Oxygen transfer in hydrocarbon-aqueous dispersions and its applicability to alkane-based bioprocesses
Year: 2007
Type: dissertation
Abstract: Die voldoende verskaffing van suurstof tydens biologiese prosesse is van die uiterste belang tydens die optimering van die proses-kinetika.In biologiese prosesse waarin die voerstof alkane is, is suurstof voorsiening veral van belang, aangesien die molekulêre struktuur van hierdie koolwaterstowwe geen suurstof bevat nie.As gevolg hiervan moet alle suurstofbehoeftes van die proses bevredig word deur suurstof-oordrag na die kultuur, wat 'n proporsiënele verhoging in suurstof-oordrag vereis.Dit is dus van die uiterste belang om die tempo van suurstof-oordrag te maksimeer om die biologiese omsetting van alkane te kan optimeer, beide tydens prosesbedryf en tydens die opskalering van prosesse.Die suurstof-oordrag tempo (SOT) en hierdie veranderlike se afhanklikheid van die algehele volumetriese massaoordragskoëffisiënt (K L a) word egter steeds nie goed begryp in water-alkaan dispersiesisteme nie.In die lig van die belang van 'n voldoende SOT in die optimering van bioomsetting van alkane het hierdie ondersoek gefokus daarop om die faktore wat die gedrag van K L a in water-alkaan dispersiesisteme te identifiseer en te beskryf.Die gedrag van K L a is gekwantifiseer aan die hand van die effekte wat die vloeistofeienskappe van alkane en sisteem turbulensie het op die gemiddelde Sauter deursnit (D 32 ), gas-vasvanging, gas-vloeistof intervlak rigiditeit en gas-vloeistof kontakarea per volume-eenheid.Hierdie verskillende eienskappe is in verband gebring met K L a oor 'n wye reeks vermengingstempo's en alkaankonsentrasies in water-alkaan dispersiesisteme.Eksperimente is uitgevoer in 'n 5 liter belugte en gemengde bioreaktor teen vermengingstempo's van 600, 800, 1000 en 1200 rpm en teen alkaan-(n-C 10 -C 13 samestelling) konsentrasies van 0, 2.5, 5, 10 en 20%.K L a is bepaal deur die totale sisteem druk te verander, of deur alle suurstof uit die sisteem te bloei en sodoende 'n oombliklike verandering in suurstofkonsentrasie te veroorsaak.Die akkuraatheid en betroubaarheid van hierdie metodes is vergelyk oor die hele reeks vermengingstempo's en alkaankonsentrasies.Daar is aangetoon dat die druk veranderings-metode veel beter resultate vii lewer wanneer die tyd-reaksie van die suurstofmeter in ag geneem word en hierdie metode is dus gebruik in die korrelasies.Die intervlak areas vir die onderskeie K L a waardes is bereken vanaf die gesamentlike effekte van D 32 en gas-vasvanging.D 32 is bepaal deur die deursneë te meet van die lugborrels in die dispersiesisteem met behulp van 'n fotografiese tegniek en foto-analise.Foto-analise is gedoen deur gebruik te maak van 'n program wat in Matlab® ontwikkel is, wat beeld-verkrygings-en -verwerkingstegnieke gebruik het.Die program het inligting in verband met die lugborrels verkry deur van bg.tegnieke gebruik te maak.Die gas-vasvanging is bepaal deur die dispersiehoogte tegniek te gebruik.Daar is aangetoon dat die gedrag van K L a afhanklik is van beide die vermengingstempo en die alkaankonsentrasie.Deur vermening te verhoog vanaf 600 rpm na 1200 rpm is K L a ook verhoog, vir al die alkaankonsentrasies.Die invloed wat vermengingstempo het op die intervlakarea is ondersoek oor dieselfde reeks vermengingstempo's en die verband tussen K L a en die intervlak-area is evalueer.Deur die vermengingstempo te verhoog is die intervlak-area vergroot, wat die gepaardgaande verhoging in K L a veroorsaak het.Hierdie verhoging in intervlak-area was direk