OUR – Oxygen Uptake Rate – Oxigén felvételi ráta
Oldott oxigén szenzor jele alapján és a fermentorban korábban meghatározott kLa érték alapján tudjuk számolni a sejtek oxigén felvételi rátáját.
OUR = kLa ([O2]* – [O2]) – d[O2]/dt
| Jele | Neve | Mértékegysége |
| OUR | Oxigén felvételi ráta | mmol/L*h |
| kLa | Eredő folyadékoldali (térfogati) oxigénabszorpciós együttható | 1/h |
| [O2]* | Telítési oxigén koncentráció | mg/L |
| [O2] | Aktuális oldott oxigén koncentráció | mg/L |
Az OTR meghatározásról bővebben ITT olvashatsz.
Egy tipikus oxigén telítési görbe. Az idő függvényében ábrázoltuk az oxigén telítettséget és ennek természetes alapú logaritmusát. A szemi logaritmikus függvényünk 20-80% oxigén telítettségi értékei közötti szakaszra egyenest illesztünk, aminek a meredeksége megadja kLa értékét, ami ebben az esetben 0.0048691 1/s.
Az oxigén átadási rátát a kLa és a [O2]* szorzata adja, ennek a mértékegysége ekkor mg/L*s, de ezt érdemesebb mmol/L*h -ban kifejezni, ehhez a kapott értéket megszorozzuk 3600-al (1h = 3600s) és elosztjuk 32-vel (n=m/M; MO2=32g/mol), így az OTR = 4.12 mmol/L*h. Ez az érték kifejezi, hogy az aktuális beállítások mellett (keverés sebessége, levegőáramlás sebessége, keverőlapát típusa, a média összetétele, hőmérséklet, stb.) 1L oldatba egy óra alatt 4.12 mmol oxigén oldódik be, ami 131.84 mg. A fermentorok egyik legfontosabb paramétere az OTR, ez nagyon jó alapot ad pl. különböző bioreaktorok összehasonlítására.
Az OUR meghatározásánál a mérést olyan közegben végezzük, ahol már mikrobák is jelen vannak, amik az anyagcseréjük fenntartásához oxigént vesznek fel (aerob szervezetek) a tápközegből.
Az oxigén felvételi ráta az elmenő CO2 ás O2 szenzorok jele, valamint a levegőáramlás és fermentlé térfogatának ismeretében a következő képlettel számolható.
| Jele | Megnevezés | Példa érték | Mértékegysége |
| F | Gázáram | 1 | L/h |
| KO2 | Konverziós konstans | 24.20* | mmol·min/(l·h·%) |
| ρ | Sűrűség | 1.291** | g/L |
| M | Molekulatömeg | 32.00 | g/mol |
| xO2in | Mólszázalék | 20.95 | % |
| xO2out | Mólszázalék | 18 | % |
| xCO2in | Mólszázalék | 0.04 | % |
| xCO2out | Mólszázalék | 2 | % |
| V | Fermentlé térfogata | 1 | L |
* Oxigén sűrűsége 25oC-on (298.15K) és 1bar nyomáson
** Az aktuális oxigén sűrűsége alapján számolt érték
Oxigén sűrűség adatai különböző hőmérsékleten
| T/K | P/atm | ρ/kgm-3 |
| 260 | 1 | 1.482 |
| 280 | 1 | 1.376 |
| 300 | 1 | 1.284 |
| 320 | 1 | 1.203 |
| 340 | 1 | 1.132 |
| 360 | 1 | 1.069 |
| 400 | 1 | 0.9622 |
CRC Handbook of Chemistry and Physics — Thermophysical Properties of Fluids 6-22
A köztes értékek lineáris interpolációval számolhatóak a következő képlettel
\[ y_{n}= \frac{x_{n}-x_{1}}{x_{2}-x_{1}}\cdot (y_{2}-y_{1})+y_{1} \]
Mintapéldánkban 270K hőmérséklet mellett számoljuk ki az oxigén sűrűségét. 260K és 280K értékekhez tartozó sűrűségek a táblázatból kiolvashatóak.
| x1 = 260 | y1 = 1.482 |
| x2= 280 | y2 = 1.376 |
| xn = 270 | yn = 1.429 |
Ezen az oldalon található egy javascript kód, amivel 1bar nyomáson és -183 – 727 oC tartományban számolható az oxigén sűrűsége: https://www.engineeringtoolbox.com/oxygen-O2-density-specific-weight-temperature-pressure-d_2082.html
function calc(v){
var cv = 0.00000000000000004093*v**6 - 0.00000000000010068257*v**5 + 0.00000000010031979299*v**4 - 0.0000000540751293784*v**3 + 0.0000187983107137061*v**2 - 0.00523212981550308*v + 1.41127289814733 ;
return cv; }
document.getElementById("demo").innerHTML = Math.round((calc(tempInCelsius))*1000)/1000;
Ismerkedjünk meg a tömegáram szabályozók működési elvével, valamit a jelölések értelmezésével
A tömegáram szabályozók automatikusan szabályozzák a beállított áramlási értéket, függetlenül a bemenő gáz nyomás és hőmérséklet változásától.
