بخشی از مقاله
چکیده
انتقال جرم اکسیژن یکی از پارامترهاي مهم در طراحی بیوراکتور میباشد، که آن را توسط ضریب کلی حجمی انتقال جرم اکسیژن تعریف میکنند. در این مقاله تاثیر فاکتورهاي غلظت توده زیستی، توان مصرفی همزن و سرعت ظاهري هوا بر روي ضریب انتقال جرم مورد بررسی قرار گرفت. ضریب کلی حجمی انتقال جرم اکسیژن در این آزمایشها، در محدودهي 36-84 hr-1 محاسبه شد. تطابق مدلهاي ریاضی پیشنهادي براي ضریب انتقال جرم با نتایج تجربی نشان میدهد معادلات ارائه شده بر حسب توان مصرفی و سرعت ظاهري هوا و یا دور همزن و سرعت ظاهري هوا از سازگارينسبتاً خوبی برخوردار هستند. لذا از این مدل براي پیشبینی ضریب انتقال جرم در فرآیند بیولیچینگ اورانیوم و طراحی مقدماتی مخازن هوادهی شده میتوان استفاده نمود.
مقدمه
فراهم نمودن اکسیژن کافی در طراحی و عملیات بیوراکتورهاي هوازي اهمیت ویژهاي دارد. انتقال جرم در بیوراکتور با ترمهاي ضریب کلی حجمی انتقال جرم - KLa - 1 و نرخ مصرف اکسیژن - OUR - 2 مشخص میشود. این متغیرها به عوامل زیادي شامل ویسکوزیته و کشش سطحی محلول، غلظت و مورفولوژي توده زیستی، هیدرودینامیک بیوراکتور، نرخ هوادهی دانسیته دوغاب و اندازه ذرات جامد بستگی دارند.
- . - Casas Lopez et al., 2006 نرخ کلی انحلال در فرآیند بیولیچینگ با چند زیر فرآیند - مرحله - تعیین میشود که مرحلهي به کمترین سرعت محدود کننده میباشد - . - Petersen et al., 2006 بنابر این لازم است که نرخ انتقال جرم گاز به مایع به علت پایین بودن حلالیت اکسیژن در آب 7/8 - میلی گرم بر لیتر در دماي 25 درجه سانتیگراد - که این مقدار در محیطهاي کشت کمتر نیز میشود - Ruffieux et al., - 1998 تعیین شود.
در مورد تاثیر نمک ها در میزان حلالیت اکسیژن در آب، تحقیقاتی صورت گرفته که نشان می دهد که وجود غلظت نمک سبب کاهش می یابد - . - Tromans et al., 2000 نرخ انتقال جرم از گاز به مایع در دماهاي بالاتر از 60 درجه سانتیگراد نیز به علت کاهش حلالیت می تواند محدود کننده باشد - . - Petersenl 2010 براي انتقال جرم اکسیژن مدلهاي متعددي پیشنهاد شده است. شکل کلی آنها به صورت زیر میباشند.
در مقاله حاضر، هدف تعیین مدل ریاضی سادهاي براي ضریب انتقال اکسیژن به منظور به کارگیري در فرآیند بیولیچینگ اورانیوم و طراحی مقدماتی مخازن هوادهی شده میباشد. در این راستا اثر فاکتورهاي غلظت توده زیستی، توان مصرفی همزن - بر مبنا دور همزن - و سرعت ظاهري هوا مورد بررسی قرار میگیرد، سپس با تجزیه و تحلیل دادههاي تجربی، مدل ریاضی مناسب براي پیشبینی آن ارائه میگردد.
تئوري
روشهاي مختلفی براي اندازهگیري نkLa وجود دارد، اما تعدادي اندکی از آنها براي اندازهگیري در سیستمهاي بیولوژیکی در طول عملیات کاربردي هستند. روش دینامیک - Chisti et al., 1999 - مشهورترین و متداولترین روش در اندازهگیري kLa در بیوتکنولوژي میباشد.
