Stanovenie objemového koeficientu prestupu kyslíka v mechanicky miešanom reaktore 1. TEORETICKÝ ÚVOD Úlohou prevzdušňovania fermentorov je dodávať mikroorganizmom kyslík, ktorý je akceptorom voľných elektrónov pri syntéze ATP. Preto rýchlosť prestupu kyslíka z plynu do kvapaliny ( z ktorej je ďalej využívaný bunkami) hraje dôležitú úlohu pri vlastnom raste mikroorganizmov a aj pri biosyntéze produktov. Pretože náklady na vzdušnenie a miešanie tvoria značnú časť z celkových nákladov, je nutné voliť podmienky fermentácie tak, aby rýchlosť fermentácie a produkcia byli určované rýchlosťou prestupu kyslíka z plynu do kvapaliny to jest aby intenzita vzdušnenia a miešania boli limitujúcim faktorom fermentačného procesu. Aktuálna koncentrácia kyslíka v prostredí je výsledkom rýchlosti spotreby kyslíka (bio)chemickými oxidačnými reakciami a rýchlosti prísunu kyslíka priamou difúziou z atmosféry, alebo sprostredkovane z okolia. Zmenu koncentrácie rozpusteného kyslíka v trojfázovom systéme (plyn-kvapalina-bunka) za predpokladu spotreby kyslíka z kvapalnej fázy bunkami možno vyjadriť nasledujúcim vzťahom: dc dt = k a(c c ) r x (1) L kde: k L a je objemový koeficient prestupu kyslíka [h -1 ] pomocou ktorého sa hodnotí fermentor z hľadiska účinnosti aerácie. Hodnota k L a, závisí od viacerých parametrov a to najmä od: rýchlosti miešania, rýchlosti prietoku, kvality vstupného plynu a kvality difuzéra. Hodnotu k L a významne ovplyvňuje aj teplota a chemické zloženie roztoku. r je špecifická rýchlosť spotreby kyslíka v roztoku mikroorganizmami [kg kg -1 h -1 ], x je koncentrácia biomasy [kg m - 3 ], c je rovnovážne koncentrácia kyslíka v roztoku [mm/dm 3 ] daná rozpustnosťou plynu v kvapaline pri danej teplote a tlaku, c je aktuálna koncentrácia kyslíka v roztoku [mm/dm 3 ] meraná kyslíkovou elektródou.
k L a ako a j r je možné určiť experimentálne pomocou tzv. dynamickej metódy založenej na sledovaní zmeny koncentrácie kyslíka vo fermentore pomocou kyslíkovej elektródy vyvolanej náhlym prerušením a opätovným spustením miešania a vzdušnenia. Zmena koncentrácie kyslíka opísaná rovnicou (1) je znázornená na obr. 1. c I II c /mol/m 3 c krit čas/s Obr. č.1 Časový priebeh koncentrácie kyslíka v roztoku V oblasti I ( po vypnutí vzdušnenia a miešania) sleduje kyslíková elektróda zmenu koncentrácie kyslíka iba v dôsledku respirácie mikroorganizmov. Z tejto zmeny a z koncentrácie biomasy je možné vypočítať r rovnica (1 )nadobúda tvar: ako smernicu priamky pretože v oblasti I dc = r x (2) dt Po spustení miešania a vzdušnenia v oblasti II ( obr. 1) úpravou rovnice (1) získame vzťah z ktorého je možné dopočítať hodnotu k L a: c dc = c -1/kLa (r x ) (3) dt +
Pri tomto spôsobe určenia k L a nesmie koncentrácia kyslíka klesnúť pod tzv. kritickú koncentráciu kyslíka pre daný mikroorganizmus pretože dochádza k porušeniu respiračného systému mikroorganizmov. Okrem dynamickej metódy, ktorá je jednou z najčastejšie používaných experimentálnych metód, je možné k L a určiť aj nepriamymi metódami ako je napr. siričitanová alebo vytesňovacia. Na výpočet kla je možné použiť aj rôzne korelačné vzťahy uvádzané v literatúre kde sa zohľadňuje najmä vplyv: otáčok miešadla, príkonu miešadla a rýchlosti privádzaného vzduchu. Väčšina empirických korelačných vzťahov môže byť napísaná vo forme: β α Pg kla k us V = (4) L kde k, α, β sú empirické parametre a pre rôzne typy miešadiel a geometriu bioreaktora sa hodnoty parametrov k, α, β môžu výrazne líšiť (tab.1), u s je prierezová rýchlosť plynu (objemový prietok plynu vztiahnutý na vnútorný prierez bioreaktora: u S 4Vg = ), P g je πd príkon miešadla v aerovanom systéme, V L je objem kvapalnej fázy vo fermentore. 