Khái niệm chung về vận chuyển

Nội dung •Khái niệm chung vận chuyển •Các định luật chuyển khối •Q trình vận chuyển Oxy •Q trình khuấy trộn •Bài tập Khái niệm & định luật Thế vận chuyển (Transfer) ? Đối tượng vận chuyển ? Vận chuyển trình cơng nghệ sinh học Operation Unit Mơi trường Nhiệt Gia nhiệt - làm mát Lạnh đông – rã đông Thanh trùng, tiệt trùng Đa dạng Chuyển động Khuấy trộn Lắng Ly tâm Lỏng Rắn – Lỏng Lỏng – Lỏng Vật chất Trích ly Khuếch tán Nhệt & Vật chất Bay hơi, chưng cất Sấy Phản ứng hóa, sinh học Lỏng Rắn – Lỏng Đa dạng Khái niệm & định luật Thế vận chuyển (Transfer) ? Đối tượng vận chuyển ? Vận chuyển thiết bị phản ứng sinh học Operation Unit Môi trường Nhiệt Gia nhiệt - làm mát Lạnh đông – rã đông Thanh trùng, tiệt trùng Đa dạng Chuyển động Khuấy trộn Lắng Ly tâm Lỏng Rắn – Lỏng Lỏng – Lỏng Vật chất Trích ly Khuếch tán (Oxy, chất tan) Nhiệt & Vật chất Bay hơi, chưng cất Sấy Phản ứng hóa, sinh học Lỏng Rắn – Lỏng Đa dạng Khái niệm & định luật • Định luật Newton cho chất lưu (truyền chuyển động) µ: độ nhớt động học • Định luật khuếch tán Fick (chuyển vật chất) Dab: hệ số khuếch tán phân tử • Định luật Fourier (truyền nhiệt) α: hệ số truyền nhiệt [ν]=[Dab]=[α]=[L]2.[T]-1=m2.s-1 (S.I) Khái niệm & định luật • Định luật Newton cho chất lưu (truyền chuyển động) ν: độ nhớt động học (khuếch tán chuyển động) Quy tắcluật chung trình vận chuyển • Định khuếch tánq Fick (chuyển vật chất) Dab: hệ số khuếch tán phân tử Dòng vận chuyển = Hệ số vận chuyển* Lực phát động • Định luật Fourier (truyền nhiệt) α: hệ sốTransfer truyền nhiệt flux = Transfer coefficient * Driving force [ν]=[Dab]=[α]=[L]2.[T]-1=m2.s-1 (S.I) Q trình vận chuyển Oxy Vai trị Oxy • Cơ chất quan trọng trình sinh học hiếu khí  sinh trưởng  trao đổi chất • Hịa tan mơi trường lỏng  cần cung cấp liên tục  tiêu chí cho q trình cấp khí ? • Q trình vận chuyển Oxy nghiên cứu từ nhiều năm trở lại  định luât Fick, lý thuyết Whitman Quá trình vận chuyển Oxy Mơ q trình chuyển oxy từ bọt khí đến nội tế bào Q trình vận chuyển Oxy 2.2 Phương trình biểu diễn (áp dụng định luật Fick) J0: dòng oxy vận chuyển (mol.m-2.s-1) kG kL: hệ số chuyển khối pha khí, lỏng pG, pi: áp suất riêng phần khí CL, Ci: nồng độ oxy pha lỏng bề mặt Xét TRẠNG THÁI CÂN BẰNG Áp dụng định luật Henry (p* = H.C*) Oxy tan nước  H lớn  KL coi = kL Sự cản trở trình chuyển Oxy nằm pha lỏng (Whitman, 1923) Quá trình vận chuyển Oxy 2.2 Phương trình biểu diễn (áp dụng định luật Fick) J0: dịng oxy vận chuyển (mol.m-2.s-1) kG kL: hệ số chuyển khối pha khí, lỏng pG, pi: áp suất riêng phần khí CL, Ci: nồng độ oxy pha lỏng bề mặt Xét TRẠNG THÁI CÂN BẰNG NO2: lượng Oxy vận chuyển /1Vol(= OTR) a: diện tích bề mặt pha lỏng-khí (m2.m-3) (Whitman, 1923) Quá trình vận chuyển Oxy Phân tích thứ ngun = 𝑚 ℎ × 𝑚2 𝑚3 × 𝑚𝑜𝑙 𝐿 𝑚𝑜𝑙 = 𝐿.ℎ = OTR KL (m.h-1): Hệ số chuyển khối (Transfer coefficient) a: diện tích bề mặt lỏng-khí (m2.m-3) (Interfacial area) KL a (h-1): Hệ số chuyển oxy theo thể tích (Volumetric oxygen transfer coefficient) C* - CL (mol.L-1): chênh lệch nồng độ oxy  động lực trình chuyển khối (driving force)  Quy tắc chung trình vận chuyển Transfer rate = Transfer coefficient * Interfacial area * Driving force Quan hệ OTR  OUR 𝑂𝑇𝑅 = 𝑘𝐿 𝑎 ∗ 𝐶 ∗ − 𝐶𝐿 𝑂𝑈𝑅 = 𝑋 ∗ 𝑞𝑂2 X: nồng độ sinh khối (g/L) qO2: tốc độ tiêu thụ Oxy (mol/g sinh khối*h) Khi thiếu dinh dưỡng  OTR > OUR 𝑑𝐶 𝑑𝑡 = 𝑂𝑇𝑅 − 𝑂𝑈𝑅 (= tốc độ tích lũy Oxy pha lỏng) 𝑑𝐶 𝑑𝑡 = 𝑘𝐿 𝑎 ∗ 𝐶 ∗ − 𝐶𝐿 - OUR Xác định hệ số kLa 4.1 Khi khơng có tiêu thụ (sinh học) oxy OUR =  a Phương pháp