راکتور بچ در بخش‌های شیمیایی و دارویی، در مراحل مختلف برای انجام واکنشهای شیمیایی مختلف به روش متناوب، با پیروی از یک چرخه معمولی پر کردن، واکنش و تخلیه استفاده میشود. یک میکسر عمودی در داخل راکتور قرار می گیرد که هدف آن تسهیل واکنش شیمیایی است که اغلب بر اساس زمان های واکنش مشخص و دقیق محاسبه شده انجام می شود و برای آن به هم زدن یکنواخت محلول نیاز است.
با توجه به ماهیت حساس واکنشها، مهم است که همیشه مقادیر دما و فشار را تحت کنترل داشته باشید، به همین دلیل است که آب‌بندی‌های مکانیکی اغلب نصب می‌شوند تا فشار ثابت بماند یا گازهای خطرناک موجود در داخل پراکنده نشوند. تکمیل سطوح در تماس با مایع میکسر‌ها نیز از اهمیت اساسی برخوردار است.
واکنشهای پیوسته، چرخه ای هستند و از یک سری مراحل مانند پرکردن یک مخزن، آماده کردن محتوای آن برای واکنش، تخلیه پس از واکنش و انتقال محصولات به برخی تجهیزات پایین دستی تشکیل شده اند. هنگامی که راکتور بچ ها به صورت صنعتی استفاده می شوند، زمان های لازم برای پرکردن و تخلیه راکتور به متغیرهای عملیاتی مهم و همچنین زمان واکنش تبدیل می شوند.
یک سیستم راکتور پیوسته انعطاف‌پذیری به‌طور کلی هزینه‌های سرمایه گذاری کمتری نیاز دارد، بنابراین اغلب برای واکنشهای جدید و آن‌هایی که خروجی‌های کمتری دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد، به‌ویژه اگر درجه‌های زیادی ساخته شوند. رایج ترین نمونه های این راکتورها در تولید رزین، رنگ، چسب، پلاستیک، مواد دارویی و مواد شیمیایی ساخته می شود. واکنشها از یک راکتور واحد که چندین محصول تولید می کند تا چندین واحد اختصاص داده شده به یک محصول متفاوت است.
سیستم راکتورهای پیوسته دارای ویژگی های زیر است:
- هر مخزن تحت فشار یک راکتور جداگانه است.
- جرم کل هر مخزن ثابت است.
- حجم یا چگالی هر دسته ممکن است متفاوت باشد.
- مصرف انرژی هر مخزن ممکن است متفاوت باشد
- زمان واکنش برای همه عناصر سیال یکسان است.
- عملکرد راکتور ذاتاً حالت ناپایدار دارد. به عنوان مثال، ترکیب پیوسته با توجه به زمان تغییر می کند.
- با توجه به مورد 6، فرض بر این است که در هر زمان، دسته یکنواخت است (مثلاً از نظر ترکیب، دما، و غیره) به دلیل هم زدن کارآمد.
به عنوان توضیح نکته (3)، اگر قصد خرید راکتور شیمیایی پیوسته برای یک واکنش فاز مایع استفاده شود، ممکن است فرض کنیم که حجم در واحد جرم ماده ثابت است (یعنی چگالی ثابت)، اما اگر برای یک واکنش گازی استفاده شود. واکنش فاز، ممکن است اینطور نباشد.
راکتورهای پیوسته
متخصصان زیادی وجود دارند که ممکن است با رویکرد واکنش پیوسته به سنتز شیمیایی آشنا باشند. در طی واکنش، مقدار معینی از مواد به نسبت مشخصی با هم مخلوط می‌شوند و سپس کل آن برای مدت زمان مشخصی در معرض شرایط خاصی (مثلاً حرارت) قرار می‌گیرد، سپس واکنش به پایان می‌رسد. راکتورهای روکش دار و انواع دیگر ابزارهای سنتز رومیزی انواع رایج راکتور بچ ها در مقیاس آزمایشگاهی هستند. به طور معمول، راکتور بچ ها معمولاً با اتصالات مختلفی تعبیه می شوند که امکان نظارت و کنترل واکنش را فراهم می کند.
واکنشهای پیوسته در آزمایشگاه به طور سنتی رویکرد “پیش فرض” بوده است. این واکنشها در چرخه اجرا می شوند – هر چرخه به طور مستقل پیوسته از محصولات را تولید می کند که سپس می تواند به مرحله بعدی تجزیه و تحلیل یا واکنش منتقل شود. از نظر فنی، راکتور بچ به هر ظرفی گفته میشود که در آن واکنشهای شیمیایی پیوسته انجام شود. با این حال، اصطلاح “رآکتور پیوسته” به اندازه کافی برای محیط های آزمایشگاهی خاص نیست و بنابراین به طور گسترده استفاده نمی شود – در عوض، این اصطلاح برای مخازن بزرگ پروانه ای که در واکنش صنعتی رایج هستند استفاده می شود.
کنترل کیفیت را می توان با تولید دسته های کوچک بهبود بخشید که یکی از مزایای اولیه راکتور بچ ها است. این واکنش را می توان در حجم کم آزمایش کرد، تجزیه و تحلیل کرد و در صورت نیاز با اجرای سنتز در یک راکتور پیوسته کوچک، آن را تجزیه و تحلیل کرد. راکتورهای پیوسته مانند راکتورهای پلیمریزاسیون ارزان تر و آسان تر از راکتورهای لوله ای هستند، بنابراین متداول تر هستند.