verwant aan 'n verlaging in D 32 a.g.v.skuifkragte en indirek verwant aan verhoging in gas-vasvanging a.g.v.die laer spoed waarteen die kleiner borrels deur die dispersie kon styg.Behalwe vir vermenginstempo het die teenwoordigheid van 'n alkaan 'n beduidende invloed gehad op die gedrag van K L a, maar effekte het gewissel afhangende van die alkaankonsentrasie.Alkaankonsentrasies tussen 2.5 en 5 % (v/v) het D 32 verlaag teen konstante vermengingstempo's van 800, 1000 en 1200 rpm, wat waarskynlik die gevolg was van verlaagde oppervlakspanning en vertraagde samesmelting teweeg gebring deur die alkaan.Die laer D 32 en gevolglike verhoogde gas-vasvanging het K L a verhoog d.m.v.vergroting van die intervlak-area.Soos alkaankonsentrasies verhoog is bo 5% (v/v) het die gas-vasvanging egter verminder ten spyte van 'n verdere verlaging in D 32 , wat tot gevolg gehad het dat beide intervlak-area en K L a verlaag het.Dit impliseer dat by hoër alkaankonsentrasies, die invloed van viskositeit die botoon gevoer het wat meervoudige nadelige gevolge viii gehad het op die intervlak-area en suustof-oordragskoëffisiënt.Hierdie tendense is egter nie waargeneem by die lae vermengingstempo van 600 rpm nie.Teen hierdie vermengingstempo was turbulensie aansienlik minder en K L a is onderdruk by alle alkaankonsentrasies.Die verskillende effekte wat turbulensie en alkaan-eienskappe het op die intervlak-area het tot gevolg dat spesifieke grense bestaan waarbuite die gedrag van K L a varieer.Drie kenmerkende gedragspatrone van K L a is identifiseer, afhangende van vermengingstempo en alkaankonsentrasie.Regime 1 was beperk tussen 2.5 en 5% (v/v) alkaankonsentrasie teen vermengingstempo's van 800 rpm en hoër.Hier het die verhoging in K L a direk gepaard gegaan met 'n verhoging in intervlak-area, wat die hooffaktor was wat K L a binne hierdie regime gedefineer het.Regime 2 was beperk vir alkaankonsentrasie hoër as 5% (v/v) en vir vermenginstempo's gelyk aan en hoër as 800 rpm.In hierdie regime is 'n verlaging in K L a waargeneem vir 'n verhoging van alkaankonsentrasie, wat 'n oorheersende invloed van viskositeit voorstel.Dit is waarskynlik dat hierdie oorheersing veelvoudige negatiewe effekte mag hê deur beide die intervlak-area en K L te beïnvloed.Die intervlak-area in hierdie regime het verlaag, hoofsaaklik as 'n gevolg van die nadelige invloed van viskositeit op gas-vasvanging.Regime 3 het voorgekom vir vermengingstempo's laer as 800 rpm en is gekenmerk deur 'n verlaging in K L a ongeag die alkaankonsentrasie.Dit is waarskynlik dat lae vermengingstempo's tot gevolg gehad het dat die effek van turbulensie nie genoeg was om 'n positiewe invloed te hê op die intervlak-area nie.In hierdie regime is die intervlak-area verlaag deur hoër waardes vir D 32 en laer gasvasvanging.Die gevolglike variasie in SOT was direk afhanklik van die relatiewe groottes van K L a en die suurstof oplosbaarheid en indirek afhanklik van die prosestoestande wat hierdie waardes gedefineer het.Tydens toestande wanneer hoë K L a waargeneem is, is die SOT bevoordeel deur die gesamentlike verhoging in K L a en suurstof oplosbaarheid.Tydens toestande waar verlaagde K L a waardes waargeneem is, het verhoogde suurstof oplosbaarheid egter nie altyd die effek van laer K L a oorheers nie.Ten spyte van die aansienlike verhoging in suurstof oplosbaarheid van suurstof in ix
Author: Leslie Daniel Camara Correia
Language: English
Topic: Fluid Dynamics and Mixing
Subfield: Fluid Flow and Transfer Processes
Field: Chemical Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W30869406