Quá trình vận chuyển oxi trong thùng phản ứng

QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN OXI TRONG THÙNG PHẢN ỨNG Quá trình thiết bị CNSH NHU CẦU OXI • Đối với q trình lên men hiếu khí cần oxi • VD nấm men C6H12O6 + 6O2 = 6H2O + CO2 →192 g oxi cần cho 180 g đường cần cung cấp oxi cho nấm men NHU CẦU OXI • Cung cấp đủ? • Oxi hòa tan mơi trường lên men thấp • Nếu thiếu oxi tùy theo lồi SV ✓Hiếu khí bắt buộc giảm tốc độ sinh trưởng ✓Thiếu oxi lâu tăng tốc độ TB chết thay đổi thành phần TB ✓1 số SV thay đổi cytochrom có KS với oxi cao ✓SV tùy tiện tăng pư yếm khí tạo lượng tạo nên sản phẩm phụ Q TRÌNH TIÊU THỤ OXI • Oxi chất • Thơng số liên quan đến tiêu thụ oxi: OUR, YX/O, qO – Oxygen uptake rate – tốc độ lấy (tiêu thụ) oxi (mmol oxi g -1 sinh khối h -1 ) tương tự dS/dt ✓YX/O– hiệu suất tạo sinh khối oxi (g sinh khối g oxi tiêu thụ) tương tự YX/S ✓OUR ✓qO – tốc độ tiêu thu oxi riêng (mmol oxi g -1 sinh khối h 1) – tương tự q S TỐC ĐỘ TIÊU THỤ OXI OUR • TỐC ĐỘ TIÊU THỤ OXI OUR 𝜇𝑔 𝑂𝑈𝑅 = 𝑋 𝑞𝑂 = 𝑋 𝑌𝑋/𝑂 OUR –tốc độ lấy (tiêu thụ) oxi (mmol oxi g-1 h -1 ) YX/O– hiệu suất tạo sinh khối oxi (g SK / g oxi) qO – tốc độ tiêu thu oxi riêng (mmol oxi g –1 h -1) X – nồng độ sinh khối (g/L) TÍNH OUR Nồng độ sinh khối X=10 kg m-3; tốc độ sinh trưởng g=0.5h –1; YX/O=1kg kg –1 Tính OUR Theo cơng thức OUR=5 kg m–3h –1 hay 1.4 mg L –1 s –1 DO=7mgL –1 đủ cho s → phải cấp oxi liên tục thơng khí cho MT Yếu tố ảnh hưởng đến qO Yếu tố ảnh hưởng đến qO Yếu tố ảnh hưởng đến qO L Tính NP • Có thể nhận thấy đồ thị mối quan hệ điện số Re số dạng cánh khuấy vùng xoáy (đỏ) số Re cao nên điện ko phụ thuộc số Re phụ thuộc vào loại cánh khuấy cấu tạo thùng lên men Tính NRe • Số điện tương ứng với số Reynolds Re Đối với thùng khuấy 𝑁𝑅𝑒 𝑁𝐷𝑖2 𝜌 = 𝜇 •  - độ nhớt chất lỏng (Ns m-2 hay Pa s) •  - Khối lượng riêng dịch lên men (kg m-3) Tính NRe • Chú ý: số lượng cánh khuấy tăng hay lần điện tiêu thụ tăng 2-3 lần khoảng cách cánh khuấy l tối ưu • l phụ thuộc vào tính chất chất lỏng Di l 2 Di: thấp chất lỏng Newton cao –phi Newton Tính Pg • Điện tiêu thụ chất lỏng có thơng khí thấp nhiều chất lỏng khơng thơng khí→thùng ni cấy tích lớn khuấy tốc độ cao thơng khí • Số thơng khí NA  Qa   N A =    NDi  Pg/ Pu Hiệu chỉnh NA Theo “Biochemical Engineering” Blanch and Clark, Marcel Dekker, 1997 Tính Pg Michell − Miller  P ND Pg = K  0.56 Q a  u i    0.45 hay Pg Pu = fN A Di- đường kính cánh khuấy Qa-tốc độ thơng khí =Fa*VR Fa- lưu lượng khí (vvm) NA- số thơng khí K- số thực nghiệm (đặc trưng cho thùng) Pu- điện tiêu thụ cho thùng pư ko thơng khí Bài tập Vi khuẩn ni cấy thùng lên men có khối lượng riêng =1200 kgm-3 độ nhớt =0.02 Nsm-2 Tốc độ khuấy 90 rpm tốc độ thơng khí 0.4 vvm Thùng lên men trang bị hàng cánh khuấy loại tua bin dẹt (blade) ngăn Cho biết Dt=4m, Di=2m, W blade=0.4m HL=6.5m Tính Pu, Pg KLa Bài tập • N=90/60=1.5 s-1 • Wb/Di=0.4/2=0.2 (1/5) N Re = NDi   1.5 x 2 x1200 = 0.02 = 3.6 x10 Bài tập • Dựa vào đồ thị có NP=4 • HL/Di=6.5/2=3.25 thỏa mãn đk >Di OUR ... khuyếch tán • Động lực vận chuyển qua ranh giới chênh lệch nồng độ SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH CHUYỂN OXI SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH CHUYỂN OXI Ba bước quan trọng • Chuyển oxi từ bọt khí vào MT • Chuyển oxi hòa tan MT lỏng... bọt khí ngồi • Tốc độ chuyển khối = hệ số chuyển khối x diện tích bề mặt x động lực chuyển khối = KL x a x dC QUÁ TRÌNH CHUYỂN OXI • Bề mặt khí-lỏng xuất ranh giới mà trình chuyển khối chủ yếu... mmol/L Bề mặt vận chuyển Từ khí đến chất lỏng với bề mặt riêng a, bề mặt khí thùng phản ứng V A a=A/V (m-1) Tốc độ chuyển oxi OTR OTR- oxygen transfer rate (mmol L-1 h-1) -tốc độ chuyển oxi OTR=dCL/dt=