POJEMNOŚCI BIOREAKTORÓW
W przemysle farmaceutycznym i weterynaryjnym do produkcji szczepionek stosuje się bioreaktory od 0,1do 1m3, do produkcji antybiotykow od 10 do 100m3, koprodukcji aminokwasów i kwasow organicznych stosowane SA pojemności przekraczające 150m3. Produkcja wielosetrazowa bialka prowadzona jest w bioreaktorach o pow powyżej 1000m3. Biologiczne oczyszczanie ścieków w bioreaktorach maja pojemność wieksza niż 10.000m3. Wszystkie typy bioreaktorow powinny zapewnic stałość warunkow środowiska zaprogramowanych dla określonych drobnoustrojow. Im wiekszy jest bioreaktor tym trudniej calej jego objętości zapewnicmikroogranizmom równomierne warunki pokarmowe i środowiskowe.
REAKCJE BIOLOGICZNE zachodzące w bioreaktorach przebiegaja w układzie wielofazowym w fazie gazowej:N2, CO2, O2 w fazie cieklej: sklad pożywki, substraty w fazie stalej: drobnoustroje lub czasteczki substratu stalego. W celu rownomierneji systematycznej wymiany masy i ciepla oraz zapewnienia homogennosci wszystkie te fazy musza być dokladnie mieszane.
PRAWIODLOWY BIOREAKTOR SPELNIA WYMAGANIA:
funkcjonalne: zabezpieczenie mieszaniny reagującej z zewnatrz, zapewnienie dużej szybkości wymiany masy, brak problemu pienienia, unikniecie martwych stref w dużych fermentatorach, optymalna wymiana ciepla, unikniecie tworzenia dużych agregatow drobnoustrojow.
ekologiczne
ekonomiczne: tanie bioreaktory, wytrzymale, proste w obsłudze, prostota w wymuszaniu warunkow aseptycznych, stabilna praca pomimo wahan temperatury, niskie jednostkowe zapotrzebowanie mocy.
RODZAJE BIOREAKTOROW DO FERMENTACJI TLENOWYCH:
Bioreaktory do których energia doprowadzana jest z faza gazowa: + bior. Barbotażowe, +z powietrznym podnośnikiem cieczy, +z urządzeniami kontaktowymi, +rurowe,+z wypelnieniem ruchomym( bakterie,drozdze- kr<4-4,5kg/m3h)
Bioreaktory do których energia doprowadzana jest z faza ciekłą: +z mieszadłami zasysającym, +z eżektorami,+z pompami strumieniowymi(bakterie drozdze, kr<5-6kg/m3h) Bioreaktory do których energia doprowadzana jest z faza ciekla i gazowa: +z mieszadłami,+z mieszałem wibracyjnym,+z cyrkulacja wymuszona(BG),+kombinowane (grzyby nitkowate, bakterie, drozdze, kr-wartosc dowolna)

1.WYZNACZANIE OBJĘTOSCI ROBOCZEJ I CALKOWITEJ ZBIORNIKA
Objętość robocza bioreaktora Vr jest uzalezniona od skali projektowanego doświadczenia. W skali lab.objetosci robocze nie przekraczaja 15dm3 i zawieraja się w przedziale wartości 1-15 dm³. Skala poltechniczna okresla objętość na kilkaset, a techniczna na kilka tys dm³. Objętość robocza wyznacza rzeczywista objętość podloza hodowlanego uzytego w konkretnym dosiad. Calkowita V fermentatora V_c jest wieksza o 20-30% od V roboczej ze względu na konieczność zachowania wolnej V na kompensacje przyrostu objętości podloza wskutek jego napowietrzania i mieszania, mechanicznego gaszenia powstającej piany, uzupełnianie plynnego podloza roznymi komponentami, instalowanie oprzyzadowania itp.
2.OBLICZANIE PODST WYMIAROW BIOREAKTORA tj SREDNICY WEWNETRZNEJ
I WYSOKOŚCI ZBIORNIKA
Po określeniu wymaganej V roboczej bioreaktora V_r obliczamy jego V calkowita V_c i podstawowe wymiary tj.srednice wewnetrzne i wysokość zbiornika. Objętość calkowita obliczamy z zależności V_c= V_r*Z gdzie Z=1,2-1,3(współczynnik zwiekszajacy V_r 20-30%). Wartość średnicy wewnętrznej zbiornika D_w większości typowych bioreaktorow laboratoryjnych przyjmuje wartość od ok. 10cm do ok. 30cm. Przy wyborze wartości średnicy wew należy mieć na uwadze aby stosunek D_w:H mieścił się w zakresie od 0,25 do 1. Projektowanie zbiornika o innych wartościach D_w :H należy prowadzic do znacznego zwiekszenia zapotrzebowania mocy do napedu mieszadla, potrzeby zwiekszania jego prędkości obrotowej i wzrostu naprężeń stycznych na krawędziach miesadla powodujących niszczenie bialka enzym. I Komorek mikroorg. Wysokość zbiornika przy przyjętej wartości średnicy wew D_w obliczamy z zależności W_c=(Л * D_w²*H)/4(cm3) stad H=4V_c/Л *D_w²(cm)

