Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12344
Title: Θεωρητική μελέτη του ογκομετρικού συντελεστή μεταφοράς μάζας από δυναμικά πειράματα
Other Titles: Theoretical study of volumetric mass transfer coefficient from dynamic experiments
Authors: Αρωνιάδα, Μαγδαληνή
Keywords: Μεταφορά μάζας
Βιοαντιδραστήρες
Ογκομετρικό συντελεστή μεταφοράς μάζας
Keywords (translated): Mass transfer
Bioreactors
Volumetric mass transfer coefficient
Abstract: Σε πολλές βιοχημικές διεργασίες οι συγκεντρώσεις των συστατικών δεν είναι ομοιόμορφες καθώς υπάρχει μεταφορά μάζας από περιοχές όπου υπάρχουν υψηλές τιμές συγκεντρώσεως σε περιοχές με χαμηλότερες τιμές. Ένα βασικό παράδειγμα, το οποίο είναι και αυτό που θα μελετηθεί στη παρούσα διπλωματική εργασία, είναι η τροφοδότηση του οξυγόνου σε βιοαντιδραστήρες για αερόβια καλλιέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, η συγκέντρωση του οξυγόνου στην επιφάνεια μιας φυσαλίδας είναι πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με το υπόλοιπο υγρό και έτσι η διαφορά συγκέντρωσης προκαλεί μεταφορά οξυγόνου από τις φυσαλίδες προς το υγρό μέσο. Η μεταφορά μάζας παίζει πολύ σημαντικό ρόλο και σε διεργασίες που περιέχουν αντιδράσεις. Καθώς η απόσταση μεταξύ των αντιδρώντων και της περιοχής της αντίδρασης μεγαλώνει, είναι πιο πιθανό ο ρυθμός μεταφοράς μάζας να ελέγχει ή να επηρεάζει τον ρυθμό της αντίδρασης. Στην περίπτωση της αερόβιας καλλιέργειας, αν ο ρυθμός μεταφοράς του οξυγόνου από τις φυσαλίδες είναι περιορισμένος τότε η αξιοποίηση του οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς θα εξαρτάται από την ροή του οξυγόνου στην αέρια μορφή. Αφού το οξυγόνο είναι πολύ σημαντικός παράγοντας στις αερόβιες διεργασίες όλες οι μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην μεταφορά μάζας μεταξύ υγρού-αερίου και συγκεκριμένα έχει δοθεί μεγάλη προσοχή στον ογκομετρικό συντελεστή μεταφοράς μάζας kLa ο οποίος είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες. H εκτενής περιγραφή του μηχανισμού μεταφοράς του οξυγόνου σε όλα τα στάδια όπου υπάρχει αντίσταση στη μεταφορά μάζας έχει γίνει σε διάφορές δημοσιεύεις κατά την διάρκεια των περασμένων δεκαετιών και μια από της πιο αναλυτικές περιγραφές βρίσκετε στο άρθρο του Brown (Brown et al., 1970). Επίσης, έχουν κατασκευαστεί διάφορα μοντέλα για αερόβιες καλλιέργειες αλλά και για περιπτώσεις που μελετάται μόνο η μεταφορά του οξυγόνου. Καθώς υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι αντιμετώπισης του φαινομένου, υπάρχουν και διαφορετικοί τρόποι προσέγγισης του ογκομετρικού συντελεστή μεταφοράς μάζας. Για παράδειγμα σε μερικές μελέτες απαιτείται η μέτρηση του οξυγόνου στην υγρή φάση (Bartholomew et al., 1950) ενώ σε άλλες η μέτρηση του οξυγόνου στην αέρια φάση (Niiyama και Smith, 1976). Οι δύο αυτές μελέτες που αναφέρθηκαν είναι από τις πρώτες που δημοσιεύθηκαν και είναι αυτές στις οποίες βασίστηκαν επόμενες και έγιναν τροποποιήσεις προκειμένου να μελετηθούν οι διάφορες περιπτώσεις. Έτσι κατασκευάστηκαν μοντέλα που δεν λαμβάνουν υπόψη αντιστάσεις λόγω του υγρού, όπως η γραφική λύση των Fujita και Hashimoto (Fujita και Hashimoto, 1970) και εμπειρικά μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη όλες τις αντιστάσεις. Μια διαδεδομένη μέθοδος που εισάχθηκε από το άρθρο των Dang et al. (Dang et al.,1977) λαμβάνει υπόψη την αντίσταση και του υγρού αλλά και της μεμβράνης και προτείνει τον αριθμητικό υπολογισμό του εμβαδού