 |
 |
A képen balra a Bronkhorst egyik áramlásszabályozója, külsőre egy bemenő és egy kimenő oldali csőcsatlakozó, egy elekromágneses elven működő szelep, valamint a műszerház látszik. Ennek a keresztmetszeti képét kinagyítva végigkövethetjük a bejövő gáz útját. Itt az első fontos állomás azon terelőkorongok, amelyek a bejövő turbulens gázáramot laminárissá alakítják, majd a gázáram útját kettéválasztják. Egy nagyon kis hányada a szenzorok felé megy, ami később visszatér a főáramba. A mellékáramú csővezetéken kettő hőmérséklet szenzor és ezek között egy fűtőszál helyezkedik el, a képen arany színnel jelölve. Az áramlás mérése így egy differenciális hőmérsékletmérésen alapul. Tételezzük fel, hogy nincs áramlás, a középső fűtőszál pedig konstans hőmérsékleten fűt(pl. 50oC), ekkor a két hőmérséklet szenzor ugyanazt az értéket mutatja, mondjuk 25oC. Amikor megindítjuk az áramlást, mondjuk 100mLn/min sebességgel, akkor az első hőmérséklet szenzor kevesebbet fog mérni (22oC) a második szenzor pedig többet 28oC, a fűtőszálunk továbbra is 50 oC-os. Az elektronika ez alapján kiszámolja az áramlás sebességét. Gondoljuk végig, ha az áramlás 200mLn/min, akkor az első szenzorunk szintén 22oC mér, viszont a második szenzor kevesebbet, mondjuk 27oC-ot, mert, több molekulánk van, így ugyanaz a hőmennyiség több molekulának adódik át, a nagyobb tömeg lassabban melegszik fel. Mint a hajszárító esetében, amikor egy 1500W-os teljesítményű fűtőszállal szerelt hajszárító egyes fokozaton melegebb levegőt fúj mint kettes fokozaton, ahol a levegő áramlása gyorsabb.
Mostanra talán érthető a tömegáram szabályozók működésének az elve, de miért is hívjuk őket tömegáram szabályozónak és mit jelent a mln/L jelölés, és miért független ez a nyomástól és a hőmérséklettől.
Ehhez egy kicsit el kell merülnünk a gáztörvények világában, nézzük is a következő ábrát. Kövessük az ábra logikáját és lássuk, hogy az első esetben nagyobb a térfogat a másodikban kisebb, de az anyagmennyiség változatlan. Vegyük ezt a 6db molekulát alapul, amelyek keresztülhaladnak a fűtőszálon, így hőenergiát vesznek fel, mindkét esetben ugyanannyit, mivel ugyanannyian vannak, hogy a térfogatuk más, az nem releváns, mert maga a molekula veszi fel az adott hőmennyiséget és továbbítja a második hőmérséklet szenzor felé. A hőmérséklettel ugyanez a helyzet, van a 6 molekulánk, ha ezt felmelegítjük, akkor megnő a térfogatuk, vagy, amennyiben zárt térben tesszük ugyanezt akkor a nyomás nő meg.
A tömegáram szabályozót gyárilag a kért gázra kalibrálják, és a felhasználó által leolvasható értéket többnyire sztenderd, vagy normál állapotra vonatkoztatva adják meg, mi sL/min, vagy nL/min, sccm/min, vagy mLn/min, de lehet bármi köbméter, vagy óra, a lényeg a s, vagy az n jelölés, ami egyedi hőmérséklet, vagy nyomás estében a következőképpen is kinézhet ccm @ 25oC, 101.325kPa, LPM @ 20oC , 1013.25 mbar
van egy bejövő áramunk, mondjuk 100mL/min, ennek hőmérséklete 20oC, ezt méri az első hőmérséklet szenzor, majd elérjük a fűtőszálat, aminek a hőmérséklete konstans 50oC, itt a gázunk kissé felmelegszik, ezt követően a második szenzorunk mér mondjuk 22oC-ot.
majd az útjuk folytatódik az elektromágnese szelep felé. A szenzor jele alapján a szabályozó elektronika a szelep, föl-le mozgatásával beállítja a kívánt áramlási értéket.