Minimum tank volumes for CFST bioreactors in series

TLDR: In this article, an equation is derived to predict the minimum possible total residence time to achieve any desired substrate conversion, which is applied to Monod, substrate inhibition and product inhibition cases.

Abstract: The primary reactor type currently used in the production of microorganisms or microbial products is the stirred tank reactor (STR). If operated on a continuous flow basis (CFSTR) they become similar in performance to the primary reactor configuration used in most of the chemical industry. In this work, microbial kinetics are considered in the design of CFSTRs in series. An equation is derived to predict the minimum possible total residence time to achieve any desired substrate conversion. The equation permits the use of a wide variety of growth kinetic models and is applied here to Monod, substrate inhibition and product inhibition cases. For the majority of cases, it is found that three optimally designed CFSTRs in series provide close to the minimum possible residence time for any desired substrate conversion. A comparison to the use of a PFR is made for cases of both no-recycle and biomass recycle to the CFSTR train. It is found that three CFSTRs, which are not equi-volume, provide the same required total mean residence time as a PFR for Monod kinetics, but are significantly superior (i.e., less total volume required) to a PFR for substrate-inhibited growth. Le type de reacteur primaire habituellement utilise dans la production de microorganismes ou de produits microbiens est le reacteur agite (STR). En mode continu (CFSTR), la performance de ces reacteurs se compare a celle des reacteurs primaires utilises le plus souvent dans l'industrie chimique. On considere dans ce travail des cinetiques microbiennes pour la conception de reacteurs agites continus en serie. Une equation est etablie pour predire le temps de sejour total possible minimum pour obtenir les conversions voulues de substrat. Cette equation permet l'utilisation d'un large eventail de modeles cinetiques de croissance et est appliquee ici aux cas de Monod, de l'inhibition de substrat et de l'inhibition de produit. Dans la majorite des cas, on a trouve que trois reacteurs agites continus en serie concus de maniere optimale permettent de se rapprocher du temps de sejour possible minimum pour toute conversion de substrat desiree. On a effectue une comparaison entre ce type de reacteur et un PFR pour les cas d'un non-recyclage et d'un recyclage de biomasse dans la serie de reacteurs agites continus. On a trouve que trois reacteurs agites continus, qui n'ont pas le měme volume, donnent le měme temps de sejour moyen total requis qu'un PFR pour la cinetique de Monod, mais ils sont nettement plus performants (par exemple volume total requis moins important) que les PFR pour la croissance inhibee par le substrat.