu deplasare totală, care realizează aceeaşi conversie finală, XA = 86%

c) Să se compare cu volumul unui reactor cu amestecare perfecta, care realizează aceeaşi conversie finală, XA = 86%

XA1=0,25XA2=0,60

XA3=0,86

XA1 XA2 XA

1/(-rA)

0 XA3

0

1

AFV

0

2

AFV

0

3

AFV

11

PROCESE BIOLOGICE

Particularităţi ale proceselor biologice

În afară de reacţiile chimice tipice, care fac obiectul analizei proceselor chimice - este cunoscută şi o altă clasă de reacţii caracterizată prin utilizarea unor enzime sau celule vegetale sau animale în scopul realizării unor conversii mari sau pentru convertireaunor substanţe în altele, transformări care în alte situaţii ar necesita condiţii dure de lucru.

12

În cadrul acestor tipuri de reacţii, pot fi generate substanţe chimice (principii active cu rol farmaceutic) care, prin sinteză chimică, ar necesita costuri mari şi condiţii de lucru speciale.

Aplicarea acestor tipuri de reacţii nu este de dată recentă, documentele menţionând faptul că, încă din antichitate, celulele vii au fost exploatate în vederea obţinerii unor produse (alcool etilic, acid acetic etc.).

Organismele vii au o structură complexă şi sunt capabile să realizeze o gamă largă de transformări, care pot fi dirijate prin controlul mediului în care se dezvoltă sau prin modificarea constituţiei genetice.

13

Constituienţii biochimici ai celulelor vii sunt grupe particulare de proteine care pot avea proprietăţi catalitice: acestea sunt enzimele.

Inginerul chimist poate interveni în controlul condiţiilor de dezvoltare a microorganismelor adaptându-le astfel încât să orienteze transformările chimice spre un scop propus anterior.

14

Proteinele cu rol de catalizator (enzimele) sunt similare cu catalizatorii anorganici, dar diferă de aceştia din următoarele puncte de vedere:

• enzimele sunt catalizatori mai puternici, capabili să intensifice vitezele de reacţie

• sunt catalizatori mult mai specifici decât catalizatorii anorganici

• condiţiile de reacţie în care acţionează enzimele sunt blânde (T < 100˚C)

• enzimele sunt solubile în apă, dar se găsesc în mod frecvent în membrana celulară a microorganismelor

15

• structura pereţilor celulari este astfel construită încât permite pătrunderea substanţelor nutritive numite generic substrat

• peretele celular permite şi evacuarea produşilor de metabolizare

• îşi păstrează activitatea catalitică şi după izolarea de celula mamă şi sunt utilizate ca atare fără a fi necesară revigorarea celulei din care provin

• deoarece enzimele sunt solubile în apă, adesea este necesară imobilizarea lor, eventual prin ataşarea pe un suport solid astfel încât să nu fie antrenate cu produsele de reacţie

16

Numeroase probleme întâlnite în procesele biologice sunt similare cu cele din ingineria chimică, totuşi prezenţa materialelor biologice conferă masei de reacţie proprietăţi fizice şi cinetice care sunt particulare

Pentru inginerii chimişti care conduc procese biologice sunt importante următoarele aspecte:• alegerea microorganismului;• alegerea tipului de cultură;• alegerea tipului de reactor;• stabilirea condiţiilor de mediu (T, p, agitare,

intensitatea barbotării);• conducerea în sine a procesului în condiţii optime.

17

În centrul procesului biologic este reacţia biologică care se realizează într-un bioreactor.

Alegerea acestuia constituie una din atribuţiile de mare importanţă pentru inginerul de proces, care trebuie să ţină seama de următoarele:• natura şi modul de procesare a materiilor prime;• calitatea materialului biologic;• posibilitatea de control a procesului.

O analiză de ansamblu a unui proces biologic la nivel industrial (biotehnologii) se poate realiza conform unei scheme care evidenţiază complexitatea unui astfel de proces:

18

19

Caracteristici ale proceselor biologice:

• Procesele biologice au o complexitate ridicată pentru că implică lucrul cu organisme vii cu un grad mare de variabilitate din punct de vedere genetic.

• În interiorul fiecărei celule există un mediu controlat în care se produc mii de reacţii catalitice. În interiorul celulei pot coexista reactanţii şi produşii.

• Celulele constituie sisteme de control şi stocare a informaţiilor pentru coordonarea întregului sistem.

• Toate aceste activităţi au loc la temperatură şi presiune relativ blânde şi sunt părţi constituente ale metabolismului celular.

• Se poate spune că fiecare celulă constituie un microreactor.

20

Glyoxalasa umana: sferele rosii reprezinta ioni de Zn de care ar avea nevoie enzima pentru a activa drept catalizator

Enzima psi