За гідродинамічного режиму (структурі потоків) ректори діляться на три групи.
Реактори ідеального (повного) перемішування - апарати, в яких потоки реагентів миттєво і рівномірно перемішуються в усьому реакційному обсязі. Це означає, що склад і температуру реакційної суміші в такому апараті можна вважати однаковими у всьому його обсязі. На малюнку 4а предствлена типова залежність зміни концентрації субстрату в часі в такому реакторі.
До такого типу реакторів можуть бути віднесені апарати малого обсягу з механічним перемішуванням рідини, частотою обертання мішалки не менше 4 с-1 і часом гомогенізації не більше 8 хвилин.
Реактори ідеального (повного) витіснення - апарати, в яких рух реагентів носить поршеневой характер, тобто кожен попередній обсяг, що проходить через апарат, не змішується з подальшим, так як витісняється ім. В такому апараті існує певний розподіл швидкостей потоку по його перетину. В результаті склад, а так само температура реакційної суміші в цетрі апарату і у його стінок різні; і температур на вході і виході з апарату. До таких апаратів відносяться трубчасті реактори при співвідношенні їх висоти до діаметру, рівним не менше 20 (H / D ≥ 20). Однак, у великих реакційних обсягах, як правило, режим повного (ідеального) витіснення порушується за рахунок ефекту зворотного перемішування. Типова залежність зміни концентрації в часі для такого апарату представлена на рис 4б.
Реактори з проміжним гідродинамічним режимом. Цей тип апаратів дуже широко поширений на практиці. Найбільш часто відхилення від ідеального режиму пермешіванія в реакційному обсязі спостерігається, наприклад, в апаратах великого об'ма при недостатній частоті обертання мішалки, наявності теплообмінних пристроїв всередині апарату, великій швидкості подачі реагентів в апарат безперервної дії і т.д. У цих випадках виникають застійні зони (обсяги з малим перемішуванням або взагалі без перемішування), байпасні потоки в апараті а так само проскакування потоку без змішання через апарат. (Рис. 5)
На малюнку 4в показана характерна залежність зміни концентрації субстрату в часі в такому реакторі.
В апаратах ідеального витіснення регулярний гідродинамічний режим може бути порушений в результаті поперечного і особливо подовжнього пермешіванія потоку (рис. 6), що призводить до часткового вирівнювання концентрацій і температур по перетину і довжині реактора. Пояснюється це тим, що поздовжнє (зворотне) пермешіваніе прискорює переміщення одних елементів обсягу, а інших - уповільнює, внаслідок чого час перебування їх в реакторі стає різним.
Одним їх технічних прийомів зменшення ефекту поздовжнього пермешіванія є секціонування реакційного обсягу (рис. 7), в результаті чого пермешіваніе набуває локальний характер і по довжині апарату зберігається гідродинамічний режим, близький до режиму повного витіснення.
Типова залежність зміни концентрації субстрату в часі в багатосекційні апараті представлена на малюнку 4г.
До апаратів з проміжним гідродинамічним режимом ставляться більшість ферментеров колонного типу.
Реактор, як апарат, в якому протікає основний процес біотехнології - створення нової продукту в результаті складної взаємодії вихідних речовин, повинен працювати ефективно, тобто забезпечувати необхідну глибину і вибірковість біохімічного перетворення. Отже, біохімічний реактор повинен задовольняти ряду різних вимог: мати необхідний реакційний обсяг, забезпечувати певний гідродинамічний режим руху реагентів, створювати необхідну поверхню контакту взаємодіючих фаз, підтримувати необхідний теплообмін в процесі, режим аерації і т.д.
У промислових умовах найважливіше значення набуває не тільки швидкість біохімічного перетворення речовини, але і продуктивність апаратури, тому вибір типу і конструкції обладнання є одним з головних і отвествтвенних етапів реалізації хіміко-технологічного процесу.
За конструкцією біохімічні реактори класифікуються наступним чином:
ü реактори ємнісного типу (типу реакційної камери);
ü реактори типу колони;
ü реактори трубчастого типу;
ü реактори плівкового типу;
ü реактори мембранного типу;
ü реактори з псевдозрідженим шаром (рис. 8).
Конструктивний тип реактора залежить від умов проведення процесу і властивостей що у ньому речовин.
До найважливіших з факторів, що визначає пристрій реактора, відносяться: агрегатний состояніяніе вихідних речовин і продуктів реакції, а так само їх біохімічні та мікробіологіеческіе властивості; температрура і тиск, при яких протікає процес; тепловий ефект процесу і швидкість теплообміну; інтенсивність перенесення маси (массообмен), перемішування реагентів; безперервність або періодичність процесу; зручність монтажу і ремонту апаратури, простота його виготовлення; доступність конструкційного матеріалу і т.д.
З усіх перерахованих вище факторів агрегатний стан речовини має найбільший вплив на принцип організації руху взаємодіючих фаз і визначає конструктивний тип реакційного пристрою. Крім того, від цього фактора залежить вибір деяких основних і допоміжних деталей апарату, таких як, наприклад, переміщуючий пристрій, поверхню теплообміну і ін.
З точки зору визначення технологічних можливостей біохімічних реакторів доцільно систематизувати з урахуванням основних гідродинамічних і масообмінних показників. Ці показники будуть значною мірою залежати від кількості і способу підведення енергії на перемішування і аерацію в реакторах. Відповідно до цього всі біохімічні реактори (ферментери) можуть бути віднесені до трьох груп.
Реактори з підведенням енергії через газову фазу (рис. 9). Ця група апаратів відрізняється простотою конструкції і надійністю експлуатації, так як відсутні рушійні деталі і вузли. До таких апаратів відносяться, наприклад, барботажні ерліфтерние ферментери.
Реактори з підведенням енергії через рідку фазу (рис. 10). Характерним конструктивним ознакою таких апаратів є наявність самовисасивающего елемента, або насоса. До цієї групи апаратів можна віднести, наприклад, ферментери з самовисасивающімі пристроями, з ежекционной системою перемішування і аерації, з зовнішнім циркуляційних контуром.
Реактори з комбінованим підведенням енергі (рис. 11). Основний конструктивних елемент таких апаратів - переміщуючий пристрій, що забезпечує високоефективне диспергирование і гомогенізацію. До цієї групи належать високоінтенсивні апарати з механічним перемішуванням і одночасно барботажем стисненим повітрям.
Біохімічний реактор має ряд пристроїв і навіть цілих вузлів, за допомогою яких до нього приєднуються основне і допоміжне обладнання, а так само арматура і контрольно-вимірювальні прилади.