dc dt

(1)

OXIGÉNIGÉNY ÉS LEVEGŐZTETÉS ^{BIM SB}

glükóz (6 C-atom) 2004

G-6-P F-6-P

F-1,6-diP

Gliceraldehid-P (3C-atom)

PEP Pyr Ac-CoA

citrát

2H2H

Oxálacetát

Cis-akonitát

i-citrát a-keto-glutarát Szukcinát

Fumarát Malát

ADP ATP

ATP ADP

2-P-glicerát 3-P-glicerát

1,3-diP-glicerát 2H2H

NAD

koenzimQ 2*3 CO2 + 5*2H = C6H12O6

CO2

2H2H

2H2H 2H

2H

2H 2H

LÉGZÉS

AZ OXIGÉN SZEREPE

(2)

84 168

-0,8 0,4

KJ

0,27 V 51,2 kJ

0,22 V 41,6 kJ

0,53 V 100 kJ NAD

Q

b

c

a

a₃ NAD FP₁ KoenzimQ cyt b cyt c cyt a cyt a₃

ATP ATP

ATP

FP₂

2e^-

1/2O₂

ADP + P_i ATP + H₂O DG^o=+7,3 kcal =30,7 kJ

2H⁺

H₂O

VÉGSŐ ELEKTRONAKCEPTOR

(3)

OXIGÉNIGÉNY ÉS LEVEGŐZTETÉS ^{BIM SB} Az oxigén is lehet limitáló szubsztrát 2004

A mikrobák oxigénigényét két módon lehet megadni:

1. légzési sebesség =

dc dt

[ mmol O₂/ dm³.h], [kg O₂/ m³ .h]

Q x

dc

= 1 dt

[ h^-1 ] 2. fajlagos légzési sebesség

dx dt

c

K c x

O

= m _max +

2

Y x

O = D c

D

(4)

dc dt

1 Y

dx dc

1 Y

c

K c x

O O

max

O₂

= - = -

m +

Q 1 x

dc dt

1 Y

c

K c

O

max

O₂

= = -

m +

Q @ Q _max

1 1

Y Y

m

O OG

= + O

max m

(5)

OXIGÉNIGÉNY ÉS LEVEGŐZTETÉS ^{BIM SB} 2004

elsőrendű kinetika

Q

_max

= m

_max

/Y

_O

nulladrendű kinetika

K

_O2

C

_kr _C

O2

max

K Q c

Q @

Q

max

Q @

(6)

A glükóz és oxigén, mint szubsztrátok összehasonlítása (Saccharomyces cerevisiae)

Glükóz Oxigén

Koncentráció a fermentlében 1% »104 mg/dm3 7 mg/dm3

Kritikus koncentráció 50 mg/dm3 0,7 mg/dm

Fajlagos felhasználási

sebesség 580 mg/g.h 208 mg/g.h

(7)

OXIGÉNIGÉNY ÉS LEVEGŐZTETÉS ^{BIM SB} 2004

d

g

O ₂

d _l

k

_g

k

_l

C ^flokkulum ^mikroba

gomba pellet

egyedi sejt

Oxigénátadás tápoldatban

(8)

( )

dC

dt = K a C

_L ^*

- C

( )

C = C ^* 1 - e ^- ^{K a t}

^L

^.

C

t

K

_L

a.C

^*

C

^*

dC

dt

t

(9)

OXIGÉNIGÉNY ÉS LEVEGŐZTETÉS ^{BIM SB} 2004 Fermentációs körülmények között

( )

dC

dt = K a C _L ^* - C - xQ

oldódási sebesség fogyasztási sebesség

( ^C ^C ) ^xQ

a K dt 0

dC

_*

L

- =

=

(10)

1 2 3 min

10 20 óra

egyensúlyi C

100% 100%

C

^*

C

^*

(11)

(12)

KEVERÕMÛ

LEVEGÕELOSZTÓ

(13)

levegőztetés2 BIM2

( )

2004

dC

dt = K a C _L ^* - C - xQ

Mitől függ és hogyan a telítési oxigén koncentráció, C* ?

Mitől függ és hogyan a K

_L

?

Mitől függ és hogyan az a ^?

Mitől függ és hogyan a K

_l

a ?

