Seminarski rad

Predmet : Procesna oprema

Tema: Prenosnici i razmjenjivači toplote

1. UVOD

Izmjena energije između dva sustava koja nastupa zbog njihovih različitih temperatura, naziva

se prijelaz topline. Ako nema drugih uzroka, stanje promatranih sustava mijenjat će se sve

dok se ne uspostavi toplinska ravnoteža, tj. dok se ne uspostavi jednaka temperatura u oba

suistema. Tada prestaje izmjena topline. Pri tome ne treba zaboraviti da je u realnom svijetu

materije toplinska ravnoteža relativan pojam, vezan na stanje materije u ograničenom prostoru

i vremenu.

U prirodi stalno dolazi do prenosa toplote sa jednog mjesta na drugo. Dvije osnovne fizičke

veličine koje određuju razmjenu toplote između dva tijela su : količina toplote i temperatura.

Dok količina toplote koju tijelo posjeduje predstavlja zbir konetičke energije svih molekula

tijela, temperatura je odraz intezivnosti njihovog kretanja. Dva tijela u fizičkom kontaktu

razmjenjuju energiju ( toplotu) sve dok se intezivnost kretanja njihovih molekula

( temperatura) ne izjednači.

Kažemo da je temperaturna razlika dva tijela pogonska sila za razmjenu toplote među njima.

Toplota spontano – prirodnim putem, uvijek prelazi s tijela više na telo niže temperature. U

nekim slučajevima se teži što boljem prenošenju toplote, kao na primjer između ložišta i

kotla, centralnog grijanja, hladnjaka na motorima itd. U drugim slučajevima nastoji se da se

spriječi prelaz toplote kao kod zidova zgrada, hladnjaka, termos boca, kalorimetara itd.

Kao i kod drugih vidova energije, pri razmeni toplote između nekog tela i okoline važi

poznati toplotni bilans:

Qdovedeno − Qodvedeno = Qakumulirano

Ukoliko je doveden akoličina toplote veća od odvedene, akumulacija je pozitivna – tijelo se zagrijava , a ako je situacija obrnuta , akumulacija je negativna- tijelo se hladi.

2. OSNOVNI MEHANIZAM PRENOŠENJA TOPLOTE

Pri izmjeni topline, dva sustava mogu, ali ne moraju biti u neposrednom dodiru, iz čega se

može zaključiti da su mehanizmi prijenosa topline u tim slučajevima bitno različiti.

Prijenos topline unutar i između dva sustava odvija se na dva načina:

- posredstvom materije, kada su sustavi u neposrednom dodiru. Pri tome se, u ovisnosti o

agregatnom stanju sistema, energija (toplina) prenosi kroz sisteme ili provođenjem (kruta

tijela), ili konvekcijom (fluidi), prema ili od dodirne plohe dva sistema.

- elektromagnetskim valovima, kada se sustavi ne dodiruju. Ovaj efekt se naziva toplinsko

zračenje ili radijacija .

Prolaz toplote obuhvata mehanizme provođenja i prelaza toplote. Provođenje toplote (ili

kondukcija) je mehanizam razmene toplote kroz čvrste materije, prilikom čega je toplotni

fluks usmjeren od toplije ka hladnijoj strani.

Karakteriše se preko toplotne provodljivosti λ (W/mK), koja predstavlja termo-fizičku

osobinu materijala.

Prelaz (ili prelaženje) toplote je mehanizam prenosa toplote koji nastaje prilikom strujanja

(konvekcije) nekog fluida preko čvrste površine. Pri tome se razlikuju dva slučaja: kada

toplota prelazi sa toplijeg fluida na hladniju čvrstu površinu i kada toplota prelazi sa toplije

čvrste površine na hladniji fluid koji preko nje struji.

Ovaj mehanizam razmene toplote se karakteriše preko koeficijenta prelaza toplote α

(W/m2K).

