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. 
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.
Oxigén telítési koncentrációjának (C*) számítása desztillált vízben adott hőmérsékleten és nyomáson
| 0°C < t < 30°C |
\[ DO = \frac{(P-p)\times 0.678}{35+t} \] |
| 30°C < t < 50°C |
\[ DO = \frac{(P-p)\times 0.827}{49+t} \] |
A számoláshoz használjuk EZT az oldalt.
A víz gőznyomását az adott hőmérsékleten és nyomáson a következőképpen számolhatjuk ki, ahol ahol a t hőmérséklet celsius fokban (C°), a p nyomás torrban (torr) van megadva. A számítás csak légköri nyomáson valid, ami 760torr, vagy 1 atm, a köztes hőmérséklet értékekhez tartozó gőznyomás számolása lineáris interpoláción alapul.
function H2OVaporPressure(t)
{
var vptable = new Array(4.579,4.926,5.294,5.685,6.101,6.543,7.013,7.513,8.045,8.609,
9.209,9.844,10.518,11.231,11.987,12.788,13.634,14.53,15.477,16.477,
17.535,18.650,19.827,21.068,22.377,23.756,25.209,26.739,28.349,30.043,
31.824,33.695,35.663,37.729,39.898,42.175,44.563,47.067,49.692,52.442,
55.324,58.34,61.50,64.80,68.26,71.88,75.65,79.60,83.71,88.02,92.51,97.20);
var low = Math.floor(t);
return vptable[low] + (t - low)*(vptable[low+1] - vptable[low]);
}
document.getElementById("demo").innerHTML = H2OVaporPressure(22.5);
Ezt számolást EZEN az oldalon tudjuk kipróbálni.
Felhasznált irodalom:
- Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes: an overview.
DOI: 10.1016/j.biotechadv.2008.10.006 - Oxygen Transfer Rate Determination: Chemical, Physical and Biological Methods
DOI: 10.1002/9780470054581.eib467 - BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK – SEVELLA BÉLA
- How can I predict oxygen solubility in water?
https://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/solutions/faq/predicting-DO.shtml - Water – Saturation Pressure vs. Temperature
https://www.engineeringtoolbox.com/water-vapor-saturation-pressure-d_599.html