موادها و روش ها
میکروارگانیسم و محیط کشت
میکروارگانیسم استفاده شده سویه بومی باکتري Acidthiobacillus ferrooxidans که از معدن اورانیوم بندر عباس بدست آمده است میباشد. محیط کشت جهت رشد باکتري و نیز آزمایشات بیولیچینگ با ترکیب 2 - NH4 - 2SO4 گرم، 0/5 K2HPO4 گرم، 0/5 MgSO4.4H2O گرم، 0/1 KCl گرم، 0/01 Ca - NO3 - 2.4H2O گرم و 20 FeSO4.7H2O گرم به ازاي هر لیتر تهیه شد - . - Atlas 2005
بیوراکتور مخزنی با همزن مکانیکی
آزمایشها در یک بیوراکتور به حجم کاري 6 لیتر با قطر داخلی 16/5 سانتیمتر، 4 بفل با زوایه 90o نسبت به هم و با نسبت ارتفاع به قطر 2 انجام گرفته است. همزن از دو پروانه راشتون1 با نسبت قطر پروانه به قطر راکتور 0/33 و عرض پره به قطر پروانه 0/2 فراهم شد. فاصله بین پروانهها برابر قطر راکتور و فاصله پروانه پایینتر نسبت به کف راکتور نصف قطر پروانه میباشد. توزیع کننده هوا از نوع میلهاي با 4 سوراخ 1 میلیمتري در هر سمت میله به فاصله یکسان تعبیه شده است.
سنگ معدن
سنگ معدن اورانیوم از آنومالی 2 معادن ساغند یزد در مرکز ایران تهیه شده است. مقدار اورانیوم در براساس آنالیز 650 XRF ppm گزارش شده است. اندازه ذرات به مقدار 80 میکرون مورد آزمایش قرار گرفت.
آزمایشات بیولیچینگ
آزمایشهاي بیولیچینگ در سرعت همزن در سه سطح 400، 500 و600 دور بر دقیقه و نرخ هوادهی 0/2، 0/6 و vvm 1 در دانسیته دوغاب ثابت 5 درصد وزنی-حجمی انجام شد. در هر مرحله آزمایشها تعداد باکتريها به عنوان یکی از پارامترها مورد بررسی شمارش شد.
آنالیزها
اکسیژن محلول با استفاده الکترود پلورگرافیک متلر تولدوInPro 6850i 1 اندازهگیري میشود. مشخصه الکترود میتوان بر kLa اندازهگیري شده تاثیر بگذارد - . - Petersenl 2010 چنانچه که در مقالات تاکید شده است، به دلیل این که مقادیر kLa محاسبه شده در همه موارد کوچکتر از 0/3 بر ثانیه میباشد فرض میکنیم که پاسخ الکترود براي تغییرات غلظت اکسیژن به اندازه کافی سریع بوده و اثري بر روي دقت تعیین شده نداشته باشد - . - Boon et al., 1992 غلظت باکتريها به کمک روش شمارش مستقیم اندازهگیري میشوند.
نتایج و بحث
آزمایشها با سه متغیر سرعت ظاهري هوا، توان مصرفی مخصوص - دور همزن - و غلظت توده زیستی جهت اندازهگیري ضریب انتقال جرم اکسیژن انجام شد. با افزایش زمان در مرحله دفع غلظت اکسیژن محلول کاهش و در مرحله جذب افزایش مییابد. دلیل این کاهش در مرحله دفع به سبب مصرف اکسیژن محلول توسط باکتريها میباشد. مقادیر ضریب تعیین - R2 - براي معادلات به ترتیب 93/2، 93/5، 93/9 و 94/0 درصد بدست میآید. اگرچه با توجه به مقادیر بدست آمدهتقریباًمعادلات داراي دقت مشابه وبالاي برخوردار هستند اما به کمک نرمافزار Minitab ضرایب بدست آمده در سطح اطمینان 0/95 درصد تنها در معادلات - 8 - و - 10 - معنادار هستند. در شکل - 1 - میزان انحراف مقادیر پیش بینی شده توسط مدل هاي - 8 - و - 10 - نسبت به مقادیر تجربی نشان داده شده است.