πάνω από την καμπύλη απόκρισης. Αντίθετα, στο άρθρο των Fuchs et al. (Fuchs et al., 1971) το μοντέλο που μελετάται λαμβάνει υπόψη του μόνο αντιστάσεις στη μεμβράνη ενώ άλλοι έχουν συμπεριλάβει και τις καθυστερήσεις του μετρητικού οργάνου (Prokop et al, 1975). Στη συγκεκριμένη μελέτη, όπως θα αναλυθεί παρακάτω, θα μελετηθεί το φαινόμενο της μεταφοράς μάζας και θα γίνει η εξαγωγή του μαθηματικού μοντέλου που μπορεί να περιγράψει καλύτερα το φαινόμενο. Σκοπός είναι να γίνει καλή προσομοίωση του φαινομένου έτσι ώστε να έρχεται σε όσο καλύτερη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα που διαθέτουμε. Αρχικά, θα γίνει μια εισαγωγή στην μεταφορά μάζας στους βιοαντιδραστήρες και θα παρουσιαστεί η πειραματική διαδικασία. Στη συνέχεια θα μελετηθεί η εξαγωγή της αναλυτικής και αριθμητικής λύσης της μαθηματικής περιγραφής του προβλήματος και θα παρουσιαστούν οι τρόποι υπολογισμού του ογκομετρικού συντελεστή μεταφοράς μάζας kLa και της παραμέτρου α. Σε αυτό το σημείο θα γίνει εισαγωγή της νέα μεθόδου που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Επιπλέον, θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα από τις μεθόδους που αναλύθηκαν και θα παρουσιαστούν κάποιες προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Σε όλα αυτά τα στάδια θα γίνει αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας και στο Παράρτημα θα βρίσκονται όλες οι επιπλέων πληροφορίες.
Abstract (translated): In many biochemical processes the concentrations of the components are not uniform as there is mass transfer from areas where there are high concentration values to areas with lower values. A basic process, which is the one this study is focused on, is the introduction of oxygen into bioreactors for aerobic culture. In this case, the concentration of oxygen on the surface of the bubbles is much higher than the rest of the liquid (bulk) and thus the concentration difference causes oxygen transfer from the bubbles to the bulk. Mass transfer is also critical in processes where reactions take place. As the distance between the reactants and the reaction region increases, it is more likely that mass transfer rate control the rate of reaction. In aerobic culture case, if the rate of oxygen transfer from the bubbles is low then the utilization of oxygen by the microorganisms will depended from the oxygen flow in gas form. Since oxygen is very important in aerobic processes all studies have focused on the mass transfer between liquid and gas and especially to volumetric mass transfer coefficient kLa which is one of the most important factors of the process. In the first part of this study, we will introduce some mass transfer theory in bioreactors and we will present the experimental process. Thus, we will introduce the extraction of analytical and numerical solution of the corresponding mathematical model and we will present studies that calculate the volumetric mass transfer coefficient kLa and the parameter α. At this point, we will present the new method developed in the present MSc Thesis. In addition, the results from the methods analyzed will be presented and there will be extracted a mathematical equation which shows the volumetric mass transfer coefficient with the frequency of rotations of the agitator.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MasterThesis_MagdaliniAroniada.pdf3.81 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.