Slika 1. Tri načina prenošenja toplote

2.1 Temperaturno polje

Temperatura je, kao i druge veličine stanja, skalarna veličina koja se opisuje samo s

numeričkom vrijednošću i pripadnom dimenzijom temperaturne skale. Za razliku od modela

klasične termodinamike koji pretpostavlja materiju u unutarnjoj toplinskoj ravnoteži, teorija

prijelaza topline polazi od činjenice da pri izmjeni topline s okolišem čestice materije nemaju

jednaku temperaturu.

U materiji postoji trodimenzijsko skalarno temperaturno polje koje se tijekom izmjene topline

vremenom mijenja. Takvo temperaturno polje u pravokutnom koordinatnom sustavu

označava se kao T = T(x, y, z, t), a u cilindričnom koordinatnom sustavu kao T = T(r, φ , z, t).

Zbog ovisnosti o vremenskoj koordinati t takva se polja nazivaju nestacionarnim

temperaturnim poljima.

Ako se temperaturno polje s vremenom ne mijenja tada otpada ovisnost o t, pa se takva polja

nazivaju stacionarnim poljima.

Za opis trodimenzijskih prostora najčešće se koriste ortogonalni koordinatni sustavi. Za

probleme koji će se kasnije razmatrati koristit će se pravokutni ili cilindrični koordinatni

sustav koji su opisani na slici 4. Pripadni jedinični vektori označeni su slovom e i indeksom

smjera koordinate.

Slika 4. Temperaturno polje u pravouglom i cilindričnom koordinatnom sistemu

2.2 Prijenos topline posredstvom materije

Kada se prijenos topline vrši posredstvom materije tada na njega utječe molekularna građa i

agregatno stanje materije. Fizikalno ponašanje materije ovisi o obliku i veličini njenih

molekula, te međumolekularnim silama - mehaničkim, elektromagnetskim i hemijskim.

Pri izmjeni energije s okolinom mijenja se pokretljivost molekula, pa se transport energije

unutar materije (sistema) odvija putem sudara susjednih molekula. Ovaj molekularni ili

mikroskopski transport postoji unutar materije bilo kakvog agregatnog stanja. On je

proporcionalan razlici temperature koja postoji između dvije materijalne tačke, ali ovisi i o

načinu na koji se prenosi energija.

Krute tvari ; Kod krutih tvari, zbog jakih međumolekularnih sila, molekule se nalaze u

neposrednoj blizini, pa je njihovo kretanje praćeno učestalim sudaranjem (molekularni

transport). Kod materija u krutom agregatnom stanju to je jedini način transporta energije

(topline), koji se naziva provođenje ili kondukcija. Kod čistih metala (kovina) postojanje

slobodnih elektrona pojačava ovaj transport. Svaka materija, sukladno svojoj molekularnoj

strukturi i uvjetima temperature i pritslaa, pokazuje drugačije osobine molekularnog

transporta.

Tekućine (fluidi = kapljevine i plinovi) ; Kod kapljevina, a posebno kod plinova, molekule

se kreću slobodnije, pa je i učestalost sudaranja manja, a molekularni transport topline

drugačiji od onog u krutom stanju. Ujedno, to nije više i jedini način kretanja. Toplinska

neravnoteža s okolinom uzrokuje nastanak makroskopskog kretanja čestica materije, koje

sadrže ogroman broj molekula. Makroskopski ili molarni transport odvija se putem sudara

makro čestica, unutar kojih se na nivou molekula odvija molekularni transport. Ova dva nivoa

transporta uvijek postoje u tekućinama i nazivaju se zajedničkim imenom konvekcija.

2.2.1 Prevođenje ( kondukcija)

Provođenje toplote je proces u kome se toplota prenosi direktno kroz materijal pri čemu ne

dolazi do premeštanja sastavnih delova materijala.