3.OKRESLENIE TYPU I ILOSCI MIESZADLE MECHANICZNYCH Mieszanie należy do oeracji dynamicznych znajdujących zastosowanie w technice bioreaktorowej. Celem mieszania plynnego podloza hodowlanego jest:1) otrzymanie jednorodnej emulsji lub zawiesiny 2) intensyfikacja wymiany ciepla i masy w układach wielofazowych. W bioreaktorach proces mieszania prowadzony jest przy uzyciu mieszadel o zróżnicowanej konstrukcji osadzonych na wale napedzonym bezpośrednio silnikiem elektrycznym lub poprzez odpowiednia przekladnie. Znacznie rzadziej jest stosowane mieszanie pneumatyczne plynnych podlozy hodowlanych energia strumienia przepływających peccherzykow gazu. TYPY MIESZADEL :
* śmigłowe
*turbinowe
*łapowe: plytowe ramowe kotwicowe koliste-sluza do mieszania bardzo gestych cieczy
* turbinowo lapowe
*turbinowo łopatkowe otwarte.
Przewaznie stosowane sa dwa mieszadla, lecz ich ilość zalezy od wysokości wnętrza (komory). MIeszadlo prenatarne stosowane jest do ciekłych podlozy hodowlanych grzybow nitkowatych.
4.WYMIARY MIESZADLA TURBIONOWEGO LICZYMY:
d= D_w/ 3 w= 0,2*d.
Srednica zewnetrzna mieszadla turbinowego , wymiary łopatek zaleza od wymiarow zbiornika bioreaktora tj. D_w i H to liczby zastawek na obwodzie wewnętrznym zbiornika typu wirnika turbinowego. Najczęściej stosowane typy wirnikow mieszadel turbinowych wraz z zaznaczonymi podstawowymi wymiarami.
5.OBLICZENIE ZAPOTRZEBOWANIA MOCY DO NAPEDU MIESZADLA W UKLADZIE JEDNO LUD DWUFAZOWYM
Prawidłowe obliczanie zapotrzebowania mocy do napedu mieszadla mechanicznego w calym zakresie dopuszczalnych prędkości obrotowych jest jednym z ważniejszych czynnikow decydujących o powodzeniu zaprojektowanego procesu. Zależność pomiedzy konieczna dla prawidłowej pracy mieszadla moca N[W] a czynnikami określającymi konkretne przypadki mieszania można przedstawic w ogolnej postaci
N=f(d,D_w,H,L,K,W,B,δ ,n,μ ,g) gdzie:

N-moc mieszania [W],
d- srednica mieszadla [m],
Dw-srednica zbiornika,
H- wysokość slupa cieczy w zbiorniku,
K- odległość wirnika mieszadla od dna,
L- wysokość przegrod,
W-szerokosc łopatek mieszadla,
B- szerokość przegrod,
δ -gestosc cieczy(układu mieszanego) [kg/m³],
μ- lepkość cieczy [kg/(m*s)],
n- liczba obrotow mieszadla [l/s],
g- przyspieszenie ziemskie [m/s²].
Rozwiązanie tej funkcji jest bardzo złożonym zagadnieniem. Wykorzystane do tego celu zasady analizy wymiarowej metod z zakresu hydrodynamiki płynów, odniesienie otrzymanych wynikow do wynikow doswiadczalego wyznaczania mocy mieszania doprowadzilo do określenia równaniem liczby mocy mieszania:
Lm= N/n³*d⁵*δ,
gdzie N-moc pobierana przez mieszadlo,
δ - gęstość cieczy,
n-liczba obrotow mieszadla,
d-srednica mieszadla.
Na podstawie równania liczby mocy wyznaczamy równanie określające moc pobierana przez mieszadlo N= L_w*δ *n³*d⁵. Moc pobierana przez mieszadlo w zakresie burzliwym nie zalezy od lepkości mi układu mieszanego natomiast duzy wpływ na wartość zuzywanej mocy wywiera gęstość układu mieszanego ro, prędkość obrotowa n, srednica mieszadla d.
W równaniu tym gęstość układu mieszanego, srednica i prędkość obrotowa mieszadla sa wartościami znanymi. Nieznanym współczynnikiem jest liczba mocy Lm. Wartość Lm jest scisle zwiazana z tzw zmodyfikowana liczba Reynoldsa charakteryzujaca proces mieszania Re=δ *n*d²/μ.

