9 Curs Bioreactoare

7/25/2019 9 Curs Bioreactoare

1/52

1

BIOREACTOAREBIOREACTOARE

Prof.dr.ing. NISTOR Ileana Denisa


2/52

2

. . Bioreactoare anaerobe cu

biomasa imobilizat

Peniru o utilizare mai eficient i o recuperare uoar abiomasei nc activ la sfritul procesului fermentativ se

recurge adesea la imobilizarea acesteia pe diferite tipuri desuporturi inerte.In funcie de modalitatea de imobilizare a biomasei, respectivde tipul de suport inert, exist urmtoarele tipuri de

bioreactoare anaerobe: bioreactoare anaerobe cu biomasa imobilizat pe unsuport imobil, similar bioreactorului aerob tip coloan custrat de umplutur! bioreactoare anaerobe cu biomasa imobilizat pe particulesuport care sunt meninute n suspensie n mediul de cultur.


3/52

3

. .1. Bioreactoare anaerobe cu strat de

umplutur

"ioreactoare#e anaerobe cu biomasa imobilizat pe un suportimobil sunt similare bioreactoarelor aerobe tip coloan custrat de umplutur, de unde i denumirea lor de biofiltrebiologice, atunci cnd sunt utilizate pentru epurareadeeurilor prin tratament biologic anaerob.$eosebirea const n crearea mediului anaerob n suportul

inert, deci absena serrii. %ediul de cultur cu substanenutritive necesare creterii sau apa rezidual supustratamentului circul n curent ascendent prin materialul inertpe care microorganismele sunt fixate alctuind un strat activ

numit biofilm &'(ung i )(oi, *++! -eidi, *++/.


4/52

4

%aterialul de umplutur &piatr, cocs sau materiale plastice/asigur o suprafa inert pe care ader biomasa.

$e asemenea, asigur o turbulent sczut i o sedimentareeficient, permind totodat reinerea i a biomasei care nuader Ia suprafaa suportului.

)reterea anaerob pe medii suport permite obinerea uneiconcentraii reduse de biomasa n biofilm care are durate

mari de staionare n aparat, astfel c este posibil s selucreze la durate de staionare lungi ale mediului de cultur 0apei reziduale.


5/52

5

Pentru a preveni acumularea compuilor nebiodegradabiliprezeni eventual n apele reziduale, circulaia apei poate fi i

descendent.

In acest caz, mecanismul de reinere a poluanilor este doarcel de aderen pe suprafaa materialului suport. n timp ce,

n cazul curgerii ascendente, pe lng aderare la suprafaare loc i reinerea prin incluziune.


6/52

6

Fig. .4. Bioreactor anaerob cu biomasa imo bil izat pe un

strat de um plutur

1 - alimentare cu mediu fermentativ/ap rezidual; 2 - fund tronconic; 5 - corpaparat; 4 - strat de umplutur; 5 - capac tronconic bioreactor; 6 - evacuaregaze rezultate din procesul fermentativ; 7 - evacuare efluent (ap rezidual

epurat; ! - suport perforat pentru sus"inerea stratului inert#


7/52

7

1ermentatorul anaerob cu strat de umplutur intereseazndeosebi cnd proprietile de sedimentare ale biomasei nu

sunt bune. 2tunci cnd biomasa are proprieti desedimentare bune, nu este indicat folosirea de materialsuport deoarece acesta reduce volumul activ albioreactorului.

3xist numeroase instalaii industriale care purific pe calebiologic anaerob ape reziduale provenite de la fabricareaberii, alcoolului etc.)ea mai mare instalaie de acest tip are capacitatea de

1650 m0zi ap rezidual, condiiile de lucru fiindurmtoarele: ))4 al apei reziduale de 5 666 mg0I, eliminareaa 7 8 din CCO i a 8 din suspensiile solide, o produciede nmol de 6,67 9g09g ))4 i o producie de biogaz de 6,5

m;9g ))4 &;riens et ai, *++6/.


8/52

8

. .2. Bioreactoare anaerobe cu

particule suport

In aceste bioreactoare celulele de microorganisme suntimobilizate 0 fixate pe suprafaa unor particule cu dimensiunireduse de antracit, nisip sau bobite de material plastic de

nalt densitate, care sunt meninute n suspensie de curentul

ascendent de fluid &fig. 5./.


