Minimum tank volumes for CFST bioreactors in series


  • Gordon A. Hill,

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada, S7N 0W0
    • Department of Chemical Engineering, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada, S7N 0W0
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  • Campbell W. Robinson

    1. Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, N2L 3G1
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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 réacteur primaire habituellement utilisé dans la production de microorganismes ou de produits microbiens est le réacteur agité (STR). En mode continu (CFSTR), la performance de ces réacteurs se compare à celle des réacteurs primaires utilisés le plus souvent dans l'industrie chimique.

On considère dans ce travail des cinétiques microbiennes pour la conception de réacteurs agités continus en série. Une équation est établie pour prédire le temps de séjour total possible minimum pour obtenir les conversions voulues de substrat. Cette équation permet l'utilisation d'un large éventail de modèles cinétiques de croissance et est appliquée ici aux cas de Monod, de l'inhibition de substrat et de l'inhibition de produit. Dans la majorité des cas, on a trouvé que trois réacteurs agités continus en série conçus de manière optimale permettent de se rapprocher du temps de séjour possible minimum pour toute conversion de substrat désirée.

On a effectué une comparaison entre ce type de réacteur et un PFR pour les cas d'un non-recyclage et d'un recyclage de biomasse dans la série de réacteurs agités continus. On a trouvé que trois réacteurs agités continus, qui n'ont pas le měme volume, donnent le měme temps de séjour moyen total requis qu'un PFR pour la cinétique de Monod, mais ils sont nettement plus performants (par exemple volume total requis moins important) que les PFR pour la croissance inhibée par le substrat.