Chương 10 Khuấy trộn và thông khí

Một trong những nhân tố quan trọng cần được lưu ý khi thiết kế hệ lên men đó là khả năng khuấy trộn thích hợp các thành phần của nó. Các vấn đề chính của sự khuấy trộn trong hệ lên men là sự phân tán của các bong bóng khí, tạo huyền phù các cơ thể vi sinh vật (hoặc tế bào thực vật và động vật) và tăng cường sự chuyển nhiệt và chuyển khối trong môi trường.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 10 Khuấy trộn và thông khíChương 10 Khuấy trộn và thông khíI. Mở đầu Một trong những nhân tố quan trọng cần được lưu ý khi thiết kế hệ lênmen đó là khả năng khuấy trộn thích hợp các thành phần của nó. Các vấn đềchính của sự khuấy trộn trong hệ lên men là sự phân tán của các bong bóngkhí, tạo huyền phù các cơ thể vi sinh vật (hoặc tế bào thực vật và động vật)và tăng cường sự chuyển nhiệt và chuyển khối trong môi trường. Nói chung, hầu hết các chất dinh dưỡng đều có khả năng hòa tan caotrong nước, do đó trong thời gian lên men nếu chỉ để phân bố đều môitrường khi các tế bào tiêu thụ chất dinh dưỡng thì sự khuấy trộn không thậtcần thiết. Tuy nhiên, ở trường hợp oxygen hòa tan thì người ta lại rất mongmuốn có một sự khuấy trộn tốt vì khả năng hòa tan của nó trong môi trườnglên men là rất kém, trong khi yêu cầu oxygen cho sự sinh trưởng của các visinh vật hiếu khí (hoặc tế bào thực vật và động vật) lại rất cao. Ví dụ: khi oxygen được cung cấp từ không khí, nồng độ cực đại đặctrưng của nó trong dung dịch nước là từ 6-8 mg/L. Nhu cầu oxygen của tếbào, mặc dù có thể phụ thuộc rất lớn vào loại tế bào, thường là khoảng 1 g/Lgiờ. Ngay cả khi môi trường lên men được bão hòa hoàn toàn với oxygen,thì oxygen hòa tan sẽ được cơ thể tiêu thụ ít hơn một chút nếu như nó khôngđược cung cấp liên tục. Ở quy mô phòng thí nghiệm, sự khuấy trộn được tạo ra nhờ máy lắc(shaker) là thích hợp để nuôi cấy tế bào trong các bình thủy tinh hoặc ốngnghiệm. Các máy lắc vòng hoặc lắc ngang tạo ra một sự phối trộn nhẹ vàtrao đổi khí bề mặt rất hiệu quả. Trường hợp lên men ở quy mô pilot hoặcquy mô sản xuất, sự khuấy trộn thường được tạo ra bằng cách khuấy cơ họccó hoặc không có sục khí. Phổ biến nhất là sử dụng loại cánh khuấy(impeller) tạo ra dòng chảy tỏa tròn với sáu cánh khuấy mỏng được gắn vàotrong một đĩa, gọi là turbine đĩa có cánh khuấy mỏng (flat-blade diskturbine) hoặc Rushton turbine (Hình 10.1 và 10.2). Các cánh khuấy dòng tỏa tròn (các mái chèo và turbine) tạo ra dòngchảy tỏa tròn từ cánh của turbine hướng tới vách ngăn của bình nuôi(vessel), trong đó dòng chảy chia ra theo hai hướng: một hướng đi lên dọc 169Công nghệ tế bàotheo vách, rồi đi trở vào vùng trung tâm theo bề mặt chất lỏng, và đi xuốngvùng cánh khuấy dọc theo trục khuấy. Một hướng khác đi xuống dọc theovách và đáy, sau đó đi vào vùng cánh khuấy. Hình 10.1. Sơ đồ Rushton turbine. 4 x vách ngăn Rushton turbine Bộ phận phun khí Hình 10.2. Sơ đồ bình lên men có cánh khuấy. Mặt khác, các cánh khuấy dòng chảy theo trục (cánh quạt và các máichèo không bằng phẳng) tạo ra dòng chảy đi xuống đáy bình, sau đó đi lêndọc theo vách và quay xuống vùng trung tâm của cánh khuấy. Vì thế, cácturbine đĩa có cánh khuấy mỏng có ưu điểm hạn chế đoản mạch (short- 170Công nghệ tế bàocircuiting) của khí dọc theo trục truyền động (drive shaft) nhờ sự nén khí,đưa vào từ phía dưới, dọc theo hướng vào trong vòi thoát (discharge jet).1. Con đường chuyển khối Con đường của các chất khí từ một bong bóng vào một cơ quan tửtrong tế bào có thể được phân chia trong một vài bước như sau: a. Chuyển từ khí nén (bulk gas) trong một bong bóng tới một lớp khítương đối nguyên chất (relatively unmixed gas layer). b. Khuếch tán thông qua lớp khí tương đối nguyên chất. c. Khuếch tán thông qua lớp chất lỏng tương đối nguyên chất quanhbong bóng. d. Chuyển từ lớp chất lỏng tương đối nguyên chất tới khối chất lỏngnén (bulk liquid). e. Chuyển từ khối chất lỏng nén tới một lớp chất lỏng tương đốinguyên chất quanh một tế bào. f. Khuếch tán thông qua lớp chất lỏng tương đối nguyên chất. g. Khuếch tán từ bề mặt của một tế bào tới một cơ quan tử mà trongđó oxygen đã bị tiêu hao. Các bước c và e là chậm nhất. Sự khuấy trộn và thông khí sẽ tăngcường tốc độ chuyển khối trong các bước này và tăng diện tích tương tácgiữa khí và chất lỏng. Chương này trình bày một số mối tương quan khác nhau đối với sựchuyển khối lỏng-khí, diện tích tương tác, kích thước bong bóng, sự tắcnghẽn khí, sự tiêu thụ công suất khuấy và hệ số thể tích chuyển khối, đó lànhững công cụ quan trọng để thiết kế và hoạt động các hệ lên men. Sự tớihạn đối với việc tăng quy mô sản xuất và sự khuấy trộn nhạy cảm với lựctrượt cũng được trình bày. Đầu tiên, chúng ta tìm hiểu các khái niệm cơ bảncủa sự chuyển khối mà quan trọng là hiểu được sự chuyển khối lỏng-khítrong hệ lên men.II. Các khái niệm cơ bản về chuyển khối1. Sự khuếch tán phân tử trong chất lỏng Khi nồng độ của một thành phần biến thiên từ một điểm này đến mộtđiểm khác, thì thành phần này có xu hướng chảy theo hướng làm giảmnhững sự khác biệt cục bộ trong nồng độ. 171Công nghệ tế bào Dòng phân tử của cấu tử A liên quan với vận tốc phân tử trung bìnhcủa tất cả cấu tử JA là tỷ lệ với gradient nồng độ dC A / dz khi: dC A (10.1) J A = − D AB dz Phương trình (10.1) là định luật thứ nhất của Fick được viết cho chiềuz. Ký hiệu DAB trong phương trình (10.1) biểu diễn khả năng khuếch tán cấutử A vào B, tức là giá trị đo độ chuyển động khuếch tán của nó. Dòng phân tử của A liên quan với tọa độ cố định (stationarycoordinate) NA là bằng: CA dC A (10.2) NA = ( N A + N B ) − D AB ...