1. Charakterystyka i równanie mieszalnikowego bioreaktora okresowego
-duża szybkość reakcji; -czas jałowy(wada); -mała wielkość produkcji; -słaba standaryzacja produktu; -dobra elastyczność produkcji; -trudne pomiary i regulacja(bo parametry się zmieniają); -użyteczny przy złożonych wymaganiach hodowli; -sterylizacja in vivo (w ramach czasu jałowego)

brak wejścia i wyjscia

$$\underset{\begin{matrix} strumien \\ \text{masy\ } \\ \text{na} \\ \text{wejsciu} \\ (strumien \\ \ doplywu \\ \ substratu) \\ \end{matrix}}{} = \underset{\text{wyj}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{to\ co\ } \\ \text{przereag} \\ (strumien \\ \text{reakcji} \\ substratu) \\ \end{matrix}}{} + \underset{\text{akumulacja}}{}\backslash n$$

$${dt = - \frac{dC_{S}}{r_{S}}\backslash n}{t_{r} = - \int_{C_{\text{SO}}}^{C_{\text{SK}}}{\frac{dC_{S}}{r_{S}} = \int_{C_{\text{SK}}}^{C_{\text{SO}}}\frac{\text{dC}_{S}}{r_{S}}}\backslash n}{t_{r} = C_{\text{SO}}\int_{\propto_{S = 0}}^{\propto_{\text{SK}}}\frac{d \propto_{s}}{r_{S}} = C_{\text{SO}}\int_{\propto_{S = 0}}^{\propto_{\text{SK}}}\frac{d \propto_{s}}{K \cdot C_{\text{SO}}(1 - \propto )}}$$

2. Czas przebywania w reaktorze
Rzeczywisty czas przebywania reagentów w reaktorze jest ważnym parametrem w projektowaniu reaktorów i zależy od rodzaju przepływu

$$\tau = \frac{V_{R}}{\dot{V}} = \frac{C_{\text{SO}} - C_{\text{SK}}}{r_{S}}$$

$\underset{\begin{matrix} \text{reaktor} \\ ciagly \\ \end{matrix}}{} > \underset{\begin{matrix} \text{reaktor} \\ \text{okresowy} \\ \end{matrix}}{}$w danym zakresie stężeń

Proces okresowy ma czas jałowy (bezproduktywny)

Do wyznaczenia rozkładu czasu przebywania służą 2 metody:

-impulsowa: wpuszczamy impuls (odnośnik), mierzymy po jakim czasie pojawi się na wylocie z reaktora (wszystkie cząsteczki w tym samym czasie)

-skokowa: wpuszczamy barwnik, który się miesza i mierzymy, po jakim czasie na wylocie będzie tylko barwnik

Czas przebywania mierzymy znacznikami. Do reaktora wstrzykujemy znacznik i patrzymy co się dzieje. Znacznikiem może być barwnik, izotop, elektrolit.

$$\underset{\begin{matrix} \text{czas} \\ \text{bezwymiarowy} \\ \end{matrix}}{} = \frac{t}{\tau}$$

3. Charakterystyka i równanie mieszalnikowego bioreaktora o działaniu ciągłym

-mała szybkość reakcji; -brak czasu jałowego; -duża wielkość produkcji; -dobra standaryzacja produktu; -słaba elastyczność produkcji; -łatwe pomiary i regulacja; -mniej użyteczny przy złożonych wymaganiach hodowli; -niezależna sterylizacja (wymagany dodatkowy sterylizator)

	Przy mieszaniu stężenie powinno być jednakowe. W środku stężenie będzie równe strumieniowi końcowemu. Zachodząca reakcja powoduje, że stężenie w środku jest takie samo jak na wylocie

$$\underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ wplywa \\ \end{matrix}}{} = \underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{wyplywa} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{to\ co\ } \\ \text{przereag} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{brak\ akumulacji} \\ (w\ stanie\ ustalonym, \\ V_{R} = const) \\ \end{matrix}}{}\backslash n$$

$$\frac{V_{R}}{\dot{V}} = \frac{C_{\text{SO}} - C_{\text{SK}}}{r_{S}}$$

$$\tau = \frac{V_{R}}{\dot{V}} = \frac{C_{\text{SO}} - C_{\text{SK}}}{r_{S}(C_{\text{SK}})}$$

4. Kaskada reaktorów mieszalnikowych – matematyczny opis, co zyskujemy i dlaczego oraz jakim kosztem

Celem utworzenia kaskady reaktorów jest poprawa charakterystyki reaktora. W efekcie czas przebywania ulega skróceniu. Im więcej stopni w kaskadzie, tym lepiej (ponieważ, gdy n→∞, zbliżamy się do reaktora okresowego). Jednak, gdy jest ich zbyt dużo, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne rosną. Dlatego najkorzystniej jest gdy nє(2,4)

Kupuje się takie same reaktory, bo potem łatwiej wymieniać im części. W każdym reaktorze szybkość reakcji jest inna, Największa w 1, średnia w 2, mała w 3. W jednym reaktorze wszystko przereaguje z tą samą najmniejszą szybkością. Gdy mamy kaskadę mamy większa, średnią i mniejszą szybkość. Czyli ogólnie jest szybciej.

$${\frac{V_{R}}{\dot{V}} = \tau_{1} = \frac{C_{\text{SO}} - C_{S1}}{r(C_{S1})}\backslash n}{\frac{V_{R}}{\dot{V}} = \tau_{2} = \frac{C_{S1} - C_{S2}}{r(C_{S2})}}$$

$$\frac{V_{R}}{\dot{V}} = \tau_{3} = \frac{C_{S2} - C_{\text{Sk}}}{r(C_{\text{Sk}})}\backslash n$$