9/52

9

2ceste particule asigur o suprafa foarte mare pentrucreterea microbian i, n plus, mresc viteza desedimentare a biofilmului depus, contribuind astfel la

mbuntirea eficienei staionrii biomasei n bioreactor.

%ultiplicarea celulelor n suport &


10/52

10

Fig. .5. Bioreactoare anaerobe cu biomasa imobil izat pe

particule suport

a - cu recirculare pentru meninerea particulelor suport n suspensie;b - cu strat fluidizat;1 - bioreactor; 2 - particule suport cu biofilm imobilizat pe suprafa"; $ - racordde alimentare; 4 - alimentare cu mediu fermentativ; 5 - pomp de recirculare; 6

- conduct de recirculare mediu fermentativ; 7 - evacuare efluent; ! - racordevacuare; % - suport perforat pentru sus"inere bile cu biomas imobilizat#


11/52

11

.4. Bioreactoare anaerobe cu strat

fluidizat

"ioreactoareie anaerobe cu strat fluidizat se caracterizeazprin meninerea biomasei n stare fluidizat pentru a mrisuprafaa de contact a celulelor cu substanele nutritive din

mediul de cultur."iomasa este meninut n suspensie n mediul de culturprin crearea stratului fluidizat &fig. 5./.


12/52

12

%ediul de fermentaie este recirculat continuu pentru a seasigura viteza necesar pentru crearea stratului fluidizat.

Produsul finit al fermentaiei anaerobe, biogazul, esteevacuat pe la partea superioar. 3fluentul parcurge, nmicarea sa ascendent, o zon de separare caracterizat descderea vitezei de antrenare, ceea ce favorizeazsedimentarea biomasei, apoi este deversat prin intermediul

unui preaplin pentru evacuare.


13/52

13

Fig. . .

Bioreactor anaerob cu sistem de decantare i

recircularea nmolului

1 - alimentare cu ap rezidual; 2 - bioreactor anaerob; $ - agitator; 4 -evacuare biogaz& 5 - evacuare efluent cu nmol spre decantor; 6 - decantor; 7 -evacuare ap tratata; !- nmol sedimentat; % ' recirculare nmol; 1- pompde recirculare


14/52

14

rincipala problem !nt"lnit n aplicaiile practice lafolosirea acestei instalaii const n separarea biomasei deapa tratat pentru a o putea recircula n fermentator.

$eoarece exist tendina de a se continua formarea gazului in decantor, bulele de gaz formate menin biomasa nsuspensie i !mpiedic o sedimentare eficient.


15/52

15

-epararea a fost mbuntit prin diverse metode cum sunt:introducerea unor plci nclinate n decantor, degazarea subdepresiune a amestecului format din apa tratat i nmol,combinarea sedimentrii cu fiocularea. supunerea biomaseila ocuri termice nainte de sedimentare i degazareafolosind o coloan cu aer.

In ultimul caz trebuie s se aleag un raport de aerare

corespunztor, astfel nct bacteriile metanogene s fie doarinactivate, nu i distruse.


16/52

16

$urata de staionare a apei reziduale ntro instalaie detratare anaerob poate fi redus la mai pui de o zi.meninnd durata de staionare a biomasei la valori de peste56 zile, dac se supun tratamentului ape reziduale cuconcentraia de 6,*6,= 9g0zi )"4*. n acest caz, producia

de metan obinut poate fi de 6, nr;9g )"4 &;riens et a0.,*++6/.

