همزن ها در صنایع تخمیری و بیوتکنولوژی 

تلگرام آرایشی بهداشتی تبلیغ کتاب شوینده ها

همزن ها در صنایع تخمیری و بیوتکنولوژی

نویسنده:

ehsan hosnani
گردآوری، ترجمه و نگارش: احسان حُسنانی
کارشناس ارشد مهندسی شیمی گرایش بیوتکنولوژی ، دانش آموخته دانشگاه تربیت مدرس تهران


چکیده: یکی از ماموریتهای صنعت تخمیر، طراحی بیوراکتور برای تولید پلی ساکاریدهای با رئولوژی پیچیده است.

همزن های گرمایشی و سرمایشی

در بسیاری از موارد لازم می شود هم زدن با انتقال حرارت (گرمایش و سرمایش) توأم گردد. جهت گرمایش استفاده از تماس مستقیم با آتش روشی است که بسیار به ندرت به کار می رود زیرا کنترل دمای سطح در این حالت مشکل است و باعث سوختگی سطحی مواد(scorch) در سطح دیواره ظرف خواهد شد. استفاده از بخار آب بهترین و اقتصادی ترین روش گرمایش است و بیشترین کاربرد را در میان بقیه روشهای حرارت دادن دارد زیرا گرمای نهان بخار آب بسیار بالا است و حرارت به صورت یکنواخت منتقل می گردد. حرارت بخار آب را از دو طریق می توان در همزن ها به کار گرفت :
الف - استفاده از کویل حرارتی بخار(steam coil)
ب- استفاده از ژاکت حرارتی بخار(steam jacket)

افزایش مقیاس همزن ها( scale-up)

بدیهی است تنها تشابه هندسی جهت افزایش مقیاس کافی نیست. زیرا مثلاً در مورد همزن ها وقتی اندازه افزایش می یابد نسبت سطح به حجم کاهش می یابد ، لذا پارامترهای بسیاری از جمله نرخ تنش تغییر می یابد. مبنای اولیه در افزایش مقیاس همزن های ناپیوسته (batch) ، «توان بر واحد حجم تانک» و در همزن های پیوسته «توان بر واحد دبی خوراک» می باشد.
همچنین باید این نکات را در نظر داشت:
- زمان اختلاط(blend-time) و زمان گردش(circulation-time) درهمزن های با تانک های بزرگ بیشتر از همزن های با تانکهای کوچک است.
- ناحیه ای که درآن نرخ تنش تغییر می کنددر تانک های بزرگ، بزرگتر است لذا در تانکهای مقیاس بالا نرخ تنش متغیر تر است.
- عدد رینولدز در تانکهای بزرگ حدود 5 تا 25 برابر بزرگتر از تانک های کوچک است.
- در سیستم های گاز- مایع، افزایش سرعت خارجی گاز باعث افزایش زمان کلی سیرکوله شدن(overali circulation time) می گردد.