Jeśli liczba Reynoldsa przyjmuje wartości z przedzialu 10³-10⁵ to mieszanie ma charakter burzliwy, 10-10³ mieszanie ma charakter przejściowy, 1-10 mieszanie ma charakter laminarny (uwarstwiony). Po obliczeniu wartości liczby Re z wykresu będącego graficznym rozwiązaniem równania mocy mieszania odczytujemy wartość liczby mieszania Lm.

JALOWIENIE POWIETRZA ZASILAJACEGO BIOREAKTOR
Zagadnienie otrzymywania znacznych ilości wyjałowionego powietrza potrzebnego do prowadzenia fermentacji tlenowych jest problemem szczeglonie waznym dla inżynierii biochemicznej. W skali laboratoryjnej wystarczające do tego celu SA zamkniecia probowek lub kolb wstrząsanych w postaci korkow z bawełny natomiast w przypadku fermentorow poltechnicznych sa uzywane z powodzeniem male filtry włókniste w skali przemysłowej filtry takie wykazuja wiele wad. Na wstepie należy określić ze nie należy oczekiwac 100% sprawności filtrow warstwowych bądź w postaci usypanych czastek przy wyjaławianiu powietrza. Dzialanie tego typu filtrow polega na wydłużeniu okresu czasu jaki upływa pomiedzy przejsciem wraz z powietrzem dwoch kolejnych dorbnoustrojow. Długość takiego przedzialu czasu będzie zależeć od typu fermentacji, jednak powinna być wystarczajaca do uruchomienia procesu fermentacji przynajmniej w pierwszym, krytycznym okresie wzrostu drobnoustrojow. W ciagu ostatnich 20 lat osiągnięto wiele w zakresie zarówno teoretycznych jak i praktycznych w przemysle rozni się jednak znacznie od procesu wyjaławiania powietrza stos. W procesie fermentacji. Powietrze poddawane wyjalowianiu jest już czyste w porównaniu z aerozolami zwykle występującymi w innych galeziach przemyslu. Ponadto przy wyjalowianiu powietrza SA wymagane wyjatkowo wysokie sprawności w zakresie usuwania czasteczek. W związku z tym projektowanie oraz eksploatacja urządzeń do wyjalowiania powietrza wymaga raczej podejścia probabilistycznego niż deterministycznego.

ROZPYLENIE SUBSTANCJI BAKTERIOBOJCZYCH
Fenol, tlenek etylenu lub soli metali ciezkich. Metode taka można stosowac do oczyszczenia powietrza w pomieszczeniach w których przeprowadza się pewne czynności w warunkach jalowych. Wydaje się jednak ze wystąpiłyby znaczne trudności podczas usuwania wszystkich par i mgiel z tak przygotowanego powietrza przezd jego uzyciem do procesu fermentacji.