U čvrstim telima su molekuli raspoređeni po čvorovima kristalne rešetke na međusobnom

rastojanju koje je određeno jačinom međumolekulskih sila , odnosno prirodom supstance. Oni

osciluju oko svojih ravnotežnih položaja sa amplitudom i učestanošću proporcionalnim

temperaturi tela. Ako se molekulima u jednom području tela povisi kinetička energija

oscilovanja (temperatura), njihovo intenzivnije oscilovanje će se mehanički preneti na

susedne molekule, sa ovih na sledeće itd, doći će do prenosa kinetičke energije molekula kroz

telo – protoka toplote pri čemu molekuli zadržavaju svoja mesta u kristalnoj rešetki. Da bi do

prenosa energije došlo, očigledno je da molekuli moraju stupati u međusobne fizičke

kontakte. Brzina prenosa toplote kroz telo zavisi od veličine i mase pojedinih molekula, kao i

sila koje među njima vladaju, karakteristična je za svako telo. Kod fluida su međumolekulske

sile mnogo slabije nego u čvrstom telu, tako da se molekuli kreću haotično u svim pravcima,

međusobno se sudarajući i izmenjujući kinetičku energiju. Pri uslovima izjednačene

temperature, molekuli fluida se nalaze u stanju dinamičke energetske ravnoteže, ali kada se u

jednom području povisi temperatura, ravnoteža se remeti. Molekuli s viškom kinetičke

energije se sudaraju sa drugim, sporijim molekulima i predaju im jedan deo te energije, pa se

tako, u makro-smislu, kroz fluid prenosi toplota. Treba zapaziti da se ovde radi o mirnom

fluidu kod kojeg u uobičajenom smislu nije moguće primetiti bilo kakvo kretanje. Ono se

odvija isključivo na molekulskom nivou. Kao kod čvrstih tela, i ovde brzina prenosa toplote

zavisi od brzine i mase molekula, što je uslovljeno prvenstveno prirodom fluida.

Ako se bilo koje parče nekog materijala zagreva na jednom mestu onda će se manje ili više

zagrevati i ostala mesta tog materijala (npr ako se jedan kraj metalnog štapa stavi u plamen, a

drugi drži u ruci osetiće se da se onaj deo koji se drži u ruci sve više greje iako nije u kontaktu

sa plamenom). Uočeno je da su metali najbolji provodnici toplote. U metalima se prenos

toplote može vršiti i slobodnim elektronima. Kondukcija toplote je veoma intuitivan koncept:

predstavlja spontani transfer toplote kroz materijal, u cilju izjednačavanja toplotnih razlika.

Ovo objašnjava zašto imamo osećaj da je metalna klupa ili stolica na dodir hladna, dok je

drvena na dodir topla. Metal je odličan toplotni konduktor i prenosi toplotu tela kroz svoju

masu. Drvo, naprotiv, je veoma loš toplotni konduktor. Iz istog razloga, metalna kašika u

ključaloj vodi postane brzo vruća, dok drvena ostaje hladna na drugom kraju.

2.2.2 Prelaženje (konvekcija)

Konvekcija je vrlo čest oblik prenošenja toplote. Dok se kod kondukcije toplote u

nepokretnom fluidu toplota prenosila sa jednog na drugi molekul, a sam proces bio ograničen

učestalošću njihovih međusobnih kontakata, prenos toplote konvekcijom nema ta ograničenja.

Kada se na površinu hladne vode pažljivo unese određena količina tople vode, ona će se pod

dejstvom jake mešalice veoma brzo raspodeliti po celoj raspoloživoj zapremini suda, tako da

će poslije vrlo kratkog vremena svuda biti konstantno povišena temperatura. Takvo

izjednačavanje temperature u odsustvu mješanja, dakle konduktivnim putem, trajalo bi

neuporedivo duže. Iz gornjeg primjera sledi zaključak: brzo izjednačavanje temperature

označava da je proces prenosa toplote u posmatranom sistemu brz. U tehnici je u načelu

povoljno da se svi procesi, pa i procesi prenosa toplote intenziviraju. Stoga se pri prenosu

toplote kroz fluide uvijek gde je to moguće radije koristi konvekcija, nego kondukcija, pri

čemu se istovremeno vodi računa i o utrošku energije potrebne za miješanje fluida. Zato je

uvijek poželjnije da se miješanje izvede bez upotrebe mehaničkih sredstava – samo pod

dejstvom razlike u gustini fluida prouzrokovane najčešće temperaturnim razlikama u njemu.

