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Module 1: Reazioni Eterogenee in Bioreattori

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Il trasferimento di calore è il processo di trasferimento del calore da un sistema ad alte temperature ad un sistema a bassa temperatura. Nel sistema termodinamico, il trasferimento di calore è il movimento di calore attraverso il confine del sistema a causa della differenza di temperatura tra il sistema e il circostante. Ci sono tre modalità di trasferimento di calore che comprendono: convezione, conduzione e radiazioni.

I due tipi di applicazione comune di trasferimento di calore nell'operazione bioreattore sono:

In situ sterilizzazione batch di mezzo liquido: in questo processo, un recipiente contenente mezzo viene riscaldato utilizzando vapore e tenuto a temperatura di sterilizzazione per un periodo di tempo.

Controllo della temperatura durante il funzionamento del reattore: l'attività metabolica delle cellule genera calore e alcuni microorganismi necessitano di condizioni di temperatura estreme.

Gli scambiatori di calore sono dispositivi progettati per trasferire calore tra due o più fluidi come liquidi, vapori o gas di diverse temperature. Le configurazioni di scambiatore di calore includono le seguenti descrizioni:

Giacca esterna e bobina danno una zona di trasferimento di calore bassa. Sono raramente utilizzati su scala industriale.

Le bobine interne sono utilizzate frequentemente in recipiente di produzione

L'unità di scambiatore di calore esterno è indipendente dal reattore, facile da scalare e fornisce la migliore capacità di trasferimento di calore.

La reazione di primo ordine è dove il tasso di reazione dipende da un singolo reattante e il valore dell'esponente è uno.
I seguenti punti dovrebbero essere considerati in pratica;

La dimensione delle particelle dovrebbe essere il più piccola possibile

La velocità di reazione massima è determinata dall'attività enzimatica e dalla concentrazione nel supporto.

L'elevato contenuto enzimatico provocherà un'elevata attività enzimatica per unità di volume di reazione ma un fattore di basso efficacia.

Thiele ` s modulus misura la velocità di reazione al tasso di diffusione. Per il basso valore del modulo di Thiele, il tasso di reazione enzimatica è lento rispetto alla velocità di diffusione. D'altra parte, per valori più alti di modulistica, il tasso di reazione è più veloce del tasso di diffusione.

Nella sterilizzazione batch è difficile ottenere il profilo di temperatura ideale e ci sono tre periodi di sterilizzazione:

Periodo di riscaldamento del mezzo liquido

Periodo di permanenza a temperatura costante

Periodo di raffreddamento

Nella maggior parte dei processi biologici, più grande è la superficie la più diffusione può verificarsi. Quando c'è più volume e meno superficie, la diffusione impiega più tempo ed è meno efficace.
Gli effetti di diffusione negli enzimi legati alla superficie su materiali di supporto non porosi hanno le seguenti ipotesi:

Assumere una situazione in cui gli enzimi sono legati ed equamente distribuiti sulla superficie di materiale di supporto non poroso.

Tutte le molecole degli enzimi sono ugualmente attive

Substrato diffusori attraverso un sottile film liquido che circonda la superficie di appoggio per raggiungere le superfici reattive.

Allo stato stazionario il tasso di reazione è pari alla velocità di trasferimento di massa.

Le ipotesi di effetti di diffusione in sistemi cellulari immobilizzati comprendono:

La presenza e il significato di limitazioni diffusionali dipendono dai tassi relativi di bioconversione e diffusione come dato dal numero Damkohler.

Bilancia materiale differenziale per il substrato limitante di velocità all'interno del rendimento del biofilm a stato stazionario.