* )"4 consum biologic de oxigen (BOD - biologicul o)*gen

demand+ n mg/! indic"#o$ ce $e%$e&in#' c"n#i#"#e" de oxigendi&ol"# neces"$' %en#$u oxid"$e" biologic' " m"#e$iei o$g"nicedin#$-un mediu "c"#ic)


17/52

17

Bioreactoare cu enzime sau

celule imobilizate

>.*. "ioreactoare cu enzime imobilizate>.*.*. "ioreactoare cu enzime imobilizate cu functionarediscontinue>.*.=. "ioreactoare cu enzime imobilizate cu functionarecontinua>.=. "ioreactoare cu biomasa imobilizata

>.=.*. "ioreactoare cu celule imobilizate pe suport inert>.=.*.*. "ioreactoare cu strat de umplutura>.=.*.=. "ioreactoare cu discuri rotative>.=.*.5. "ioreactoare cu strat fluidizat

>.=.=. "ioreactoare cu particule suport pentru biomasa


18/52

18

Principiul care sta la baza denumirii de bioreactor cubiocatalizator imobilizat consta in fixarea biomasei sau aenzimelor pe un suport inert (biofilm reactor sau fixed filmreactor, respectiv immobilised enzyme or cell reactor).

?nul din obiectivele ma@ore ale imobilizarii biocatalizatoruluieste posibilitatea de recuperare si reutilizare a celulelorsau enzimelor precum si conducerea bioproceselor in

sistem continuu &Aard, *++*/.


19/52

19

#$anta%ele utilizarii biocatalizatorului &n stare

imobilizata in bioreactoare sunt'

cresterea concentratiei de celule sau de enzime inbioreactor! cresterea vitezei de bioconversie a substratului! independenta functionarii instalatiei fata de restricpilevitezei de crestere a celulelor componente ale biofilmului! posibilitatea de reutilizare a biomasei sau a enzimelor! reducerea volumului bioreactorului!

reducerea susceptibilitii la in(ibare &de exemplutemperatur, in(ibitori etc/! posibilitatea excluderii etapelor de separare a

biocatalizatorului din succesiunea operaiilor care survin

n procesul te(nologic n care este utilizat bioreactorul.


20/52

20

4.1. Bioreactoare cu enzime

imobilizate

Proiectarea bioreactoarelor enzimatice depinde foarte multde: starea fizic a enzimei ce urmeaz a fi folosit: enzim

liber sau prezent n celule, n stare liber sau imobilizat! proprietile substratului!-cerinele specifice pentru produs &dac acesta poate sau nus conin proteine enzimatice active sau denaturate/!

etapele procesului te(nologic situate c(iar nainte i dupetapa ce implic aciunea enzimei!- natura mediului de reacie: apos, organic monofazic,organic apos bifazic! modul de lucru: discontinuu &n ar@e/ sau continuu!

cerine legate de asigurarea temperaturii optime pentru


21/52

21

3nzimele pot fi imobilizate prin diferite metode &"a(rim andBicolau, =66=/:

a(metode fizice'

includere n matrice polimerice naturale sau sintetice subform de gel sau fibre!

includere n membrane prin microncapsulare, imobilizare

n membrane semipermeabile sau reinere ntrunspaiu delimitat de membrane semipermeabile!

adsorbie ionic sau (idrofob!


22/52

22

b( metode c)imice'

reticulare! legare covalent, cu a@utorul unor reactivi de activarespecifici.

In aceste cazuri, ca i n situaia utilizrii celulelor sauenzimelor libere, bioreactoarele pot funciona att

discontinuu, ct i continuu, cu amestecare, cu strat deumplutur sau cu strat fluidizat.


23/52

23

4.1.1. Bioreactoare cu enzime

imobilizate cu func*ionare

discontinu

Principalele tipuri de bioreactoare discontinue n carese folosesc enzime imobilizate sunt:

- bioreactoare cu amestecare cu enzime imobilizate,meninute n suspensie n mediul lic(id prin agitare&fig. >.* a); bioreactoare cu amestecare cu enzime imobilizate pe unsuport &fig. >.* )!- bioreactoare cu enzime imobilizate pe strat de umplutur&fig. >.=/! bioreactoare cu enzime imobilizate n strat fluidizat &fig.

>.5/.


24/52

24

Fig. 4.1. Bioreacioarc cnzimatice discontinue cu

amestecare

a - cu enzime imobilizate n suspensie!b - cu enzirne imobilizate pe un suport!1 -bioreactor; 2 - agitator; $ - arbore ce transmite mi,carea de rota"ie; 4 -mediul licid; 5- particule cu enzime imobilizate; 6 - suport pentru enzime

imobilizate#


25/52

25

In funcie de capacitatea bioreactorului i de raportuldiametru + !nl*ime, pe arborele agitatorului pot fi

prevzute dou sau mai multe rnduri de dispozitive deamestecare. $e asemenea, dac mediul nutritiv estesusceptibil la spumare, se poate prevedea i un sprgtor despum &a se vedea cap. =, fig. =.>/, iar pentru a se realiza o

amestecare ct mai eficient, bioreactoarele pot fi dotate icu icane &fig. =.>/ care previn amestecarea coninutuluivasului ca un ntreg la anumite turaii ale dispozitivului deamestecare.

In cazul bioreactorului cu enzime imobilizate pe un suport&fig. >.* b), trebuie s se asigure o circulaie optim asubstratului n @urul suportului astfel nct activitateaenzimelor imobilizate s fie maxim.


26/52

26

In bioreactorul a crui sc(i este prezentat n fig. >.=

particulele cu enzimele imobilizate alctuiesc un strat similarstratului de umplutur al bioreactoarelor tip coloan cuumplutur &cap. =, fig. =.**/. Ca partea superioar, stratul departicule cu enzime imobilizate este meninut compactizat deo sit perforat.


27/52

27

"ioreactorul are funcionare discontinu astfel c, dupalimentare, mediul nutrititv este recirculat continuu, de obicei

n sens ascendent, prin stratul de particule cu enzimeimobilizate pentru a aduce substratul n contact cu enzimele.

$up epuizarea substratului recircularea este oprit, iarlic(idul evacuat, n vederea separrii i purificrii produselorde bioconversie.

?n contact mai bun ntre substrat i enzimele imobilizate seobine prin antrenarea particulelor n strat fluidizat &fig. >.5/.


28/52

28

,iteza de recircularea substratului trebuie s fie aleasastfel nct particulele cu enzime imobilizate s fie antrenate

n strat fluidizat n tot volumul util al vasului bioreactorului,

dar nu i prin conducta de recirciilare.

2stfel, $iteza ascensional a lic)idului trebuie sfie egal cu $iteza de sedimentare a particulelor ,valoare care depinde de mai muli factori printre caremrimea i forma particulelor, densitatea materialului dincare sunt confecionate, densitatea substratului etc.


29/52

29

4.1.2. Bioreactoare cu enzime

imobilizate cu func*ionare continu

"ioreactoarele cu funcionare n sistem continuu suntutilizate pentru eficientizarea bioproceselor, obinerea deproductiviti mari i posibilitatea de automatizare. 3le suntcaracterizate printro alimentare continu a substratului i

evacuarea continu a efluentului ce conine produseleobinute prin aciunea enzimelor asupra substratului asigurat.


30/52

30

2semntoare din punct de vedere constructiv cubioreactoarele cu funcionare discontinu, bioreactoarele cuenzime imobilizate cu funcionare n sistem continuu sunt demai multe tipuri:

bioreactoare continue cu amestecare, cu enzimeimobilizate meninute n suspensie n mediul nutritiv lic(idcu agitare &fig. >.>/! bioreactoare continue cu amestecare, cu enzimeimobilizate cu recircularea enzimelor n bioreactor &fig. >./!


31/52

31

- bioreactoare continue cu enzime imobilizate pe particulece alctuiesc un strat de umplutur &fig. >./!

- bioreactoare continue cu enzime imobilizate pe particule

antrenate n strat fluidizat &fig. >.7/! bioreactoare continue cu enzime imobilizate n membranesemipermeabile sub form de spirale &fig. >./ sau tuburicapilare &fig. >.+/.


32/52

32


33/52

33

Fig. 4.5. Bioreactor enzimatic cu amestecare- cu

func*ionare continu i decantor auiliar

1 - bioreactor; 2 - dispozitiv de amestecare; $ - substrat cu enzime imobilizate;4 - alimentare continua cu substrat; 5 - arbore ce transmite mi,carea de rota"ieagitatorului; 6 - comunicare .ntre bioreactor ,i decantor; 7 - decantor; ! -evacuare produse de bioconversie; % - particule cu enzime imobilizate cesedimenteaz; 1 - conduct de recirculare; 11 - pomp de recirculare#


34/52

34

1iltrul ce asigur eliminarea efluentului fr enzime &acesteafiind meninute permanent n sistem/ la bioreactorulprezentat n fig. >.>, respectiv decantorul cu care este

completat instalaia prezentat n fig. >. reprezint soluiimecanice prin care enzimele imobilizate sunt fie meninute nmediul de reacie, fie separate prin sedimentare i recirculate

n bioreactor, evitnduse diminuarea concentraiei de enzime

n bioreactor, deci reducerea productivitii procesului.


