A mai nappal megkezdtük az együttműködést a BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Biofinomító Kutatócsoportjával, ahova kihelyeztünk két bioreaktort. Az együttműködés alapja a jFermi részéről xilit és enzimtermelési fermentációk kivitelezése, dokumentálása, a későbbi fermentációk optimalizálása a korábbi eredményekre épített adatbázis alapján, amit gépi tanulással segítene a rendszer. A Dr. Fehér Csaba vezette kutatócsoport részéről az elméleti háttér kidolgozása, majd ennek a tudásanyagnak a jFermi rendszerbe való implementálása lenne a fő célkitűzés. 

A következő írás interdiszciplináris tudástranszfert hivatott szolgálni a fermentációs biotechnológia és a szoftver mérnöki tudományok között.

Az első meghatározandó paraméter, amit át kellene ültetni a jFermi rendszerbe az OTR (oxygen transfer rate) vagyis az oxigén átadási ráta. Ennek hátteréről itt egy kis összefoglaló:

In aerobic bioprocesses, oxygen is a key substrate; due to its low solubility in broths (aqueous solutions), a continuous supply is needed. The oxygen transfer rate (OTR) must be known, and if possible predicted to achieve an optimum design operation and scale-up of bioreactors. Many studies have been conducted to enhance the efficiency of oxygen transfer. The dissolved oxygen concentration in a suspension of aerobic microorganisms depends on the rate of oxygen transfer from the gas phase to the liquid, on the rate at which oxygen is transported into the cells (where it is consumed), and on the oxygen uptake rate (OUR) by the microorganism for growth, maintenance and production.

The gas-liquid mass transfer in a bioprocess is strongly influenced by the hydrodynamic conditions in the bioreactors.

DOI: 10.1016/j.biotechadv.2008.10.006

Meghatározásának menete

Mivel az OTR értéke nagyban függ a fermentor karakterisztikájától, (keverőlapát mérete, száma, belső hullámtörők) a beállított értékektől (keverés sebessége, hőmérséklet) és a tápanyag összetételétől, (ionkoncentráció, viszkozitás, sűrűség) így ezt minden egyes kísérletre meg kell határozni.

Lényegében úgy járunk el mint minden fermentációnál, a tápoldat a fermentorban, szenzorok behelyezve, pH beállítva, sterilezve csak itt a beoltás előtt elvégezzük az OTR meghatározást, ami kb. 20 percet vesz igénybe. Ugyanabban a fermentorban végezve a kísérletet azonos tápoldat összetételt használva ezt természetesen nem kell minden alkalommal elvégezni, de a korábban mért értéket az adatlapra be kell tudni importálni.

Folyamatos nitrogén áramban kiszorítjuk a levegőt a tápoldatból, majd amikor a közel 0 %-os oxigénkoncentrációt elértük átváltunk levegőre és megkezdjük az adatgyűjtést.

Elapsed time [s] DO [%] -ln(1-DO/x)
3 0.1 0.0010005003
6 0.1 0.0010005003
9 1.8 0.0181639706
12 1.7 0.0171461588
15 2 0.0202027073
18 2.5 0.025317808
21 3.2 0.0325231917
24 4 0.0408219945
27 5.2 0.0534007767
30 6.8 0.0704224643

 

Az x itt a maximálisan elérhető oxigén koncentrációt jelenti, ebben az esetben 100 %, leggyakrabban ezt használjuk, de lehet az érték mg/L-ben is, így ez a bevitelei mezőt a felhasználónak kell kitöltenie. A táblázatban az első 30 mp mérési adatai vannak, ez valójában kb. 1000 mérési adatot tartalmaz, 3 mp-es adatgyűjtéssel, ami 17 percet vesz így igénybe. 

Egy kis okosság az oxigén oldhatóságáról

The concentration of dissolved oxygen (DO) in water is influenced by a number of factors, including water temperature, salinity and atmospheric pressure. The relationship between water temperature and DO is inverse: Cold water is able to “hold” more O2 than warm water. 

Számolás alapja

Első lépésként vesszük a DO negatív természetes alapú logaritmusát, amit, ha ábrázolunk az idő függvényében egy egyenest kapunk 1-hez közeli R2 értékkel. OTR, determination, dissolved, oxygen

Ennek a függvénynek a meredeksége a KLa – eredő folyadékoldali (térfogati) oxigénabszorpciós együttható[s-1]. Az alábbi almenü nyílhat mondjuk a beállítások menüből, itt el tudjuk nevezni és hozzá tudunk rendelni egy fermentort és egy tápközeg összetételt. 

Paraméter Érték Konst. C* számításhoz Érték
Keverés sebessége [rpm] 500 A 14.16
Levegőáram [sml/min] 200 B 0.3943
T [°C] 30 C 0.007714
C* [mg/L] 7.53 D 0.0000646
KLa [1/s] f(x) =
OTR [mmol/Lh] 3.93

 

Beviteli mezők összesen 5 db
Matematikai műveletet tartalmazó mezők összesen 3 db

 

Telítési oxigénkoncentráció számítása

C* = A – (B × T) + (C × T2) – (D × T3)

OTR számítása

OTR = KLa × C* × 60 × 60 /32

Mérési jegyzőkönyv: KLA meres

Nagy köszönet Bedő Somának a kísérlet megvalósításához nyújtott segítségéért, valamint a matematikai összefüggések rendelkezésünkre bocsájtásáért. 

Felhasznált irodalom:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *