AEROB KEVERS BIOREAKTOROK

Ksztette: Percze Krisztina Ndai TmeaAEROB KEVERS BIOREAKTOROKAEROB BIOREAKTOROK CSOPORTOSTSALevegztets mdja szerint:

Kevers reaktor levegztets s mechanikus keversHurokreaktor (air lift)levegztets

22Els aerob bioreaktorok a buborkkolonna elvn mkdtek anyag s htadsi szempontbl nem tl hatkonyKEVERS REAKTOROKlevegbevezets + mechanikus kevers(energiabevitel mechanikusan mozgatott bels reaktorelemekkel)3

buborkkolonnaKevers funkciienergia bevitel a folyadkbagz diszperglsa a folyadkbanbuborkkpzs s fellet megjtsaanyagtranszport a leveg buborkok s a fermentl, a fermentl s a mikroba kzttfermentl oldott s nem oldott komponenseinek j elkeverse, koncentrci gradiensek megsznse, holt znk kialakulsnak megelzsegz s folyadkfzis elvlasztsa hasznlt buborkok eltvoltsa a cl, CO2 kivonsa a rendszerbla htranszport elsegtse4Az els funkci a legfontosabb, lnyegben azt jelenti, hogy a folyadkot lland mozgsbankell tartani, nem utolssorban a msik hrom funkci betltse rdekben.A bevitt mechanikai energia hv alakul, ezrt llandan ptolni kell. Az energiatadsifunkci mint a ksbbiekben ltjuk majd igen fontos, mivel ppen az egysgnyi fermentltrfogatba bevitt energia hatrozza meg elsdlegesen az oxignabszorpcis viszonyokat. Eszempontbl teht a bevitt energit nvelni kell. Msrszt, mivel gazdasgi szempontokat isfigyelembe kell vennnk, egy lehetsges minimumra is trekednnk kell. Szintn energiaemszt folyamat a gz diszperglsa a folyadkban, de megjegyzend, hogy abubork- kpzsnl elvesz mechanikai munka sokkal kisebb, mint a folyadk mozgatsakorhv alakul energia.A gz diszperglsi kever-funkci lnyegben kt folyamatot jelent. Egyrszt buborkkpzst,mgpedig minl kisebb buborkok kpzst. Radsul a felletet jra meg jra meg kelljtani, hiszen pl. felletaktv anyagok vonhatjk be a buborkokat, ezltal cskkentve a kLrtkt, ezenkvl a buborkok egyeslhetnek (koaleszcencia jelensge), cskkentve ezltal azanyagtadsi fellet nagysgt. Msrszt a buborkokat egyenletesen el kell oszlatni arendszerben megfelel nagy hold up kialaktsa cljbl. A gzszeparcival kapcsolatos kever funkci igen komplex krdskr. Itt lnyegben ahasznlt buborkok eltvoltsrl van sz, msrszt a kpzd anyagcsere-termkeket (CO2)tartalmaz buborkok eltvoltsrl, amely fordtott irny, de az oxignabszorpcihozteljesen hasonl sszefggsekkel lerhat anyagtadsi folyamat. A nagy buborkokeltvoltsa igen egyszer, de a kicsiny gzbuborkok szeparcija extrm mdon nehzfeladat. A keverelem negyedik funkcija a j keveredssel kapcsolatos. A tpoldat valamennyi oldotts szuszpenziban lv komponenst, valamint termszetesen a gzbuborkokat isegyenletesen szt kell oszlatni a reaktorban. Erre azrt van felttlenl szksg, hogy aklnbz anyagtadsi folyamatok mindentt egyforma sebessggel folyjanak, s a biolgiaitrtnsek sebessgeit a lehet legkisebb mrtkben korltozzk.4ParamterekMikrobra s fermentlre jellemz paramterek:fermentl reolgiai tulajdonsgaimikroba oxignignyemikrobk rzkenysge a nyrrreVltoztathat paramterek:kever elem fajtjakever elemek szmaa fermentor s a kever geometriai elrendezse s arnyaa kever fordulatszmaa levegztets sebessge

55A fermentl reolgiai tulajdonsgai6

Normlistl eltr reolgia okai7szubsztrt okozta viszkozits (oldott polimer (kemnyt))mikroba koncentrcijnak a nvekedselegtbb alkalmazott mikroorganizmus fonalas fermentci sorn ltalban pszeudoplasztikus vagy Bingham viselkedsextracellulris termkek kpzdse (poliszacharidok)nylkakpzds a mikroba sejtfalnmegfelel nitrogn forrssal elkerlhetnagy viszkzits a fermentleveknl nem csak a kever elemek sebessgvel lesz arnyos a nyr er, hanem a kevertl val tvolsggal is (holt terek)a reolgiai tulajdonsgok ltalban vltoznak a fermentci sorn (kezdetben newtoni karakter pszeudoplasztikuss vlhat)megnvekedett viszkozits kikszblse: steril vzzel trtn higts, pelletes nveszts

A nagy viszkozits htrnyai: a kevertl tvolabbi pontokban holt terek alakulhatnak ki nvekszik a kever teljestmny felvtele s az ltala kifejtett nyrer