STERYLIZACJA PODLOZA
Mikroorganizmy można usuwac z płynów metodami mechanicznymi takimi jak filtracja, odwirowanie, flotacja, lub oddzielenie elektrostatyczne. Skuteczne SA również chemiczne srodki antybakteryjne, dzialanie podwyższonej temperatury lub promieniowania elektromagnetycznego. Metody mechaniczne użyteczne w malej skali procesu sa jednak malo przydatne w skali przemysłowej. Podobnie wykorzystywane z duzym powodzeniem w procesach laboratoryjnych dzialanie promieniowania rentgenowskiego, promieniowania beta, swiatla ultrafioletowego lub ultradźwięków nie nadaje się praktycznie do wyjaławiania dużych ilości cieczy. Na wieksza skale szczególnie w przemysle spożywczym stosuje się jedynie naświetlanie promieniami gamma. W przemysle fermentacyjnym dosyc wazna role odgrywaja antybakteryjne srodki chemiczne. Sluza one glownie do oczyszczania wody. Ponieważ ich zastosowanie do wyjaławiania pożywek fermentacyjnych jest bardzo ograniczone środowiskowo. Mimo dużej popularności termicznych metod sterylizacji pożywek, dopiero od niedawna sa badane szerzej niektóre inżynieryjne spekty tych procesow. Wciąż rosnie zainteresowanie ciągłymi metodami sterylizacji. Zasadnicza trudnością w utrzymaniu poprawnej pracy aparatow do ciągłej sterylizacji jest konieczność kontroli i regulacji pienienia się wyjałowionej pożywki. Jednoczesnie należy zapewnic względnie niska jej lepkość> Ciagla sterylizacja wykazuje jednak wiele istotnych zalet takich jak: *zwiekszona wydajność gdyz dzieki krótszemu okresowi dzialania podwyższonej temp maleja strefy wynikające z termicznego rozkładu składników pożywki *lepsza regulacja lepkości produktow *stale i regularne zuzycie goracej pary wodnej *możliwość automatycznej regulacji przebiegu procesu. W chwili obecnej większość pożywek w przemysle fermentacyjnym jest wyjalawiana metodami okresowymi.

METODY TERMICZNE STERYLIZACJI PODŁOŻY HODOWLANYCH
1) Metoda sterylizacji ciągłej - sterylizatory przepływowe a)aparat typu wtryskowego b) wymiennik płytowy 2) Metoda sterylizacji okresowej a) bezprzeponowe ogrzewanie parą wodną b) ogrzewanie elektryczne c) ogrzewanie para- stala temp czynnika grzejącego chlodzenie przeponowe- temperatura czynnika chłodniczego zmienna w kierunku jego przepływu.

INOKULUM- zaszczep, hodowla wglebna okresowa mikroorganizmowi malej objętości podloza hodowlanego. Objętość inokulum musi Stanowic 10% objętości roboczej bioreaktora. Inokulum przygotowuje się na bazie tego samego podloza jakie znajduje się w bioreaktorze. Przygotowuje się je w kolbie.

MIESZANIE jest procesem szeroko stosowanym w przemysle spożywczym do wykonywania zawiesin, emulsji i roztworow do intensyfikacji procesow wymiany ciepla i masy. Składniki poddane mieszaniu mogą mieć różny stan skupienia, mogą wystąpić w roznej ilości. Najczęściej jeden ze składników wystepuje w przewadze w porównaniu z innym i ten składnik nazywa się faza zwarta(ciagla) podczas gdy pozostale będą tworzyt tzw faze rozproszona. Skldaniki fazy rozproszonej należy tak rozdzielic i tak rozprowadzic w fazie zwartej aby mieszanina miala w calej masie jednakowe stezenie lub jednakowa temperature. W konsekwencji mieszanie prowadzi do wyrównania stezen lub/i temperatury. Składniki poddane mieszaniu mogą mieć rozne stanyskupienia fazy zwartej i w zależności od tego wyroznia się mieszanie w fazie gazowej cieklej i stalej. Mieszanie w fazie cieklej może być prowadzone jako mieszanie:
*pneumatyczne (przy uzyciu sprzężonego gazu)
*cyrkulacyjne za pomoca pomp
*w przewodach za pomoca odpowiednich wkładek tzn mieszadel sterycznych
*mechaniczne.

Mieszanie w fazie cieklej może mieć jeden lub kilka podanych poniżej celow:

1)otrzymanie emulsji lub zawiesiny

2) przyspieszenie procesow wymiany masy(rozpuszczenie gazu cieczy lub ciala stalego w cieklej fazie zwartej stanowiącej rozpuszczalnik)

3) intensyfikacja procesu wymiany ciepla

4) intensyfikacja procesow chem.

Dobor odpowiednich metod mieszania zalezy od wielu czynnikow z których do najistotniejszych naleza osiagany stopien zmieszania, intensywność przebiegu procesu i wreszcie jego efektywność. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem mieszania w środowiskach ciekłych jest mieszanie mechaniczne za pomoca roznego rodzaju mieszadel wprawionych w ruch obrotowy.