35/52

35

In bioreactoarele far amestecare, enzimele sunt utilizate

imobilizate fie pe particule dispuse ntrun strat de tipcoloan cu umplutur &flg. >./ sau antrenate n stratfluidizat&fig. >.7/, fie n membrane semipermeabile dispuse

n spiral &fig. >./ sau sub form de tuburi capilare &fig. >.+/.

Prin alimentarea continu a mediului nutritiv se asigurcontactul permanent dintre substrat i enzimele imobilizatepe particule, astfel c productivitatea bioreactorului esteridicat.

%embranele suport sunt semipermeabile: impermeabile lamoleculele de enzim i permeabile pentru moleculele desubstrat, respectiv pentru produsele de bioconversie.


36/52

36

2stfel, n timp ce moleculele de substrat traverseazmembranele ntrun sens pentru a interaciona cu enzimaimobilizat, produsul rezultat le traverseaz n sens invers,

urmnd a fi evacuat cu efluentul.

In oricare din situaii, gradul de bioconversie a substratuluieste controlat de timpul de staionare n bioreactor care esteinfluenat, la rndul su, de debitul de alimentare cu substrati de dimensiunile geometrice ale bioreactorului.


37/52

37


38/52

38


39/52

39


40/52

40


41/52

41

4.2. Biorcactoarc cu biomas

imobilizat

In funcie de suportul pe care sunt imobilizate celulele,aceste bioreactoare sunt de dou tipuri:

bioreactoare cu microroganisme imobilizate pe suport

inert! bioreactoare cu particule suport pentru fixarea biomasei.


42/52

42

4.2.1. Bioreactoare cu

microorganisme imobilizate pe

suport inert

"ioreactoarele cu microorganisme imobilizate pe un suport

fix depind de tendina natural a populaiilor microbiene de aadera pe suprafee i de a se agrega n biofilme. ?nelemicroorganismele produc substane polimerice extracelularecare formeaz o matri gelatinoas ce ncorporeaz alte

microorganisme formnd biofilme. 2cumularea i persistenabiofilmului este rezultatul mai multor procese fizice ibiologice care au loc simultan, dei vitezele lor relative semodific pe parcursul diferitelor etape ale dezvoltriibiofilmului &"erovic, *++*! vanDt Eiet and Framper, *++*/.


43/52

43

3xist numeroase cercetri orientate asupra studiuluicapacitilor metabolice ale biofilmului, n special asupracineticii proceselor de transformare a substratului de ctrebioflm. n ultimii douzeci de ani cercetrile au elucidatcontribuia acestor procese la acumularea i persistena

&vrsta/ unui biofilm sau asupra stabilitii structurale abiofilmului.

)onceperea unor noi modele de bioreactoare cu biomas

imobilizat este motivat de creterea cerinelor de epurarebiologic specific a apelor reziduale, incluznd etape denitrificare, denitrificare i eliminare a substanelor toxice.


44/52

44

Geometria bioreactoarelor cu biomas imobilizat pe unsuport inert folosite n tratamentul biologic al apelorreziduale a condus la clasificarea lor &fig. >.*6/ dup cumurmeaz:

H "ioreactoare cu strat fix sau strat de umplutur, cunoscutei sub denumirea de biofiltre sau filtre percolatoare iutilizate de peste un secol. $enumirea de biofiltru nu este

recomandat &3deline, *+/ ntruct face referire n moddirect la procesul fizic de filtrare (lits percolateurs saubiofiltres n francez, percolatin"filter, tric#in" filter saubiofiltern englez/.


