Пользовательский поиск

Проточный реактор идеального вытеснения

Реакторы этого типа широко применяются при проведении реакций с участием иммобилизованных ферментов и в некоторых случаях имеют преимущество перед реакторами колонного типа. Так, эксплуатация колонного реактора требует повышения дав­ления вводимого раствора субстрата. Кроме того, колонные реак­торы мало пригодны для проведения реакций с образованием силь­ных кислот или оснований.

Продолжение ниже

Ферменты в нетрадиционных средах. Мицеллярная энзимология

Ферменты в естественных условиях работают в водной среде или на границе раздела фаз мембрана — водная среда. Развитие ме­тодов химической ...

Читать дальше...

всё на эту тему


Стационарные состояния реактора были исследованы в реак­ции ферментативного разложения мочевины. Реактор идеального перемешивания использовали для проведения реакций с иммо­билизованной аминоглюкозидазой, глюкоамилазой и многими дру­гими ферментами. Широкое распространение получили также ре­акторы с ультрафильтрованием (мембранные реакторы). Послед­ние можно рассматривать как некоторую модификацию проточ­ного реактора идеального перемешивания, в котором перенос суб­страта в реактор осуществляется через полупроницаемую мембра­ну. Реакторы с ультрафильтрованием были использованы для не­прерывного гидролиза сахарозы под действием инвертазы, для гидролиза целлюлозы в глюкозу под действием целлюлазы и др.

Это уравнение — основное дифференциальное уравнение, опи­сывающее изменение концентрации реагирующего вещества в ре­акторе идеального перемешивания. Оно учитывает не только ско­рости химических превращений компонента А, но и обмен веще­ством с окружающей средой. Вид выражений для vo и vp, входя­щих в уравнение, определяется механизмом реакций в со­ответствии с законами химической кинетики.

Дифференциальное уравнение можно решить численно или аналитически относительно функции S(t). Подстановка этой функции в уравнение и интегрирование полученного диф­ференциального уравнения позволяют найти зависимость концен­трации продукта от времени.

При анализе кинетических закономерностей в реакторах идеального перемешивания необходимо достаточно точно знать удельную объемную скорость введения реагентов (параметр U/V). Эту величину можно вычислить из объемной скорости введения реагентов и объема реактора. Однако в ряде случаев целесообраз­но определить значение U/Vиз независимого кинетического экс­перимента. Наиболее просто это можно сделать, если в началь­ный момент времени ввести в реактор какое-либо вещество, ко­торое в условиях опыта не подвергается химическому превраще­нию. Кинетика расходования этого вещества в реакторе будет опи­сываться уравнением

Сравнение эффективности проточных реакторов

Для сравнения здесь также даны уравнения, опи­сывающие кинетику реакций в периодическом непроточном ре­акторе идеального перемешивания. Интересно отметить, что урав­нения для проточного реактора идеального вытеснения аналогич­ны уравнениям для периодического реактора, в которых пере­менная t заменена на параметр V/ U (эффективное время контак­та). Кинетикареакций в проточных реакторах определяется модулем % (правые части всех кинетических уравнений равны 1 /у).

Таким образом, используя уравнения, при известных кинетических параметрах V'm и К'м и макрокинетических характеристиках Uи можно численным путем рассчитать степень конверсии субстрата. В ряде случаев важна приближенная оценка модуля %. Для оценки мож­но использовать то обстоятельство, что при х < 0,05 степень кон­версии для всех типов реакторов близка к единице.