Takva se situacija ostvaruje kod tečnosti u sudu koja se zagrijva kroz dno: topliji (rijeđi)

slojevi se podižu ka vrhu, ustupajući mjesto hladnijim (gušćim) slojevima koji padaju ka dnu

suda. Uspostavlja se strujanje čiji je intenzitet srazmjeran temperaturnoj razlici dna i vrha

suda. Tokom zagrijvanja se ova razlika smanjuje, pa i intenzitet mešanja, odakle je očito da

ovakav proces prenosa toplote prirodnom konvekcijom ima ozbiljnih ograničenja. Stoga se u

situacijama gde je potrebno prenos toplote učiniti intenzivnijim i uopšte, podložnijim

regulaciji, uvodi prinudno, mehaničko mešanje, pa se proces prenosa toplote u takvim

uslovima naziva prinudna konvekcija.

Slika 2. Konvekcija toplote izazvana radijatorom i u vrućoj vodi

2.2.2.1 Slobodna konvekcija - prirodna konvekcija

Temperaturno polje u fluidu, T = T(x, y, z, t), uzrokovano razlikom temperatura, ∆T, između

promatranog fluida i njegove okoline dovodi do preraspodjele mase u prostoru, tj. do nastanka

polja gustoće, ρ = ρ(x, y, z, t).

Pod djelovanjem lokalno homogenog gravitacijskog polja svakoj je masi pridruženo

gravitacijsko ubrzanje, g m/s2, pa nehomogena distribucija mase u prostoru ujedno znači

nehomogeno polje sila u smjeru gravitacije.

Unutar fluida se uspostavlja makroskopsko gibanje čestica, koje imaju različite brzine. Oblik

prostora u kojem se nalazi fluid obično je barem djelomice ograđen krutim stijenkama, koje

sprečavaju gibanje čestica fluida prema zemlji i na čijim se plohama nehomogeno polje sila

transformira u nehomogeno polje tlaka. Čestice mijenjaju smjer kretanja prema području

nižeg tlaka, a njihovo daljnje gibanje ovisi o obliku ograđenog prostora.

Kako gibanje fluida nije izazvano nikakvom prisilom - mehaničkim utjecajem okoline - to se

prijenos topline ostvaren pri tome naziva slobodna ili prirodna konvekcija.

Uzrok gibanja je razlika temperature, ∆T, fluida i okoliša, pa je pri većim ∆T slobodna

konvekcija intenzivnija. Pored toga, fizikalna svojstva fluida imaju znatan utjecaj na gibanje

čestica. Potrebno je naglasiti da slobodna konvekcija postoji uvijek kada se u fluidu uspostavi

temperaturno polje. Ipak, efekti slobodne konvekcije mogu postati računski zanemarivi ako se

pod utjecajem vanjskih sila uspostavi prisilno strujanje fluida.

Slika 3.Uzrok kretanja slobodnom konvekcijom

2.2.2.2 Prisilna konvekcija

U tehničkoj praksi najčešće se makroskopsko gibanje fluida ostvaruje prisilno, tj. pod

djelovanjem nekog tehničkog uređaja: pumpe, ventilatora i sl. Pokretni dijelovi ovih uređaja

(lopatice) potiskuju čestice fluida prema području nižeg tlaka, pa je razlika tlaka ∆p uzrok

strujanja fluida.

Obično je u takvim slučajevima slobodno gibanje fluida pod utjecajem temperaturnog polja

sasvim potisnuto. Prijenos topline odvija se konvektivnom načinom, tj. makroskopskim i

molekularnim transportom, koji je pod utjecajem brzine bitno pojačan u odnosu na slobodnu

konvekciju.

2.2.2.3. Izračunavanje prelaženja toplote

Prenos toplote konvekcijom možemo računati pomoću Njutnjovog zakona hlađenja :

q = hc (Tp - Tf)

gde je Tp temperatura čvrste ploče uz koju struji fluid, Tf temperatura fluida dalje od granične

ploče, a hc koeficijent konvekcije koji se izražava u W /m2K.