Mikrobk oxign ignye s rzkenysgk a nyrerreoxignigny a fajlagos lgzsi sebessggel jellemezhet:

nyrfeszltsg hatsra a fonalak feltredeznek, a pelletek szrs fellete lekophat (pellet szt is eshet), ez a down-stream mveleteket megnehezti mindezek ellnre, rdemes a pelletes formt vlasztani - nagyobb sejtkoncentrcik esetn kisebb viszkozits

8Ahol:x mikrobakoncentrci (mg/dm3)c oldott oxign koncentrci (mg/dm3)fleg a fonalas gombknl s baktriumoknl okoz gondot, tovbb az llati s nvnyi szvetek tenysztsekor. Ekkor nvekszik a fermentl viszkzitsa, gy nehzz vlik a j keversi viszonyok kialaktsa, a megfelel anyag s htadsi viszonyok fenntartsa. Viszont a kever fordulatszma kt szempontbl sem nvelhet tetszlegesen nagyra, egyrszt gazdasgi okokbl, mivel ekkor nagy energia szksglet lp fel. Msrszt a nvekv nyrs miatt a mikroorganizmusok fizikai krosodsa miatt. A nyrfeszltsg hatsra a fonalak feltredeznek s ez nem csak a sejteket teszi tnkre, hanem a down-stream mveleteket is megnehezti.Sok fonalas gomba pelletes formban is kpes nvekedni. Ezek a pelletek bizonyos tenysztsi krlmnyek kztt jnnek ltre (pl.: rossz krnyezeti felttelek esetn, konidiumos oltskor), kb 5-10mm tmrj kis gmbcskk, melyeket kvlrl micliumok hatrolnak, bell pedig tptalaj s lizl sejtek maradka tallhat. A pelleten bell rossz az O2 tads, ezrt sok esetben ez kedveztlen. (Mskor viszont ppen jl is jn, pl. citromsav fermentci Aspergilus nigerrel ) A nagy nyrs azonban itt sem tesz jt a tenyszetnek, a pellet szrs fellete lekophat illetve az egsz pellet szt is eshet. Mindezek ellnre, ha a termkkpzsre nem kedveztlen rdemes a pelletes formt vlasztani, mivel nagyobb sejtkoncentrcik esetn is kisebb viszkzitst eredmnyez.

8Kever elem fajtiegyenes lapt nyitott turbinakever (leggyakoribb)

9

10Kever elem fajti

nagy viszkozits fermentleveknl hasznlatos legfels keverelemknt nagy szv kapacitssal rendelkeziknagyon viszkzus fermentlevek - kt egymstl fggetlenl meghajtott kever (egyik mozgsban tartja a folyadkot, msik a levegt diszperglja a folyadkban)

11Kever elem fajtiintenzv keverst ltrehozni kpes, alacsony teljestmny felvtel keverk

IntermigLightnin12Prochem Maxflow T

Scaba SRGT / Chemineer BT-6Kever elemek szma (n) a kever elemek kzti tvolsg (Hi)

1313A fermentor s a kever geometriai elrendezse s arnya

~ 150 m3-ig H/D=1,5-3 (slim)

~ 150 m3 felett H/D=1(korpulens) 10 m3-tl nhny 100 m3-ig rvnyesek14A kever fordulatszma s a levegztets sebessgefontos, hogy a kevers megfelel legyenha tl intenzv, akkor a mechanikai krokon kvl a fermentben kialakul magas oxign koncentrci esetleg oxign toxicitshoz is vezethetha nem elg intenzv a kevers, akkor nem teljeslnek a fentebb emltett kvetelmnyek15

16A buborkok kpzdsrt kisebb lgsebessgeknl a keverelem mgtti cskkent nyoms trben kialakul csavarrvnyek, ill. nagyobb lgsebessgeknl a keletkez rvnylapok felelsek (lsd a 4.13. animcit). A keletkezett buborkoknak a fermentorban trtn egyenletes eloszlatst (valamint az ltalnos keversi funkci betltst) a kialakul primer s szekunder ramlsok biztostjk. Az brn jl megfigyelhet a kialakul ramlsi kp, valamint az ennek kvetkeztben ltrejv buborkmozgs profilja is (4.86. bra), valamint az is, hogy egy adott kever- fordulatszm esetben csak bizonyos szintig emelhet a levegsebessg, ugyanis a nagy lgsebessgeknl a leveg elrasztja a kevert, azaz felaprtatlanul s elkeveretlenl halad t a reaktoron. 16Reaktor tervezsefigyelembe kell venni a hidrodinamika trvnyeit is

nem rendszerspecifikus paramterek fermentci nlkl is tanulmnyozhatak

rendszerspecifikus paramterek adott fermentcira vonatkoznak

17Nem rendszer specifikus paramterekKever teljestmnyfelvteleLeveg diszperzijaFluidum keveredseGzfzis keveredseKeverk hidrodinamikjaHtads

18A kever teljestmny felvteleA felvett energit a teljestmnnyel jellemezhetjk, amikevesebb, mint a motor teljestmnye