راکتور لوله ای
شیمی جریان که به عنوان واکنش لوله ای پیوسته شناخته می شود، به واکنشی اشاره دارد که در آن واکنش ها در یک یک لوله به صورت پیوسته انجام می شوند. این اصطلاح اخیراً برای توصیف واکنشهای شیمیایی پیوسته در مقیاس کوچک در آزمایشگاه ابداع شده است، علی‌رغم این واقعیت که واکنش های لوله ای مدت‌هاست در سنتزهای صنعتی استفاده میشود.
به طور کلی، راکتورهای لوله ای معمولاً سیستم‌های میکروسیالی هستند که از پمپ‌ها و لوله‌ها برای جمع‌آوری معرف‌ها استفاده می‌کنند. راکتورهای لوله ای معمولاً حاوی دستگاه گرمایش و اختلاط نیز هستند که اغلب به شکل «ماژول‌های» متفاوتی هستند که معرف‌ها از طریق آن پمپ می‌شوند.
دو رویکرد اساساً متفاوت برای واکنش شیمیایی وجود دارد، یعنی واکنشهای پیوسته و جریان. بحث شدیدی در مورد این سوال وجود دارد که آیا یک واکنش یا سنتز معین باید با استفاده از یک راکتور لوله ای یا یک راکتور پیوسته انجام شود. هر دو روش مزایا و معایبی را برای انواع مختلف واکنش ها به کاربر ارائه می دهند. این مقاله خلاصه‌ای سریع از راکتور های پیوسته در مقابل راکتورهای لوله ای ارائه می‌کند و یک نمای کلی از مزایای مختلفی که می‌توانند برای آزمایشگاه به ارمغان بیاورند ارائه می‌کند.
تفاوت راکتورهای لوله ای و راکتور بچ ها
راکتور بچ ها مخازنی هستند که برای حاوی واکنش های شیمیایی یا بیولوژیکی استفاده می شوند. اصطلاح “بچ” این نوع راکتور را از راکتورهای پیوسته متمایز می کند – در یک راکتور ناپیوسته، تمام مواد لازم در مخزن قرار می گیرند و واکنش شیمیایی یا تخمیر مجاز به انجام است، در حالی که در یک راکتور پیوسته، مواد به طور مداوم به داخل راکتور وارد می شوند. مخزن راکتور بچ ها برای واکنشهایی مانند تولید دارو و تخمیر محصولات مختلف استفاده می شوند.
برای تعیین توالی راکتورهای پیوسته، راکتوری حاوی لجن فعال ابتدا با فاضلاب پر می شود. لجن و آب هوادهی می شوند تا اکسیژن اضافه شود و اجزاء با هم مخلوط شوند، که هر دو به باکتری ها کمک می کنند تا از آلاینده های موجود در فاضلاب تغذیه کنند. هنگامی که باکتری ها بیشتر مواد مغذی موجود در آب را مصرف کردند، شروع به از بین رفتن می کنند و هوادهی متوقف می شود تا لجن در ته راکتور ته نشین شود. پس از ته نشین شدن لجن، فاضلاب تصفیه شده از راکتور خارج شده و به مرحله بعدی در واکنش تصفیه فرستاده می شود.
ساده‌ترین نوع راکتور بچ فقط شامل یک مخزن با سوراخ‌هایی در بالا برای ورود مواد واکنش‌دهنده و خروج محصول است، اگرچه معمولاً نوعی مکانیسم میکسر نیز باید گنجانده شود. ژاکتی که در اطراف مخزن قرار می گیرد ممکن است برای کنترل دما نیز استفاده شود. راکتور بچ ها ممکن است به نوعی سیستم هوادهی نیز نیاز داشته باشند.
یکی از انواع رایج راکتورهای پیوسته، راکتور پیوسته متوالی مانند راکتور رزین سازی است که هر دو به اختصار SBR نامیده می شوند. راکتورهای SBR معمولاً در تصفیه خانه های فاضلاب برای واکنش لجن فعال استفاده می شوند، روشی که از طیف وسیعی از باکتری ها برای حذف آلاینده ها از آب استفاده می کند. کشت های باکتریایی در یک لجن غلیظ رشد می کنند، جایی که این روش نام خود را گرفت.
افزودن مواد به یک راکتور پالایشگاهی به عنوان “شارژ” شناخته می شود و اولین گام در انجام یک واکنش پیوسته است. کاربر راکتور بر اساس فرمول های واکنش شیمیایی یا فرمول های رشد میکروبی محاسبه می کند که چه مقدار از هر ماده برای تولید محصول مورد نظر نیاز است. محاسبات مشابه به کاربر اجازه می دهد تا تعیین کند که واکنش چقدر طول می کشد. هنگامی که راکتور شارژ می شود، می توان آن را در حین انجام واکنش به تنهایی رها کرد. بسته به نوع واکنش، کاربر ممکن است نیاز به نظارت بر دما و هوادهی در راکتور داشته باشد.