45/52

45


46/52

46

H "ioreactoare cu amestecare perfect n care biofilmul este

n contact cu o mas de lic(id, uniform amestecat. Intratamentul biologic al apelor reziduale, cel mai uzualexemplu de asemenea aparat este contactorul biologic rotativsau bioreactorul cu discuri rotative &Bi9olov and olev,*+7! "uc(anan and Ceduc, *++>/.

H "ioreactoare cu strat fluidizat utilizate recent ntratamentul biologic &)ooper and 2t9inson, *+*/. In acestcaz, apa supus epurrii ptrunde pe la partea inferioar a

stratului de particule acoperite cu biofilm la o vitez decurgere suficient pentru a realiza fluidizarea acestuia.2mestecarea depinde de gradul de fluidizare atins.


47/52

47

"ioreactoare le cu biomas imobilizat sunt utilizate n modfrecvent n tratarea biologic a apelor reziduale. n cele ceurmeaz sunt prezentate pe larg cele trei tipuri amintite nclasificarea de mai sus.

$e menionat c, pe plan mondial, se urmrete ipromovarea altor tipuri de bioreactoare cu biomasimobilizat care pot fi avanta@oase cel puin n cazul unoraplicaii speciale.


48/52

48

4.2.1.1. Bioreactoare cu strat de

umplutur

"ioreactoarele cu strat de umplutur reproduc industrialefectul epurator al solului. In aceste bioreactoare biomas sefixeaz pe un material de umplutur &suport inert/ dispus ninteriorul unui turn nalt sau pe orizontal cu formarea unui

biofilm.


49/52

49

In cazul filtrelor percolatoare apa rezidual alimentat estedistribuit uniform la partea superioar cu a@utorul unuidistribuitor, apoi curge ntrun film subire dea lungulbiofilmului format pe stratul de umplutur.

4xigenul necesar pentru desfurarea proceselor aerobecum sunt biodegradarea compuilor organici &), B/ esteasigurat prin convecie natural, aerul circulnd ncontracurent cu lic(idul.1iltrele percolatoare folosind piatr ca suport pentru biofilmau fost folosite pentru tratamentul biologic al apelor reziduale

nc din *76 &)(arac9lis and %ars(all, *++6/.


50/52

50

1iltrele percolatoare sunt folosite n special pentru

biodegradarea poluanilor organici, a compuilor cu azot isruri de amoniu prin oxidare biologic. 3le sunt simplu deexploatat, fiind ideale pentru tratarea apei reziduale rezultatede la comunitile mici i spaiul rural. $e asemenea, sunt

mai puin susceptibile la ocuri n comparaie cu proceselecu biomas n suspensie. )u toate acestea, exist destu# depuin control asupra procesului atunci cnd condiiile delucru se modific. 3le nu sunt recomandate pentrufuncionare intermitent sau la debite de alimentarediminuate deoarece biofilmul necesit un anumit debit pentrua fi inundat uniform.


51/52

51

"ioreactoare cu amestecare perfect n care biofilmuleste n contact cu o mas de lic(id, uniform amestecat. Intratamentul biologic al apelor reziduale, cel mai uzualexemplu de asemenea aparat este contactorul biologic rotativ

sau bioreactorul cu discuri rotative &Bi9olov and olev,*+7! "uc(anan and Ceduc, *++>/. "ioreactoare cu strat fluidizat utilizate recent ntratamentul biologic &)ooper and 2t9inson, *+*/. In acest

caz, apa supus epurrii ptrunde pe la partea inferioar astratului de particule acoperite cu biofilm la o vitez decurgere suficient pentru a realiza fluidizarea acestuia.2mestecarea depinde de gradul de fluidizare atins.


52/52

"ioreactoare le cu biomas imobilizat sunt utilizate n modfrecvent n tratarea biologic a apelor reziduale. n cele ceurmeaz sunt prezentate pe larg cele trei tipuri amintite nclasificarea de mai sus.

$e menionat c, pe plan mondial, se urmrete ipromovarea altor tipuri de bioreactoare cu biomasimobilizat care pot fi avanta@oase cel puin n cazul unor

aplicaii speciale.

9 Curs Bioreactoare

Documents

Transcript of 9 Curs Bioreactoare