RODZAJE MIESZADEL MECHANICZNYCH
Mieszadla mechaniczne mogą być podzielone na 3 zasadnicze grupy

1) lapowe do których naleza: plytowe , ramowe, kotwicowe kuliste

2) śmigłowe

3) turbinowe: turbinowo lapowe, turbinowo łopatkowe otwarte, zamknięte, turbinowo tarczowe, turbinowo łopatkowe z pochylonymi łopatkami, turbinowo profilowe, turbinowo lapowe z pochylonymi lapami.

~MIESZADLA LAPOWE sa mieszadłami o najprostszej konstrukcji. Mieszanie intensywne osiaga się w wyniku pojawienia się strumieni wtornych i ruchu wtornego cieczy.
ZALETY: Prosta konstrukcja, maly koszt wykonania, całkowicie zadowalające mieszanie umiarkowanie lepkich cieczy do 0,1 Pa/s
WADY: Mala intensywność mieszania cieczy o większej lepkości, nieprzydatność do mieszania substancji latwo rozwarstwiających> Prędkość od 20-80 obr/min

~MIESZADLA SMIGLOWE sa wyposażone w śmigłowy element mieszający zainstalowany na wale, umieszczony pod roznym katem do płaszczyzny. Mieszadla śmigłowe wywołują osiowa cyrkulacje cieczy oraz silny efekt ssacy przez co latwo unosza czasteczki stale z dna mieszalnika, a wiec nadaja się do wytworzenia mieszaniny.
ZALETY: intensywne mieszanie, umiarkowane zuzycie energii nawet przy znacznej liczbie obrotow oraz niewysoka cena
WADY: mala intensywność mieszania cieczy lepkich, stosuje się do cieczy o lepkości do 6 Pa/s, ograniczona objętość intensywniemieszanych cieczy. Prędkość obrotowa mieszadel śmigłowych 150-1000obr/min.

~MIESZADLA TURBINOWE bywaja dwoch typow: otwarte i zamknięte. Mieszadla turbinowe zawieraja element roboczy w postaci turbinki obracającej się na osi pionowej. Pracuja przy 200-2000obr/min powoduja intensywne mieszanie cieczy.
ZALETY: szybkie mieszanie i rozpuszczanie, możliwość uzyskania wysokiego stopnia zmieszania, możliwość mieszania cieczy o lepkości 10^-3-15 Pa/s

EFEKTYWNOSC MIESZANIA
Jednorodność mieszanego układu jest definiowana w sposób zalezny od głównego celu mieszania. Jeżeli proces mieszania ma na celu wytworzenie układów jednorodnych pod względem składu to miara jednorodności układu jest tzw stopien zmieszania. W celu określenia stopnia zmieszania pobiera się szereg próbek z roznych miejsc mieszanego układu i okresla zawartość składnika rozproszonego. Miara stopnia zmieszania jest indeks mieszania definiowany za pomoca następującej zależności.

L=1-s/s₀ gdzie:

L-indeks mieszania,

s- srednie odchylenie standardowe po mieszaniu,

s₀- srednie odchylenie standardowe przed mieszaniem> srednie odchylenie standardowe obliczamy ze wzoru s=√ 1/n-1 ∑(c1-c)2 gdzie:

n-liczba pobranych probek,

c1-wartosc reprezentujaca sklad lub inna wybrana ceche układu,

c-wartosc srednia arytmetyczna do wszystkich probek obliczana z zależności c=1/n ∑c2.

Indeks mieszania zmienia się od L=0 przed procesem mieszania do L=1 gdy mieszanie osiaga idealna jednorodność. Mieszaniny o rzeczywistej jednorodności maja indeks mieszania L<1. W miare upływu czasu mieszania indeks mieszania zmienia się od 0do 1w sposób wykładniczy. L=1-e^-kt gdzie K-stala 1/s, t- czas mieszania.

INTENSYWNOSC MIESZANIA Przy tworzeniu układów jednorodnych (homogenicznych) intensywność mieszania jest oceniana stopniem uzyskania jednorodności mieszanego układu po upływie określonego czasu od rozpoczęcia procesu. Spośród wielu sposobow identyfikacji intensywności mieszania jest wykres pokazujący zależność
l=f(N nad V) gdzie:

N-moc niezbedna do napedu mieszadla,

V-objetosc cieczy mieszanej

---