oxi hóa Sodium sulfite Cooper et al.,1944 Na2SO3 + ½ O2  Na2SO4 PƯ xúc tác kim loại nặng (Cu++, Co++) Lấy mẫu theo thời gian, cho phản ứng với Iodine dư chuẩn độ với Na2S2O3  đồ thị VNa2SO3 = f(t) CL=0  OTR = KLaC* Xác định hệ số kLa 4.1 Khi khơng có tiêu thụ (sinh học) oxy OUR =  a Phương pháp oxi hóa Sodium sulfite Cooper et al.,1944 • Lý thuyết đơn giản • Tiến hành cần nhiều thao tác, thời gian dài • Độ xác khơng cao Xác định hệ số kLa 4.1 Khi khơng có tiêu thụ (sinh học) oxy OUR =  b Phương pháp hấp thụ CO2 Danckwerts and Gillham (1966) Hấp thụ CO2 mơi trường kiềm, kLa tính tốn qua đo đạc biến thiên nồng độ CO2 dung dịch Tự đọc thêm Xác định hệ số kLa 4.1 Khi tiêu thụ (sinh học) oxy OUR =  c Phương pháp đuổi khí • Dùng N2 đuổi O2 khỏi pha lỏng • Thơng khí khuấy trộn • Đo DO • Tính OTR dựa vào đường biểu diễn C = f(t) Xác định hệ số kLa 4.1 Khi khơng có tiêu thụ (sinh học) oxy OUR =  c Phương pháp đuổi khí dCL/dt=kLa(C*-CL) ln(C*-CL)= - kLa*t • PP xác định nhanh gọn • Chính xác cao • Chỉ dùng cho thể tích nhỏ Xác định hệ số kLa 4.2 Khi có tiêu thụ (sinh học) oxy, đo trực tiếp a Phân tích dịng khí vào, Xác định hệ số kLa 4.2 Khi có tiêu thụ (sinh học) oxy, đo trực tiếp a Phân tích dịng khí vào, • Tính tốn OUR dựa lượng O2, CO2 dịng khí vào khí • Độ xác cao • Yêu cầu trang thiết bị Xác định hệ số kLa 4.2 Khi có tiêu thụ (sinh học) oxy, đo trực tiếp b Phương pháp cân Oxy • Dừng cấp khí  DO giảm • Tại thời điểm ngừng cấp khí: dCL/dt= - OUR • Cấp khí lại, DO tăng 𝑑𝐶 𝑑𝑡 = 𝑘𝐿 𝑎 ∗ 𝐶 ∗ − 𝐶𝐿 - OUR Xác định hệ số kLa 4.2 Khi có tiêu thụ (sinh học) oxy, đo trực tiếp b Phương pháp cân Oxy • Xác định điều kiện thực tế thùng lên men • Xác định giai đoạn khác q trình lên men • u cầu điện cực Oxy độ nhạy cao • Khó tiến hành OUR cao • Khơng dùng cho thiết bị cao 1m • Khơng dùng cho chất lỏng có độ nhớt cao Phương trình thực nghiệm kLa Xét trường hợp thiết bị phản ứng sinh học có cánh khuấy (stirred tank bioreactors) Phương trình thực nghiệm kLa Xét trường hợp thiết bị phản ứng sinh học có cánh khuấy (stirred tank bioreactors) Phương trình thực nghiệm kLa Xét trường hợp thiết bị phản ứng sinh học có cánh khuấy (stirred tank bioreactors) Thơng số hình học thiết bị cánh khuấy Tốc độ sục khí Năng lượng tiêu hao đơn vị thể tích 𝑃 = 𝜌 𝑁 𝐷5 𝑁𝑝 Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy Độ nhớt dịch Bài tập Chủng Azotobacter nuôi thùng lên men 15 m3 để sản xuất Alginate Cho biết KLa=0.18 s-1; Nồng độ oxi bão hòa dịch lên men =8.10-3 g L-1 qO2=12.5 mmol g-1 h-1 1.Tính nồng độ sinh khối max thùng lên men 2.Cho đồng sunfat vào dịch lên men làm giảm qO2 xuống mmol g-1 h-1 Tính sinh khối max trường hợp Bài tập Thí nghiệm thực pha sinh trưởng log VSV: trình cấp oxi bị dừng lại nồng độ DOT giảm đến 43.5% Khi q trình thơng khí lại tiếp tục q trình tăng DOT ghi lại theo thời gian Dựa số liệu bảng tính KLa thùng lên men Thời gian (s) % Bão hòa 10 43.5 20 53.5 30 60 40 67.5 50 70.5 60 72 70 73 100 73.5 130 73.5 ...1 Khái niệm & định luật Thế vận chuyển (Transfer) ? Đối tượng vận chuyển ? Vận chuyển q trình cơng nghệ sinh học Operation Unit Môi trường... (S.I) Khái niệm & định luật • Định luật Newton cho chất lưu (truyền chuyển động) ν: độ nhớt động học (khuếch tán chuyển động) Quy tắcluật chung trình vận chuyển • Định khuếch tánquá Fick (chuyển. .. Thế vận chuyển (Transfer) ? Đối tượng vận chuyển ? Vận chuyển thiết bị phản ứng sinh học Operation Unit Môi trường Nhiệt Gia nhiệt - làm mát Lạnh đông – rã đông Thanh trùng, tiệt trùng Đa dạng Chuyển