Taj koeficijent zavisi od niza parametara, npr. od razlike temperatura, oblika i položaja ploče,

brzine i načina strujanja fluida (laminarno i turbulentno), vrste fluida...

2.3 Radijacija

Između Sunca i Zemlje je prostor u kome nema supstance (vakuum). Zbog toga prethodna dva

mehanizma prenošenja toplote ne mogu funkcionisati. Dakle nema ni provođenja ni

konvekcije. Iz iskustva izlaganja sunčevim zracima mi znamo da oni zagrijvaju tijela na koja

padaju. Ovaj način prenošenja toplote se naziva zračenje. Dakle, Sunce u prostor

zrači elektromagnetne talase , preko kojih se prenosi toplota. Elektromagnetni talasi imaju

jednu zanimljivu osobinu da im nije potrebna sredina da bi se prostirali, tj. mogu se prostirati

kroz vakuum.

Sva tijela koja imaju temperaturu višu od temperature apsolutne nule zrače toplotu gdje

površina ima značajnu ulogu, ali istovremeno i apsorbuju energiju u obliku elektromagnetnih

talasa. Na nižim temperaturama zagrijano tijelo predaje toplotu najvećim dijelom putem

konvekcije i provođenja, mada svakako postoji i zračenje ; samo je ono manje izraženo, jer su

temperature bliske pa je mala razlika četvrtih stepena apsolutnih termodinamičkih

temperatura, dok će na višim temperaturama preovladati odavanje toplote putem zračenja.

Toplotna radijacija predstavlja transfer toplote elektromegnetnim zračenjem. Sunce, ili

električni radijator, su perfektni primjeri radijacije toplote. Svijetli, sjajni materijali, kao

barijere radijacije, reflektuju zračenje dok tmurni, tamni materijali ga apsorbuju.

Dobri izolatori nisu neophodno dobre prepreke zračenju i suprotno. Primjer prepreke zračenju

je svijetli materijal koji stavite na prednje staklo auta da bi ste spriječili pregrijvanje u ljetnim

danima.

Toplotna radijacija Sunca je od posebnog značaja kada se govori o toplotnoj izolaciji. Za

vrijeme hladnih mjeseci, Sunčeva energija je posebno dobrodošla i kuće bi trebalo da su

dizajnirane da je što više prihvate. U ljeto, naprotiv, treba spriječiti prodor radijacije Sunca u

kuću da bi se održala svJežina unutra.

Krov i prozori imaju najveću važnost kod toplotne radijacije. Na krov je moguće postaviti

prepreke radijaciji i/ili napraviti ventilisani krov koji omogućava toploti radijacije da se

evakuiše putem konvekcije.

Što se tiče prozora, moguće je naći reflektivno staklo, koje uvećava prenos svjetlosti

reflektujući solarnu radijaciju. Druga vrsta stakla zvana E glass (low emissive), ima metalni ili

oksidni nanos, koji umanjuje prenos toplote ili hladnoće kroz staklo dozvoljavajući, u isto

vreme, svetlosti da prođe kroz njega.

U svakom slučaju, najefikasniji način da se izbjegne toplotno zračenje kroz prozore u ljetnim

danima je da se ti isti zaštite od direktnog izlaganja Suncu. Ovo se može izvesti izgradnjom

nastrešnica (Slika 3) , drvenim kapcima ili vegetacijom.

Slika 3. Nastrešnica, za prozor okrenut prema jugu, daje zaštitu prozoru leti, kada je Sunce

visoko na nebu, dok dozvoljava prodor sunčevih zraka zimi, kada je sunce nisko na nebu

2.3.1 Apsorpcija, refleksija, transparencija

Zračenje je rezultat unutaratomskih promena tokom kojih se unutrašnja energija tela pretvara

u energiju koja se putem elektromagnetnih talasa prostire na druga tela. Ukupna energija

zračenja koje pada na neko telo delimično se apsorbuje, delimično reflektuje, a delimično

prođe kroz njega.

a = Pa/Pu,

gde je Pa snaga apsorbovanog zračenja, a Pu ukupna snaga zračenja,

Pu = Pa + Pr + Pt = aPu + rPu + tPu = Pu(a+r+t)

a+r+t=1

a - koeficijent aporpcije

r - koeficijent reflekije

t - koeficijent transparencije

Za a = 1, apsolutno crno telo; apsorbiju svu toplotu;

Za r = 1, aposluno belo telo; reflektuje svu toplotu;

Za t = 1, aposlutno transparentno (dijatermno) telo, propušta svu toplotu.

