2 2 vö.: Fr = v2 Keverési Re-szám Keverési Fr-szám (28)LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 P

(1)

LEVEGŐZTETÉS 3

=KEVERÉS BIM2

2002

A keverés szerepe, funkciói:

-(mozgási)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...

(2)

LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002

propellerkeverõ

lapátkeverõ

egyenes lapátú nyitott turbinakeverõ

(flat blade)

h

_r

d

_w

d

_s

d

_i

(3)

w

_b

w

_i

L

_i

D

_i

D

_t

H

_b

H

_L

keverõtípus D_i / D_t H_L / D_t W_i / D_i H_b / D_i W_b / D_t

flat blade 0,33 1,0 0,2 1,0 0,1

lapát 0,33 1,0 0,25 1,0 0,1

propeller 0,33 1,0 1,0 0,1

10 l -- 100 m

³

Ritka

Jellemző Törö/terelő lapok

Hogy ne legyen CO2

visszaszívás

(4)

H_i

H_i D_i

H

H_L

V m³ H_L / D_t D_i / D_t H_L /D_i n* n BIOTEC(svéd) 2

6 0,6

1,54 1,59 1,6

0,33 0,33 0,33

4,62 4,79 4,81

3 3 3

2 2 2

CHEMAP (Svájc) 7,3 5 3-4

NBS (USA) 0,016 0,25

1,65 1,5

0,35 0,35

4,71 4,3

3 3

VEGYTERV 115 2 0,44 4,54 3 3

Több keverő elem

keverő elemek közötti távolság: D_i  H_i  2D_i keverő elemek száma:

H D

L i

   1 n  2

(5)

(6)

(7)

Elefántfül - axiális

(8)

Különböző flat blade-k

(9)

(10)

Rushton 5

(11)

Fejlesztett Rushton

(12)

(13)

Chemineer CD6

(14)

Fejlesztett Chemineer

(15)

Chemineer BT

(16)

Chemineer

És mégis Rushton…

(17)

radiális!+axiális keverők együtt

(18)

Lightning felfelé és lefelé keverő

elemek

(19)

(20)

(21)

(22)

Kis q

Nagy q

csavarörvény

lapörvény Nem „vág” a keverő!

(23)

keverõ

áramlás

primer folyadék

szekunder folyadék áramlás

buborékmozgás kis gázsebességnél

buborékmozgás

nagy gázsebességnél

(24)

(25)

(26)

(27)

P AD N Fr W

D

D D

H

i

D

m n i

i

T i

L i

 

  

  

  

  

  

 

5 3



  

Re ...

A keverő teljesítmény felvétele

 - sűrűség

N - keverő fordulatszáma.

sebesség kerületi

keverő NDπ

μ

= dvρ Re

: ált.

μ ND ρ μ

.ND ρ Re D

2 i i

i



 

 



 



 

Fr D N

gD

D N

g gL

i i

 

i



  

 

2 2

vö.: Fr = v

²

Keverési Re-szám

Keverési Fr-szám

(28)

P   A D N ⁵ _i ³  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

 Re

(29)

BIM2

100 2002

10

1

0,1

1 10 10² 10³ 10⁴ 10⁵

REYNOLDS SZÁM ND_i²

TELJESITMÉNYSZÁM P/N3 D i5 

6 lapátos turbina

6 lapátos lapát keverõ

4 lapátos lapátkeverõ

törõlemezzel törõlemez nélkül

propeller keverõ

LEVEGŐZTETÉS 3

1 1 100

LAMINÁRIS TRANZIENS TURBULENS

0 Re< x*10 x*10 Re< ~x*10³ 10³ Re

N_P=A’Re^-1 N_P=A’

 

 AD⁵_i N³

2 P

3 i N D A P  

Fully

„baffled”

Fully baffled=Re független

(30)

(31)

LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 +LEVEGŐZTETÉS: P csökken

LEVEGÕZTETÉSI SZÁM*10² Q/ND_i³

Pg/P

3 2

2 3

] / [

] 4 [

] / [m

ker

g légsebessé ineáris)

felületi(l s

látszólago

i i

i

ND Q s

m ND

D m

s Q

sebessége ületi

keverő

Na   



Jó g/f diszperzió

rossz g/f diszperzió

P

^g

 f Na ( )

Pg/P ~0,25-0,4 N= const; Q nő

flooding elárasztás

(32)

(33)

LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 Oxigén abszorpciós koefficiens kevert reaktorban

