14. Реакторы для процессов с использованием иммобилизованных катализаторов

Иммобилизованные биокаталитические системы функционируют в биореакторе в виде неподвижной фазы, через которую протекает среда с субстратом, подлежащим биоконверсии. Возможны различные инженерные решения для подобного проточного биореактора. Наряду с непрерывным в таких реакторах используют и периодический режим. Аппараты для иммобилизованных биокатализаторов имеют аналогию с реакторами для химических процессов с гетерогенным катализом.

Если иммобилизованные катализаторы имеют вид гранул, то важной задачей является их максимально плотная упаковка в аппарате. Таким путем реализуют еще одно преимущество метода — возможность повышения концентрации биообъекта в реакторе, что влечет за собой и более высокий выход целевого продукта. Например, плотность популяции животных клеток in vitro не превышает 106 на 1 мл среды, тогда как в составе гелевых гранул или капсул достигает 108— 109на 1 мл.

Плотную упаковку реализуют в биореакторе с циркуляционным перемешиванием и насадкой, роль которой играют гранулы с иммобилизованным биокатализатором. Это один из преобладающих типов биореакторов для иммобилизованных биокаталитических систем, используемый, например, для получения спирта с помощью клеток дрожжей или бактерий Zymomonas mobilis. Применение циркуляционных биореакторов с насадкой порождает, однако, серьезные проблемы: 1) недостаточно эффективное перемешивание, что обусловливает формирование нежелательных температурных, концентрационных и рН-градиентов в объеме аппарата; 2) затруднения с удалением ССЬ и других газообразных продуктов, которые, прокладывая себе путь к верхней части аппарата, разрушают гранулы с иммобилизованным биокатализатором.

Для улучшения перемешивания и газообмена биореактор снабжают механической мешалкой, что ощутимо повышает энергозатраты и может быть причиной разрушения гранул. Борьба с повреждающим действием мешалки ведется путем укрепления гранул. Отметим, что мембранные капсулы для животных клеток обладают прочностью, достаточной для сохранения их целостности при работе механической мешалки. Свободные животные клетки при тех же оборотах мешалки подвергаются лизису.

Предохранение гранул с катализатором от повреждения мешалкой достигается в биореакторе «корзиночного» типа. Биореактор снабжен мешалкой, которая вращается в полом цилиндре из проволочной сетки — «корзине». «Корзина» несет в своих ячейках гранулы, содержащие биокатализатор. Получаются два уровня иммобилизации — гранулы с иммобилизованным биокатализатором, которые, в свою очередь, фиксированы в ячейках проволочной сетки. Проволочная корзина предохраняет гранулы от разрушения в процессе перемешивания.

. Для стимуляции газообмена предложена оригинальная конструкция реактора, в частности для целых клеток, включенных в полимерный гель. Этот гель не оформляют в виде гранул, а еще незастывшим заливают в аппарат, где и происходит гелеобразование. Например, гелеобразование альгината вызывают добавлением Са2+. Получается монолит геля с иммобилизованным биокатализатором. В этой массе геля прорезают вертикальные каналы для оттока газов. Такие каналы можно изготовить, поместив в биореактор с незастывшим гелем вертикально ориентиро ванные стержни. Подобный биореактор не дает, однако, возможности реализовать принцип протока и поэтому годится лишь для периодического режима работы.

Для биокатализаторов, иммобилизованных в полых волокнах, создан специальный реактор. Раствор субстрата протекает через сосуд, рыхло заполненный полыми волокнами, во внутреннем объеме которых содержится биокатализатор. В таком биореакторе достигнута 90%-ная конверсия фумарата аммония в аспартат с помощью клеток Е, coli.

Имеются сообщения о пневматических (эрлифтных, колоночных) биореакторах для иммобилизованных растительных клеток.

Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, что в ближайшее время область их применения существенно расширится. В таких реакторах, называемых реакторами с неподвижным слоем катализатора, с помощью иммобилизованных ферментов осуществляют изомеризацию глюкозы, частичный селективный гидролиз пенициллина, селективное расщепление смеси производных рацемических аминокислот. В реакторах с неподвижным слоем изучались также процессы с участием иммобилизованных клеток.

В простейшем и часто довольно успешно применяющемся математическом описании работы реактора с неподвижным слоем катализатора в основу положена модель реактора полного вытеснения, модифицированная с целью учета влияния каталитической насадки на структуру течений и кинетику реакций. Поверхностную скорость потока через реактов определяют как объемную скорость потока исходных веществ, отнесенного к площади поперечного сечения пустот, которое представляет собой произведение общей площади поперечного сечения колонны на долю пустот .

Для простой реакции S>T, протекающей с собственной скоростью v = v (s, p), скорость образования продукта в единице объема гранулы иммобилизованного катализатора в какой-либо определенной точке реактора равна:

vобщ = (ss, ps)v(ss, ps)

Здесь ss и ps концентрации субстрата и продукта соответственно на наружной поверхности частицы катализатора в данной точке объема реактора. Как указано в уравнении (1), в общем случае коэффициент эффективности , определяющий скорость диффузии в частицу катализатора, и скорость реакции v зависят как от ss, так и от ps.

Математический балланс по сустрату в сферический частице катализатора радиусом R в стационарном состоянии будет выражаться уравнением:

4R2ks(sss) = 4/3R3(ss, ps)v(ss, ps)

или: Скорость диффузии субстрата из жидкой фазы = скорости трансформации субстрата внутри частицы в результате реакции.

Преобразование и подстановка величин уравнений (1) и (2) дает выражение, позволяющее определить общую скорость утилизации субстрата, отнесенную к единице объема частиц катализатора, если известна концентрация субстрата в жидкой фазе.

Течение вокруг частицы, составляющих слой насадки, и особенно смешения жидкой фазы в пустотах между частицами создают обратное смещение, которое может вызвать отклонение от режима полного вытеснения. В таких случаях можно применять дисперсионную модель или модель на основе каскада реакторов. Влияние небольшой дисперсии на работу реактора в сравнении с режимом идеального вытеснения мы уже обсуждали при изучении стерилизаторов.