2 R Príkon miešadla v aerovanom systéme je asi 50% z príkonu v neaerovanom médiu: Pg = 0,5 P (5) L 3 5 M P = n Np ρ N d (6) kde n je počet Rushtonových turbín; Np príkonové číslo(n p= 5.2 pre Rushtonovu turbínu); ρ L hustota média; N počet otáčok miešadla (s -1 ); d M priemer miešadla.. Tab. Hodnoty empirických parametrov pre korelačný vzťah (4) médium k α β Typ miešadla referencia koaleskujúce nekoaleskujúce 0,025 0,5 0,4 6- lopatková Rushtonova turbína MooYoung, 1981 0,026 0,5 0,4 Nešpecifikované Van triet, 1979 0,0018 0,3 0,7 6- lopatková Rushtonova turbína MooYoung, 1981 0,002 0,2 0,7 Nešpecifikované Van triet, 1979
2. CIEĽ PRÁCE 1. Namerať hodnoty k L a v 10-litrovom vsádzkovom reaktore v rôznych podmienkach a porovnať vplyv rýchlosti vzdušnenia, otáčok a povrchovo aktívnej látky na prestup kyslíka. 2. POSTUP PRÁCE 1. Naplníme reaktor deionizovanou vodou ( VL = 8 l) 2. Zapneme termostat a nastavíme teplotu na 25 C, zapneme prívod chladiacej vody do termostatu 3. Pripojíme prívod plynov do reaktora 4. Zapneme riadiacu jednotku reaktora 0- MAINS 5. Nastavenie otáčok Stlačiť control loops až sa dostanem na nastavenie otáčok (RPM) Na pozícii SETP nastaviť požadované otáčky a potvrdiť enter V poli MODE zmeniť pomocou tlačitka ALTER nastavenie z OFF na AUTO a potvdiť enter(zopne sa miešanie) 6. Keď teplota dosiahne nastavenú hodnotu vykonáme kalibráciu kyslíkovej sondy. Zber a vizualizácia experimentálnych údajov je pomocou programu CITEC (obr.č.2). Program sa otvára na ploche- názov: Biostat zber dát Kyslíková sonda sa pred meraním kalibruje dvojbodovo to jest pri 0% a 100% saturácii kyslíkom. Na prepínanie prívodu vzduchu a N2 slúžia dva trojcestné ventily. Dvojbodová kalibrácia po 2 sondy v podmenu nástroje programu CITEC A, Vymažeme starú kalibračnú závislosť a zaznamenávame iba signál (po = CH6). B, Nastavíme rýchlosť vzdušnenia na 0.5 VVM (4 dm 3 min -1 ) a otáčky na 300 RPM. Zapojíme prívod dusíka zo zásobnej fľaše cez trojcestný ventil. Hodnota snímaného
signálu bude klesať a keď sa snímaný signál ustáli, táto hodnota zodpovedá nulovej koncentrácii rozpusteného kyslíka. Hodnotu signálu zaznamenáme (obr. č.3) Obr.č.3 Ovládač nástroje v programe citec. C, Vapneme prívod dusíka a otvoríme prívod vzduchu cez trojcestné ventily a opäť necháme ustáliť signál. Ustálená hodnota signálu zodpovedá 100 % saturácii média kyslíkom. Hodnotu signálu zaznamenáme. Hodnoty signálu zodpovedajúce nulovej a 100% saturácii kyslíkom použijeme na výpočet kalibračnej čiary. Kalibračnú závislosť zapíšeme do software v tvare p_2=ach6+b. Vplyv otáčok na prestup kyslíka Merania sa uskutočňujú v izotermickom miešanom reaktore pri teplote 25 C, rozsahu otáčok 100-600RPM. pri prietoku vzduchu 0.5 VVM. Rozpis meraní udáva tabuľka č.1. 1. Prietok vzduchu nastavíme na podmienky prvého merania (tab.č.1). 2. Vypneme prívod vzduchu cez trojcestný ventil a prepneme prívod dusíka a vytesníme rozpustený kyslík ( 300RPM, 0.5VVM) 3. Keď klesne koncentrácia približne na nulu, nastavíme otáčky RPM prvého merania a vypneme prívod dusíka 4. Po ustálení otáčok otvoríme ventil na vzduch 5. Keď koncentrácie rozpusteného kyslíka dosiahne hodnoty okolo 92 98 %,údaje si uložíme ( cvs formát). 6. Body 1-5 opakujeme postupne pre ďalšie merania pri podmienkach uvedených v tabuľke č.1. Vplyv prietoku na prestup kyslíka Merania sa uskutočňujú v izotermickom miešanom reaktore pri teplote 25 C, v rozsahu prietokov 0.25-1.2VVM a otáčkach 100 RPM. Rozpis meraní udáva tabuľka č.2.
