| Περίληψη: | 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.
|
|---|