τ_S = τ₁ + τ₂ + τ₃

5. Charakterystyka i równanie bioreaktora kolumnowego/rurowego z przepływem tłokowym

-najwydajniejszy pod względem czasu; -główne reaktory w przemyśle wielkich syntez chemicznych; -płyn nie może być zanieczyszczony, bo reaktor będzie działać jak filtr (gdyż zwykle jest wypełniony katalizatorem); -utrudnione wstrzykiwanie mediów korygujących skład; -problemy z wymianą ciepła; -duża szybkość reakcji (równa okresowemu); -brak czasu jałowego; -bardzo duża wielkość produkcji; -dobra standaryzacja produktu; -słaba elastyczność produkcji; -mniej użyteczny przy złożonych wymaganiach hodowli; -niezależna sterylizacja (wymagany dodatkowy sterylizator)

$$\underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{wchodzi} \\ \end{matrix}}{} = \underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{wychodzi} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{przereag} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{brak\ } \\ \text{akumulacji} \\ \end{matrix}}{}$$ $$- \dot{V}dC_{S} = r_{S} \cdot dV_{R}$$ $$d\tau = \frac{dV_{R}}{\dot{V}} = - \frac{dC_{S}}{r_{S}} \rightarrow \tau = - \int_{C_{\text{SO}}}^{C_{\text{SK}}}\frac{dC_{S}}{r_{S}}$$

Jest to najszybszy reaktor, wydajny, wykorzystywany w petrochemii. Nie ma czasu jałowego. Najlepszy dla gazowych substratów. Ma 2 wady: trudno wymienia się w nim ciepło. Trudno jest wstrzyknąć tzw. korektę. Dodatkowo, gdy mamy im mobilizowany katalizator, to płyn musi być czysty, bez zawiesin, bo się zatyka. Czyli bardzo rzadko stosowany w biotechnologii.

6. Bioreaktor membranowy- charakterystyka, wady i zalety

-umożliwia regenerację enzymu (jego wielokrotne wykorzystanie) i prowadzenie procesów ciągłych; -jednoczesna możliwość immobilizacji i separacji składników mieszaniny reakcyjnej; -zatrzymuje enzym i substrat (gdy brak inhibicji substratowej); -przepuszcza produkt; -wadą, jest to, ze membrany lubią się zatykać

7. Czas jałowy i jego znaczenie przy dobieraniu typu bioreaktorów

Czas jałowy jest to czas bezproduktywny, występujący w procesie okresowym

$${T_{\text{ok}} = N\left( t_{r} + t_{j} \right)T_{\text{cg}} = \frac{V_{\text{zb}}}{\dot{V}} \cdot \tau\backslash n}{\frac{T_{\text{ok}}}{T_{\text{cg}}} = \frac{\frac{V_{\text{zb}}}{\dot{V}} \cdot (t_{r} + t_{j})}{\frac{V_{\text{zb}}}{\dot{V}} \cdot \tau} = \frac{t_{r} + t_{j}}{\tau} = \overset{> 1}{\overbrace{\left( \frac{t_{r}}{\tau} \right)}} + \overset{> 0}{\overbrace{\left( \frac{t_{j}}{\tau} \right)}}}$$

$$\frac{T_{\text{ok}}}{T_{\text{cg}}} = 1 \rightarrow objetnie$$

$${\frac{T_{\text{ok}}}{T_{\text{cg}}} < 1 \rightarrow krocej\ okresowy\backslash n}{\frac{T_{\text{ok}}}{T_{\text{cg}}} > 1 \rightarrow krocej\ ciagly}$$

8. Budowa i działanie bioreaktora mikrobiologicznego

Zawsze jest wielofazowy: {-komórki tworzą I fazę; -powietrze potrzebne aerobom w II faza; - czasem pożywka jest w postaci innej fazy; }odpowiednie mieszanie zapewnia pseudohomogeniczność
I rozpuszczenie tlenu w wodzie; II poprzez mieszanie tlen zbliża się do mikroba; III mikroorganizm przyswaja tlen (korzystnie, gdy jest dużo małych pęcherzyków); W takim reaktorze zachodzi przemiana mikrobiologiczna S+X(1+Y_x/s)*X

$$\underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{\ wch} \\ \end{matrix}}{} = \underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{wych} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{to\ co} \\ \text{przereag} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\text{akumulacja}}{}$$

$$r_{S} = - \frac{\text{ds}}{\text{dt}};\ r_{X} = \left| \frac{\text{dx}}{\text{dt}} \right| \rightarrow \frac{r_{X}}{r_{S}} = Y_{X/S}$$

9. Bilans przepływowego bioreaktora mikrobiologicznego

Komórki już są w bioreaktorze, wiec na wejściu nie ma biomasy

$$\underset{\begin{matrix} \text{wlot} \\ \rightarrow 0 \\ \end{matrix}}{} = \underset{\begin{matrix} \text{wylot} \\ \rightarrow \dot{V} \cdot X \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{przereag} \\ V_{R}{\cdot r}_{X} \\ \end{matrix}}{} + \underset{\begin{matrix} \text{akumulacja} \\ \left( \text{brak} \right) \\ \end{matrix}}{}$$ $$O = \dot{V} \cdot X\underset{\begin{matrix} \text{bo\ kom} \\ sie \\ mnoza \\ \end{matrix}}{}V_{R} \cdot r_{X}$$ $$\dot{V} \cdot X = V_{R} \cdot X \cdot \mu$$ $$\frac{\dot{V}}{V_{R}} = \frac{1}{\tau} = \mu\ \backslash n$$

w takim reaktorze czas przebywania reguluje się strumieniem