Modeling of mixing in stirred bioreactors 4. mixing time for aerated bacteria, yeasts and fungus broths

Abstract

The mixing time for bioreactors depends mainly on the rheoiogicai properties of the broths, the biomass concentration and morphology, mixing system characteristics and fermentation conditions. For quantifying the influence of these factors on the mixing efficiency for stirred bioreactors, aerated broths of bacteria (P. shermanii), yeasts (S. cerevisiae) and fungi (P. chrysogenum, free mycelia and mycelial aggregates) of different concentrations have been investigated using a laboratory bioreactor with a double turbine impeller. The experimental data indicated that the influence of the rotation speed, aeration rate and stirrer positions on the mixing intensity strongly differ from one system to another and must be correlated with the microorganism characteristics, namely: the biomass concentration and morphology. Moreover, compared with non-aerated broths, variations of the mixing time with the considered parameters are very different, due to the complex flow mechanism of gas-liquid dispersions. By means of the experimental data and using a multiregression analysis method some mathematical correlations for the mixing time of the general form: tm = a1*Cx2+a2*Cx+a3*IgVa+a4-N2+a5-N+a6/a7*L2+a8*L+a9 were established. The proposed equations offer good agreement with the experiments, the average deviation being ?6.7% - ?9.4 and are adequate for the flow regime Re < 25,000.Vreme mesanja kod bioreaktora zavisi uglavnom od reoloskih osobina fermenatcione komine, koncentracije i morfologije biomase, karakteristika sistema u kome se ostvaruje mesanje i uslova pod kojima se realizuje fermentacija. U cilju kvantifikacije navednih uticaja na efikasnost mesanja u bioreaktoru sa mesanjem izvedena su prethodna ispitivanja sa suspenzijama bakterija (R shermanii), kvasca (S. cerevisiae) i gljiva (R chrysogenum, slobodne micele i agregati micela) razlicitih koncentracija u laboratorijskom bioreaktoru sa dve turbinske mesalice na jednoj osovini. Eksperimentalni rezultati su pokazali da je uticaj brzine obrtanja mesalice, intenziteta aeracije i pozicije mesalica na osovini znacajno razlicit od jednog do drugog ispitivanog sistema i da se on moze korelisati u funkciji karakteristika mikroorganizama, pre svega, koncentracije biomase i njene morfologije. Nadalje, kada se napravi poredjenje sa neaerisanim fermentacionim smesama istog sastava, promena vrednosti u parametru koji se definise kao vreme mesanja je razlicita, pre svega, zbog kompleksnog mehanizma pri mesanju disperzije gas-tecnost. Primenom multiregresione analize, na osnovu izmerenih vrednosti vremena mesanja (tm), izvedena je korelaciona zavisnost opsteg oblika: tm=a1*Cx2+a2*Cx+a3*IgVa+a4*N2+a5*N+a6/ a7*L2+a8*L+a9 gde je: Cx - koncentracija biomase; Va - zapreminski protok vazduha za aera-ciju fermentacione komine, N - broj obrtaja mesalice, L - rastojanje izmedju dve turbinske mesalice, i ai-a9 odgovarajuce vrednosti konstanti. Korelacija ovog oblika daje dobro slaganje sa eksperimentalnim podacima, sa srednjom disperzijom od +6.7% do +9.4 za ispitivane fermentacione medijume, pri rezimu mesanja u bioreaktoru koji je okarakterisan odgovarajucim Rejnoldsovim kriterijumom mesanja, Re < 25000.