(K_La) becslése : Vízhez közeli anyagi tulajdonságú (, , D_O2 ) fermentlevekre

Calderbank összefüggése

 flé felületi feszültsége,

 sûrûsége H_o gáz holdup

d_b átlagos buborék átmérõ

 

d P

V

b H

g

 

 





4 15 0 0009

0 6

0 2

0 4

, 0 5 ,

,

 ,



m

a H

d

O b

 6

felhasználásával és a 0,0009m elhagyásával

 

a

P

V H

g





  

  1 44

0 4

0 2

0 6

,

0 5

,



 m

^-1

a P

V

^g

v

_s

 

  

 

0 4

0 5 ,

,

~Holdup

(34)

a P

V

^g

v

_s

 

  

 

0 4

0 5 ,

,

 

v F

D m s

s

T

 . 4 /

2

 m³

Látszólagos felületi lineáris légsebesség Turbulens áramlási viszonyokra (lásd “nagy” táblázatot)

k

_L

 N

3

Sh  0 13 Sc

4 1 3

3

, Re

4

(35)

K a P

V v N

L

g

 

s

  

 

0 4

0 4 0 5 ,

, ,

K a P

V v N

L

g

  s

  

 



 0 5 ,

labor fermentorokra

általánosan

  mérettől függő állandók,

0,3  0,95 0,5067

=f(N³)

Min. N^1,5-en függés=>ezzel lehet leginkább befolyás.

(36)

K_La függése a környezeti paraméterektõl (, , , D_O2) mindenben szerepel!!!!

Mitől függ és hogyan a K

_l

a ?

Dinamikai viszkozitás ld. reológia

(37)

 

  ^ ^

K a K a

L T

L

T

o

20

1 024

20

 ,

^

Hőmérséklet hatása

növeli K_La értékét DE! C* csökken a hőrmérséklet növekedésével

OTR

Oldott tápanyag komponensek Sók hatása az ionerõsségel becsülhetõ

 

K a K a

L t

L víz

k

ápoldat

   

 

K a

^L ^t

I

L víz

ápoldat

    1 3 78 , .

0,8-0,85 Ált. C*

„nyer”

(38)

LEVEGŐZTETÉS 3

BIM2 2002

habzás

habzásgátlás felületaktív

anyagokkal

+FAA ->csökken σ & csökken d

_b

& nő a

DE: δ k

_l

 

a

P

V H

g





 

 1 44

0 4 0 2

0 6

, 0 5

, ,

,



 m^-1

Mechanikai habtörő (D>D_i, N<>N_i)

d hatása

(39)

Fermentlevek reológiai viselkedése

(40)

Fermentlevek reológiai viselkedése BIM2 2002 Alapfogalmak

belső súrlódás=viszkozitás

1.

NEWTON-i fluidumokra

τ

a fluidumra ható nyírófeszültség (erő/felület)



nyírósebesség, a fluidum sebesség gradiense (deriváltja)



a fluidum dinamikai viszkozitása kg/m.s = Pa.s = 10P =1000 cP  NEWTONI = állandó viszkozitású





   ^

  ^

  f ^

Nem Newtoni ill. ált.:

Arányossági tényező, állandó

(41)

Fermentlevek reológiai viselkedése BIM2 2002

 ^

Folyásgörbék:

nyírósebesség nyírófeszültség

határfeszültség

(42)

Mindennapi életben előforduló nyírósebességek

Keverők 100 - 10 000 s^-1

vágás késsel 5.10⁶ s^-1

forgó, kent alkatrészek 10⁷ - 10⁸ s^-1

Néhány newtoni fluidum viszkozitása 20 ^oC-on

Víz 10^-3 Pa.s

tej 1,4.10^-3

20%-os cukoroldat 2,0.10^-3

glicerin 10^-1

(43)

     _app

2. PSEUDOPLASZTICITÁS



_app

a látszólagos viszkozitás (Pa.s, cP).

 ^  ^

_app csak kicsi v. nagy nyíróseb.nél konst.

A „viszkozitás” értelmezéséhez meg kell adni -t is.

(44)

n

y

K 



   ^

HATVÁNYTÖRVÉNY

_y határnyírófeszültség

K ún. plasztikus viszkozitás vagy rigiditás.