Проведенный выше кинетический анализ действия ферментов в открытых системах основан на ряде предпосылок, главной из которых является предположение о протекании ферментативной реакции в кинетическом режиме. Как известно, для реакций с иммобилизованными ферментами это не всегда имеет место. Эффекты массопереноса субстрата в наибольшей степени должны проявляться для реакторов идеального вытеснения, осо­бенно при низких скоростях потока. Так, при исследовании реакции с участием иммобилизованной амилоглюкозидазы было проведено сравнение реакторов различного типа. Оказалось, что в отличие от те­оретического предсказания реактор

Множественность стационарных состояний открытых систем

Открытые системы с ферментами имеют ряд особенностей, связанных со специфическими регуляторными возможностями на макрокинетическом уровне. Интерес к задачам такого характера обусловлен проблемами регулирования в биологических системах. Один из подходов к объяснению ряда регуляторных процессов, характерных для биологических систем, связан с возможностью реализации в системах нескольких дискретных стационарных со­стояний.

Проиллюстрируем это на примере наиболее полно исследо­ванной в теоретическом плане системы с ферментативной реак­цией, ингибируемой избытком субстрата.

Приведена зависимость степени конверсии субстрата от параметра U/V'm при различных значениях К, К'м. Для системы Кj = 0,1 моль/л возможно лишь одно стационарное состояние. В случае Кj = 0,01 моль/л (линия 5) при U/Vm ~ 2, например, могут быть реализованы три стационарных состояния, характеризующихся различными значениями степени конверсии. Анализ устойчивости стационарных состояний показал, что устой­чивы два крайних состояния, а среднее состояние неустойчиво.

Наиболее интересными представляются регуляторные особен­ности такой системы. Система способна при незначительном из­менении параметра U/ V'm (изменение скорости ввода субстрата или активности фермента) существенно изменить стационарную кон­центрацию субстрата. Так, для кривой 3 при U/V'm = 3,0 система функционирует со степенью конверсии 0,99, при этом изменение скорости ввода субстрата (например, за счет диффу­зии) на 15 % вызывает уменьшение степени конверсии до 0,01. Очевидно, что это один из возможных механизмов регулирова­ния метаболизма по принципу «все или ничего», «открыт — за­крыт». В то же время в этой системе могут реализоваться условия, в которых система способна поддерживать практически постоянную концентрацию субстрата при изменении скорости ввода субстрата или активности фермента в широком диапазоне. Так, в условиях, соответствующих кривой 2, реактор обеспечивает степень конвер­сии 0,9—1,0 при вариации параметра U/V'm в диапазоне от 0 до 3,7.

Множественность стационарных состояний системы объясняет ряд гистерезисных явлений, наблюдаемых при катализе реакций иммобилизованными ферментами в системах, открытых в диф­фузионном отношении. Достижение того или иного стационарно­го состояния определяется направлением перехода системы (уменьшением или увеличением его параметра).

Создание реакторов с иммобилизованными ферментами — не­обходимый шаг к технологизации биокаталитического процесса. Экономические преимущества, обеспечиваемые реакторами раз­личных типов, основаны на возможности многократного исполь­зования фермента и существенного упрощения стадии выделения продукта, поскольку отделение продукта от фермента происходит за счет удерживания фермента в реакторе. Главной экономиче­ской характеристикой реактора является его производительность на единицу объема в единицу времени.

Химическая энзимология обеспечена разнообразными реакто­рами различных типов. Наибольшее применение находят безградиентные реакторы периодического типа, проточные колонные реакторы вытеснения, проточные безградиентные реакторы, мем­бранные реакторы, полые волокна с иммобилизованными на стен­ках ферментами. Количественно наиболее простыми соотношениями описыва­ются проточные реакторы идеального вытеснения и проточные безградиентные реакторы. Теория реакторов позволяет связать та­кой важный параметр, как степень конверсии субстрата с кине­тическими характеристиками фермента и скоростью подачи в ре­актор субстрата.

При заданных параметрах процесса теоретически реактор иде­ального вытеснения (колонка) по степени конверсии субстрата имеет преимущества перед реактором идеального перемешивания. Однако на практике это наблюдается не всегда. Наличие эффек­тов ингибирования продуктом или субстратом, возникновение неконтролируемых градиентов pH могут существенно изменить характеристики процесса. Тем не менее, теоретические расчеты являются полезным инструментом для химика, решающего зада­чу технологизации ферментативного процесса.




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".