Идеальные биореакторы

В разд. 1 мы познакомились с идеальными биореакторами с полным перемешиванием. Предполагается, что в таких реакторах перемешивание настолько эффективно, что концентрации биокатализаторов и условия протекания реакций практически одинаковы в любой точке объема реактора. Это приближение будет справедливым только в том случае, если любые существующие в реакторе градиенты достаточно малы, так что локальная скорость реакции для данной клетки или данной частицы биокатализатора в существенной степени не меняется при перемещении частицы катализатора (или клетки) из одной зоны реактора в другую. Возможна и альтернативная ситуация, когда частицы биокатализатора очень быстро циркулируют между различными зонами реактора, и тогда расчет реактора на базе усредненных условий, считающихся одинаковыми во всем объеме реактора, обычно дает удовлетворительные результаты. Эта ситуация может реализоваться (в зависимости от типа изучаемого процесса) в лабораторных и даже в пилотных промышленных установках небольшого объема. Напротив, при росте культур филаментозных организмов или организмов, продуцирующих внеклеточные полимерные соединения, и при высокой плотности организмов культуральная жидкость приобретает в высшей степени неньютоновские свойства, поэтому даже в случае небольших лабораторных реакторов система никогда не приближается к режиму идеального перемешивания.

Изучение теории идеальных биореакторов с полным перемешиванием важно с нескольких точек зрения. Во-первых, такие реакторы обеспечивают достаточно определенные условия, что необходимо для изучения кинетики соответствующих процессов в лабораторных условиях. Во-вторых, модели на основе идеальных реакторов часто могут сравнительно успешно применяться даже в тех случаях, когда требуемые этими моделями условия выполняются не полностью. Наконец, реакторы с полным перемешиванием являются отправной точкой для изучения и определения параметров реакторов с неполным перемешиванием и со значительной объемной неоднородностью условий реакций. Как мы увидим позднее, иногда в лаборатории удается рассчитать и смоделировать крупномасштабные реакторы с неполным перемешиванием, воспользовавшись модельными системами, состоящими из каскада взаимосвязанных реакторов. Прежде всего мы рассмотрим идеальные реакторы периодического действия и идеальные ПРПП, с которыми познакомились в разд. 1, а затем перейдем к изучению идеальных реакторов полного вытеснения (с поршневым потоком), в которых обратное перемешивание (осевое смешение) пренебрежимо мало.