1. n=1, K=

2. n<1

3. DILATÁNS reológiai karakter n  1 4. BINGHAM-plasztikus Bingham-test

_y után newtoni viselkedés 5. CASSON test

_y után pszeudopl. viselkedés

 ^

(45)



_y K n

Newtoni 0  1

Pszeudoplasztikus 0 konzisztencia index 1

Dilatáns 0 konzisztencia index 1

Bingham 0y plasztikus viszkozitás 1

Casson 0y plasztikus viszkozitás 1

n

y

K 



   ^

(46)

6. időfüggő viszkozitás

nyírás időtartama befolyásolja a látszólagos viszkozitás értékét.

Ha adott idõpontban az ilyen fluidum dilatáns viselkedésû, akkor

reopektikus, ha pszeudoplasztikus, akkor tixotrópos reológiai karakterrel van dolgunk.

7. Időfüggő viszkozitás esetén sokszor hiszterézis jelenség



 

idõ

a) b)

 ^

Egyéb – további reológiák:

Casson

Dilatáns

(47)

Fermentlevek reológiai viselkedése BIM2 2002 Fermentlevek esetében az extrém reol visekedés okai:

1

. mikroba koncentráció növekedése

Egysejtű mikroorganizmusok fermentlevei általában newtoniak nagy sejtkoncentráció mellett is, pelletes gombáké is.

Baktériumok és élesztők szuszpenzióira módosított Einstein-egyenlet (Taylor sor)



^fermentlé_táptalaj

  1 5  b 2

 

2

 állandó (6-8 közötti bakt.+yeast)

 szuszpendált sejtek térfogata

/

össztérfogat.

Empírikus áll.

~”Holdup”

(48)

Fermentlevek reológiai viselkedése BIM2 2002 pékélesztő

80 g/dm³ sejtkoncentrációk esetén is csekély a viszkozitás növekedés.

100 g/dm³ felett a newtoni karakter pszeudoplasztikussá alakul.

cP

70 80 90 100 g/dm³

0 1500 3000 4500 6000

(49)

Fermentlevek reológiai viselkedése

BIM2 2002

2

.extracelluláris termékek, dextrán, leván, xantán, foszfomannán, poli--hidroxi-vajsav

nemkívánatos felületi poliszacharidok, nyálkaszerű anyagok rontják a sejtfeldolgozás műveleti hatékonyságát.

rontják az anyagátadást

Tápoldat megfelelő megválasztásával (N-forrás) eliminálható (néha)

4-5-VIDEO-BINGHAM1.wmv

(50)

pszeudoplasztikus, esetenként Bingham plasztikus viselkedés oka:

határozott fonal szerkezetet alakítanak ki antibiotikum fermentációk (gombák vagy

Actinomiceták)

_app helyről-helyre változhat tömeg/hő-átadási problémák szabályozási problémák (pH) rossz keveredési viszonyok holt terek: S CO₂, O₂…

s^-1

160

80

200 400 min-1

keverõ fordulatszám

0 mm 2,54 mm

5,08 mm

12,7 mm

10 40 80 100

10 40 80 100 maxim

ális nyírósebessé g

átlagos nyí

rósebessé g

s^1 lg

min^-1



keverõ fordulatszám

3.

fonalas baktériumok és fonalas gombák (=nem szuszpenzió, átszőtt flé)

Távolság a keverőtől

(51)

Endomyces sp. glükoamiláz fermentációjának reológiai képe

,

Newtoni Newtoni

pseudoplasztikus

2 2 vö.: Fr = v2 Keverési Re-szám Keverési Fr-szám (28)LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 P

P/V

K

a

CO

h

d

d

d

w

w

L

D

D

H

H

10 l -- 100 m

H D

H D

   1 n  2

Rushton 5

Chemineer CD6

Chemineer BT

Lightning felfelé és lefelé keverő

elemek

keverõ

áramlás

primer folyadék

szekunder folyadék áramlás

buborékmozgás kis gázsebességnél

buborékmozgás

nagy gázsebességnél

P AD N Fr W

D

D D

H

D

 

  

  

  

  

  

 



Re ...

sebesség kerületi

keverő NDπ

μ

= dvρ Re

: ált.

μ ND ρ μ

.ND ρ Re D



 

 



 



 

Fr D N

gD

D N

g gL

 



  

 

vö.: Fr = v

P   A D N 5 i 3  Re m Fr n

N P

D N A Fr

  

 Re

P

P

 f Na ( )

 

a H

d

P   A D N ⁵ _i ³  Re ^m Fr ⁿ

  ^ ^