(14)

H H ŐM Ő MÉ É RSÉ RS ÉKLET KLET

T T ÁPOLDAT Á POLDATÖ Ö SSZET SSZET ÉTEL É TEL ÖSSZNYOM Ö SSZNYOMÁ ÁS S

p p

_O2_O₂

GÁZÖSSZETÉTEL GÁZÖSSZETÉTEL

TISZTA OXIGÉN TISZTA OXIGÉN

(15)

LEVEGŐZTETÉS 3

BIM2 2004 CALDERBANK és MOO

CALDERBANK és MOO-YOUNG-YOUNG A legtöbb laboratóriumi és ipari levegőztetett reaktorban a buborékok csoportokban, fürtökben mozognak fel vagy/és le,

a buborékok egymással is kölcsönhatásban vannak (hatnak egymás mozgására. ((egyenként, egymástól függetlenül felszálló

buborékokkal operáló esete a valóságban ritka)) d_b< 2,5 mm d_b>2,5 mm

Sh k d

D

^L ^b

Gr Sc

O

= =

2

0 31

1 3

1

,

3

^Sh ^{k d}

D

^L ^b

Gr Sc

O

= =

2

0 42

1 3

1

,

2

hidrofil anyagok kicsiny kyukak

(szinterezett, buborékkolonnák)

tiszta víz szitatányér

Sc momentum diffuzivitás tömeg diffuzivitás

=

D ^l

l

m r

m r D_O

2

( )

Gr g _lg _l _g

l

= felhajtóerõ -

belsõ súrlódási erõ d

d

3

b

r 3

m

r r r m Dr

2 2

(16)

felhajtóerõ

viszkózus visszatartó erõ

b u b o r é k á t m é r õ n õ d_b

(17)

LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2004

b 0

d H 6

a =

GÁZVISSZATARTÁS= Hold up =

GÁZTÉRFOGAT ÖSSZTÉRFOGAT

Hogyan lehet növelni?

(18)

steril tömítés habtörõ

hûtõvíz spirál

törõlap

flat blade turbinakeverõ

(19)

(20)

MSG, JAPÁN HOFU

63420 GALLON 100 FEET

(21)

LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2004

A keverés szerepe, funkciói:

-energiabevitel a folyadékba

MOZGATÁS HŐ -a levegőztető gáz diszpergálása a folyadékban -

BUBORÉKKÉPZÉS, ANYAGÁTADÁS -a gáz- és folyadékfázis elválasztása

FORDÍTOTT A.ÁTADÁS

-a fermentlé oldott és nem oldott komponenseinek jó elkeverése

ÁLTALÁNOS KEVEREDÉSI FUNKCIÓ

P/V

K

_L

a

CO

₂

szubsztrátok, termékek...

(22)

propellerkeverõ

lapátkeverõ

egyenes lapátú nyitott turbinakeverõ

(flat blade)

h

_r

d

_w

d

_s

d

_i

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

LEVEGŐZTETÉS 3

BIM2 2004

(32)

keverõ

áramlás

primer folyadék

szekunder folyadék áramlás

buborékmozgás kis gázsebességnél

buborékmozgás

nagy gázsebességnél

(33)

P = ¢ A D N ⁵ _i ³ r Re ^m Fr ⁿ

állandó geometriájú bioreaktorra

teljesítményszám (Ne=Newton-szám vagy Eu=Euler-szám) :

N P

D N

A Fr

P

i

m n

= = ¢

5 3 r Re

(34)

LEVEGŐZTETÉSSEL P csökken

LEVEGÕZTETÉSI SZÁM*10² Q/ND_i³

P g/P

3 i i

2 2

i 3

ND F s

/ m ND

4 m D

s / m F

sebessége ületi

ker keverő

g légsebessé ineáris)

felületi(l s

látszólago

Na =

p p

=

Jó g/f diszperzió

rossz g/f diszperzió

flooding elárasztás

P

^g

= f Na ( )

0,25-0,4

(35)

K a P

V v N

L

g

µ æ

s

è ç ö ø ÷

0 4

0 4 0 5 ,

, ,

K a P

V v N

L

g

µ æ s

è ç ö ø ÷

a

b 0 5 ,

labor fermentorokra

általánosan

a b mérettől függő állandók,

0,3 ¾ 0,95 0,50¾67

dc dt

dc dt

Q x

dc

= 1 dt

dx dt

c

K c x

O

= m max +

Y x

O = D c

D

dc dt

1 Y

dx dc

1 Y

c

K c x

= - = -

m +

Q 1 x

dc dt

1 Y

c

K c

= = -

m +

Q @ Q max

1 1

Y Y

m

O OG

= + O

max m

Q

= m

/Y

K

C

K Q c

Q @

Q

Q @

d

O 2

d l

k

k

C flokkulum mikroba

gomba pellet

egyedi sejt

Oxigénátadás tápoldatban

( )

dC

dt = K a C

- C

( )

C = C * 1 - e - K a t

.

C

K

a.C

C

dC

dt

( )

dC

dt = K a C L * - C - xQ

oldódási sebesség fogyasztási sebesség

( C C ) xQ

a K dt 0

dC

- =

=

1 2 3 min

10 20 óra

egyensúlyi C

100% 100%

C

= m _max +

Q @ Q _max

O ₂

d _l

C ^flokkulum ^mikroba

C = C ^* 1 - e ^- ^{K a t}

^.

dt = K a C _L ^* - C - xQ

( ^C ^C ) ^xQ

dt = K a C _L ^* - C - xQ

Mitől függ és hogyan az a ^?

^Sh ^{k d}

P = ¢ A D N ⁵ _i ³ r Re ^m Fr ⁿ