1. Zapneme prívod vzduchu do reaktora a nastavíme si prietok vzduchu pre podmienky prvého merania. 2. Zatvoríme prívod vzduchu cez trojcestný ventil a otvoríme prívod dusíka a vytesníme rozpustený kyslík( 300RPM, 0.5VVM). 3. Keď klesne koncentrácia približne na nulu, nastavíme otáčky na 100 RPM a zatvoríme ventil na N2. 4. Keď sa ustália otáčky otvoríme ventil na vzduch. 5. Keď koncentrácie rozpusteného kyslíka dosiahne hodnoty okolo 93 96 %,údaje si uložíme( dbf formát). 6. Body 1-6 opakujeme postupne pre ďalšie merania pri podmienkach uvedených v tabuľke č.2. Vplyv povrchovo aktívnej látky na prestup kyslíka Merania sa uskutočňujú rovnakým postupom ako vplyv RPM na prestup kyslíka len sa do reaktora prileje 5 ml povrchovo aktívnej látky a merania sa uskutočnia pri: 200,300,400 RPM. 3. VYHODNOTENYCH EXPERIMENTÁLNYCH ÚDAJOV 1. Koncentráciu kyslíka rovnovážnu s parciálnym tlakom kyslíka v plynnej fáze [c vypočítame podľa Henryho vzťahu: c p = H (7) kde p je parciálny tlak O 2 v plynnej fáze, H je Henryho konštanta pre kyslík, c je rovnovážna koncentrácia kyslíka vo vode. 2. Z experimentálnych údajov (% z rovnovážnej koncentrácie kyslíka vo vode) určíme mólovú objemovú koncentráciu kyslíka (mol/m 3 ) vo vode podľa vzťahu:
c c (%) 100 = c (8) 3. Predbežné hodnoty parametra kla pre jednotlivé merania úrčíme zo semilogaritmickej závislosi c = f(t) (treba vyhodnocovať len lineárnu časť závislosti). kla určíme ako smernicu priamky zo závislosti: ln (c c ) = kla t + K (7) 4. hodnoty kla zistené v bode 3 použijeme ako odhad hodnoty parametra pri riešení rovnice (1) nelineárnou regresiou v matlabe. Pri spracovaní údajov v matlabe spracúvame iba exper. údaje kde suma štvorcov odchýlok medzi vypočítanými a nameranými údajmi je max. do 10%. 5. Hodnovernosť výpočtu kla pre každé meranie overiť porovnaním vypočítaných a fitovaných závislostí. 6. Vplyv otáčok, prietoku a prítomnosti povrchovo aktívnej látky spracujeme graficky. Tab. č.1 Experimentálny plán meraní,vplyv otáčok Meranie č. Rýchlosť miešania (otáčky min -1 ) Rýchlosť vzdušnenia (vvm) 1. 100 0.5 2 200 0.5 3 300 0.5 3. 400 0.5 4. 500 0.5 5. 600 0.5 Tab. č.2 Experimentálny plán meraní,vplyv prietoku
Meranie č. Rýchlosť miešania (otáčky min -1 ) Rýchlosť vzdušnenia (vvm) 1. 100 0.25 2. 100 0.5 3. 100 0.75 4. 100 1.0 3. 100 1.1 Obr.č.2 Program CITEC