Właściwości stacjonarne bioreaktorów barbotażowych typu airlift
Robert Grzywacz
rok wydania: 2012
stron: 143
format: B5
oprawa: miękka
wydawnictwo: Politechnika Krakowska
W monografii przedstawiono wyniki badań teoretycznych i eksperymentalnych, które uzyskano w ramach programu badawczego dotyczącego właściwości stacjonarnych bioreaktora airlift, w którym przebiega mikrobiologiczny proces aerobowy. Materiał zawarty w monografii obejmuje następujące wątki tematyczne: badanie i modelowanie hydrodynamiki aparatu airlift, modelowanie matematyczne mikrobiologicznego procesu aerobowego w bioreaktorze airlift, analiza nieliniowa stanów stacjonarnych bioreaktora oraz badania empiryczne biodegradacji aerobowej węglowego związku toksycznego w tym aparacie w celu porównania ich wyników z badaniami teoretycznymi.
Modelowym procesem mikrobiologicznym, dla którego zrealizowano powyższy program badawczy, była aerobowa biodegradacja fenolu za pomocą bakterii Pseudomonas putida.
Dokonano systematycznego podejścia do modelowania aparatów airlift, przyjmując za podstawę systematyki zarówno model kinetyczny procesu, strukturę strumieni fazy ciekłej i gazowej, jak i hydrodynamiczny obszar pracy bioreaktora. Na podstawie wprowadzonej systematyki modeli matematycznych bioreaktorów airlift dokonano analizy nieliniowej ich stanów stacjonarnych. Analiza nieliniowa ujawniła, iż dla każdego hydrodynamicznego obszaru pracy aparatu, tj. obszaru A i C, obserwuje się obecność pojedynczych i wielokrotnych stanów stacjonarnych. Wykazano, iż w obszarze hydrodynamicznym A, w zakresie przebadanych parametrów, kształtuje się bardziej złożona struktura stanów stacjonarnych niż w obszarze hydrodynamicznym C.
W monografii przeprowadzono analizę właściwości numerycznych modeli bioreaktorów opartych na przepływach dyspersyjnych i na tej podstawie zaproponowano algorytmy aproksymacji skończenie wymiarowych.
Analiza porównawcza wyników empirycznych z uzyskanymi teoretycznie wykazała, iż obliczone stany stacjonarne pokrywają się z empirycznymi z różnicą mniejszą niż 10% dla stopnia przemiany substratu węglowego i mniejszą niż 5% dla bezwymiarowego stężenia tlenu rozpuszczonego w cieczy.
Wyniki badań teoretycznych umożliwiły sformułowanie praktycznych zaleceń do projektowania aparatów airlift i do prowadzenia w nich aerobowych procesów mikrobiologicznych. Przedstawione modele matematyczne oraz sposoby ich rozwiązywania umożliwiają optymalne dobranie stosunku objętości stref aparatu, czasu przebywania cieczy oraz natężenia przepływu powietrza dla danego stężenia substratu węglowego i dla danego modelu kinetycznego procesu mikrobiologicznego.
Zrealizowany program badawczy jest istotnym uzupełnieniem pozycji literaturowych traktujących o właściwościach bioreaktorów airlift.
SPIS TREŚCI:
Ważniejsze oznaczenia 5
1. Wstęp 7
2. Charakterystyka hydrodynamiczna bioreaktorów airlift 9
2.1. Uwagi ogólne 9
2.2. Model hydrodynamiczny bioreaktora airlift 11
2.3. Własne badania nad hydrodynamiką 16
2.3.1. Stanowiska laboratoryjne bioreaktorów airlift 16
2.3.2. Badania stopnia zatrzymania gazu w strefach wznoszenia i opadania bioreaktora airlift 19
2.3.3. Badania znacznikowe bioreaktora airlift metodą bodziec-odpowiedź 22
3. Kinetyka procesów mikrobiologicznych 31
3.1. Podział i charakterystyka modeli kinetycznych 31
3.2. Kinetyka biodegradacji fenolu 33
3.3. Badania doświadczalne procesu biodegradacji fenolu oraz wybór modelu kinetycznego 36
3.3.1. Metodyka pomiarów stężenia reagentów 38
3.3.2. Wybór modelu kinetyki biodegradacji fenolu 40
4. Modelowanie bioreaktorów airlift 45
4.1. Uwagi o modelach bioreaktorów airlift 45
4.2. Modele z dyspersją wzdłużną 49
4.2.1. Model pseudohomogeniczny jednosubstratowy 49
4.2.2. Modele heterogeniczne dwusubstratowe 54
4.3. Modele graniczne bioreaktorów airlift 61
4.3.1. Modele o przepływach tłokowych 62
4.3.2. Modele z idealnym mieszaniem cieczy 66
5. Algorytmy rozwiązywania oraz właściwości numeryczne modeli bioreaktorów airlift 71
6. Aproksymacje skończenie wymiarowe 79
6.1. Metoda kaskad zastępczych 81
6.2. Metoda różnic skończonych 83
6.3. Metoda kolokacji ortogonalnej 86
7. Analiza nieliniowa stanów stacjonarnych bioreaktora airlift 91
7.1. Analiza struktury stanów stacjonarnych dla reaktora pracującego w obszarze hydrodynamicznym A 92
7.2. Analiza struktury stanów stacjonarnych dla reaktora pracującego w obszarze hydrodynamicznym C 102
7.3. Podsumowanie 107
8. Badania doświadczalne procesu biodegradacji fenolu w reaktorze airlift 109
8.1. Opis stanowiska badawczego 109
8.2. Zastosowane techniki pomiarowe 110
8.3. Analiza doświadczenia biodegradacji fenolu 111
9. Podsumowanie i wnioski 115
9.1. Porównanie wyników doświadczalnych z wynikami symulacji komputerowych 115
9.2. Wpływ typu modelu matematycznego na wyniki obliczeń symulacyjnych 120
9.3. Wpływ typu kinetyki procesu mikrobiologicznego na charakterystykę stacjonarną bioreaktora 125
9.4. Analiza udziału strefy odgazowania 127
9.5. Analiza zjawiska niedotlenienia 128
9.6. Wnioski 129
Literatura 133
Streszczenia 141