2.3.2 Izračunavanje zračenja

Količina toplote ΔQ koja se putem zračenja emituje od strane apsolutno crnog tela srazmjerna

je vremenu emitovanja Δτ, površini S, ali i emisionoj sposobnosti (moći) tela Wec, koja je

srazmerna T4.

ΔQ = σT 4 SΔτ

Ukupna emisiona moć (sposobnost) crnog tela Wec (energija koju tijelo izrači sa jedinične

površine u jedinici vremena) data je Štefan-Bolcmanovim zakonom:

σ = 5.7⋅10−8 W/m2K4 Štefan-Bolcmanova konstanta

Wec = σT 4

Emisiona moć (sposobnost) We bilo kojeg tijela zavisi od relativne emisione sposobnosti tijela

e (0<e<1), koja je karakteristika materijala i strukture površine tijela koje zrači:

We = e σT4

3.PRENOS MASE

U procesu bioreakcije, supstrati su utrošeni a proizvodi dobijeni aktivnostima

mikroorganizama ili enzimima. Tipični supstrati za žive ćelije su izvori ugljenika, kao što su

šećer i ulje, izvori azota, kao što su amonijak i aminokiseline i receptori, kao što je O2.

Proizvodi mogu biti sve vrste organskih jedinjenja, biomasa i O2. Transport mase uključuje

nekoliko koraka. Najsporiji korak odlučuje koju će brzinu imati celokupan transport a njena

vijrednost se poredi sa najsporijim korakom kinetičke reakcije, da bi se videloda li transport

maseutiče na celokupan transport.

3.1 Prenos mase u bioreaktorima, koraci transporta mase, efekti ograničenja transporta

Ako je jedan korak transporta mase sporiji od ključnog koraka reakcije, ono će ograničiti

stvaranje željenog proizvoda od odabranog supstrata. Kao rezultat mogu biti posmatrana dva

efekta, oba sa slobodno suspendovanim ćelijama, kao i organizmi imobilisani unutar ćelijskih

agregata ili čvrstih čestica :

- Ukupna brzina reakcije je ispod teoretskog maksimuma i proizvodni proces je sporiji nego

što je to poželjno.

Ovo je slučaj u stvaranju glukonske kiseline iz glukoze aerobne bakterije Gluconobacter

oxydans.

Ovdje , ukupna brzina reakcije je determinisana brzinom kojom je O2 prebačen u tečno stanje.

Nakon ublatavanja ograničenja , ne postoji nepovratan efekat na dati mikroorganizam.

Još jedan primjer je ograničen izvor šećera ka imobilisanim ćelijama zbog spore difuzije

unutar nosioca imobilizacije. Ukupna brzina proizvodnje je često reverzibilno smanjena.

Međutim , postoje i primjeri sistema gdje je biosintetički kapacitet ćelije nepovratno oštećen

nakon nametanja ograničenja u transportu O2 ,(npr u fermentaciji penicilina). Takvi procesi su

veoma osetljivi na ograničenja transporta mase.

 

- Selektivnost reakcije je promenjena. Npr, O2 služi kao elektronski receptor (primalac) u

stvaranju pekarskog kvasca iz glukoze. U odsustvu O2, elektroni će biti usmjereni ka piruvatu

(pirogrožđana kiselina), što će dovesti do stvaranja etanola i CO2, a ne još više kvasca.

Bacillus subtili kulture proizvode acetoin i 2,3 –  butanediol kada su lišene O2 . Razmera

dva proizvoda je u velikoj meri zavisna od rastvorene koncetracije O2, a time i na razmjeri

transporta O2i njegovoj brzini potrošnje. Opet, šteta može biti ili reverzibilna ili

nereverzibilna.

3.2 Transport između stanja

Transport O2 iz vazdušnog mjehurića ka mikroorganizmu u aerobnom bioprocesu je relativno

spor transportni korak. Kiseonik i drugi slabo (umjereno) rastvorljivi gasovi u vodenim

rastvorima (kao što su ugljovodonici do 4 atoma ugljenika), mogu se brzo potrošiti. Ako se ne

zamjene jednako brzo, situacija će biti štetna za mikroorganizam.

Transport materijala preko tečno-tečno stanje ili tečno-čvrsto stanje granice je uporedivo sa

gas-tečnost transportom mase.Primjer je rast viših ugljovodonika (>C6).

Uljano stanje je prisutno u vidu malih kapljica i otpor transporta mase je na strani sloja vode

koji okružuje. Takođe, razmjena materijala između čvrstog stanja (čestice supstrata, čestice

koje sadže mikro-organizme) i tečnog stanja prati slične principe.

3.3 Transport unutar jednog stanja

Unutar gasnog mehurića ili uljane kapi obično postoji dovoljno kretanja koji

garantuju brz transport molekula ka interfejsu (površini, granici, tački) vodenog stanja, tako

da je otpor kraj vodene strane granice. Ako su razdaljine u rasutom tečnom stanju jako velike

da bi bile povezane, u ovom stanju onda može doći do otpora transportu.

Do takve situacije može doći u velikim bioreaktorima gde je mješanje rasute tečnosti obično

neuporedivo. U industrijskoj praksi,važno je znati da se ova ograničenja naprosto dešavaju.

Zato njihove efekte na mikrobiološki sistem reakcije treba nositi na umu tokom procesa

razvojnog rada.

Ograničenja transporta mase unutar čvrstog stanja se mogu desiti unutar bio-katalizatorskih

čestica koje sadrže imobilisane mikroorganizme, bilo da su na površini biofilma prikačenog

nosiocu, ili rasute kroz materijal nosioca. Alternativno, sam mikroorganizam (obično

filamentous) može biti prisutan kao agregat ili pojedinačno. Supstrat koji ulazi u česticu

može biti potrošen tako brzo da ništa ne ulazi u unutrašnji dio čestice, tako da je efikasnost

katalizatora ispod maksimuma. Takođe, reakcija može biti usporena jer toksični ili

inhibitorski proizvod ne može da se pomakne dovoljno brzo.

3.4 Transport preko ćelijske membrane

 Sam mikro-organizam takođe može biti smatran kao odvojeno (tečno ili čvrsto)

stanje.Transport preko ćelijske membrane (većinom kombinacija ćelijskog zida ili

citoplazmatske membrane) može biti ograničen, zavisno od veličine i fizičkih osobina

(hidrofobnost,električk inaboj) molekula i od toga da li je organizam opremljen specifičnim

mehanizmom transporta ili ne.

Uopšteno, razlikujemo tri mehanizma:

1. Slobodna difuzija: pasivni transport uz negativni gradijent koncetracije (opadajuća

koncetracija);

2. Olakšana difuzija: kao gore navedeno, ali ubrzana sa nosiocem proteina;

3. Aktivni transport: transport nosiocem proteina sa uloženom slobodnom energijom

Slika 4. Mehanizmi prenošenja mase preko ćelijske membrane

Sam prečnik bakterijske ćelije je veoma mali (red veličine 1-5 µm) tako da je difuzija unutar

ćelije brža od transporta preko ćelijske membrane.

Uz to, u eukariotskim ćelijama postoje intracelularni organi (vakuole, mitohondrije) koji

mogu predstavljati još jednu prepreku utransportu.

Međutim, u kvantitativnim pojmovima ova vrsta transporta je mnogo brža od

stope potrošnje unutar ćelije i obično neće ograničavati sveobuhvatnu brzinu povezanih korak

a u transportu.