تخمیر پلی ساکاریدها

تولید انبوه پلی ساکاریدهای میکروبی مثالی از صنعت تخمیر با سود سرشار است. یکی از جالبترین ماموریتهای صنعت تخمیر امروز، طراحی بیوراکتور برای تولید پلی ساکاریدهای با رئولوژی پیچیده با کیفیت بالا و پایدار می باشد. کیفیت در این متن به وزن ملکولی بیوپلیمر اشاره دارد که آن هم به نوبه خود، خواص ویسکوزیته دهندگی را تعیین می کند. صمغ زانتان(Xanthan)، صمغ گلان(Gellan)، پولونان(Pullunan)، آلژینات(Alginate) ، کردلان(Curdlan) و گلوکان(Glucan) مثالهایی از این پلی ساکاریدهای با رئولوژی پیچیده می باشند. با وجود پیشرفت هایی که تکنیک های انتخاب سویه در گذشته و مهندسی ژنتیک در زمان حاضر برای افزایش بالقوه حداکثر بهره وری و حداکثر غلظت قابل دستیابی محصول داشته اند، دو پارامتری که بهره وری در این فرایندها شدیداً به آن ها وابسته است عبارتند از:
- اختلاط توده
- انتقال جرم اکسیژن
این دو پارامترخود، توسط عواملی مانند طرح ظرف(Vessel design)، نوع پره(Impeller type) ، خواص رئولوژیکی و ترکیب درصد اجزاء سیال کنترل می شوند.
این مسائل نوعی که در ذات تخمیرهای ویسکوز وجود دارند باانتخاب صمغ زانتان به عنوان مدل، در این متن مورد بررسی قرار گرفته و گزارش شده است. صمغ زانتان یک پلی ساکارید برون سلولی(Extracellular ) است که توسط زانثوموناس کمپستریس(Xanthomonas campestris) تولید و از نظر تجاری مهمترین پلی ساکارید باکتریایی محسوب می شود. این ماده دارای کاربردهای فراوانی به عنوان عامل افزایش دهنده ویسکوزیته و پایدار کننده در صنایع غذایی، دارویی و پتروشیمی است.
از آنجا که هزینه فرایندهای پایین دستی تعیین می کند که آیا تولید از نظر تجاری، شدنی (Feasible) است یا خیر، غلظت بالای محصول (بالاتر از 25گرم بر لیتر) امری ضروری می باشد.
تا کنون تحقیقات زیادی برای حل دو مشکل اختلاط ضعیف توده و میزان کم انتقال جرم اکسیژن در تخمیر صمغ زانتان اختصاص یافته است. در اینکه گلوگاه فرایند (Process bottleneck) در تخمیر پربهره (Highly productive) صمغ زانتان مربوط به این دو پارامتر می شود در نوشتجات (Literatures) اتفاق نظر وجود دارد. اما تفسیر (Interpretation) نتایج تجربی در ارتباط با این مسائل، به علت عدم توانایی(Inability) در جداسازی متغیر انتقال اکسیژن از متغیر عدم یکنواختی ظرف مشکل است.
انباشته شدن صمغ برون سلولی، موجب پیچیدگی های رئولوژیکی می گردد. ایجاد «ناحیه حرکت قابل توجه» (Significant motion zone) که کاو (Cavern) نام دارد و حول محور همزن تشکیل می شود و «نواحی عمدتاً ثابت» (Essentially stagnant zones) که در جاهای دیگر تشکیل می شوند دو مثال از این پیچیدگی های رئولوژیکی است. اندازه کاو توسط خواص سیال، توان ورودی و طرح همزن (Agitator design) کنترل می شود و به عنوان یکی از عوامل محدود کننده در فرایند تخمیر در نظر گرفته می شود. بنابراین یکنواختی براث (Broth) برای ابقای سطح بهینه اکسیژن حل شده، دما، پ هاش و همچنین برای ممانعت از ایجاد گرادیان در این پارامترها اهمیت دارد. علاوه بر آن، انتقال اکسیژن در این براث های ویسکوز به طور فزاینده ای مشکل است.

توصیف رئولوژیکی صمغ زانتان

در طی تخمیر، ترشح پلی ساکارید باعث می شود که ویسکوزیته ظاهری براث تا سه برابر افزایش یابد. در ابتدا براث یک سیال نیوتونی و دارای جریان متلاطم است. اما با افزایش تجمع صمغ، این براث به طور فزاینده ای ویسکوز و غیر نیوتنی می شود و عدد رینولدز آن در رژیم گذار قرار می گیرد. ویسکوزیته سیال بالاست اما با افزایش تنش ویسکوزیته کاهش می یابد. رفتار سیال دراین حالت می تواند با مدل قانون توان(Power law model) توصیف شود. بطوریکه اندیس قوام (Consistency Index) یعنی عدد K بین 0تا 70 N/m2.Sn و اندیس رفتار سیال (Fluid behavior Index) که آن را با n نشان می دهیم از 1 تا 0.1 (بدون واحد) تغییر می کند.
Power law Model: τ = Kγn
(اندیس قوام)K = 0 – 70 N/m2. Sn (Consistency Index)
(اندیس رفتار سیال) n = 1 - 0.1 (Fluid behavior Index)
اندیس رفتار سیال در غلظتهای بالای 20 g/L معمولا ثابت ( کوچکتر از 0.2) باقی می ماند. به علاوه در غلظتهای بالای 10 g/L تنش تسلیمی به دست می آید که می توان آن را بوسیله تطبیق دادن (Fitting) مدل کاسون (Casson model) با داده های دامنه نرخ تنش بین 0.1 تا 0.2 S-1 به دست آورد.
تاثیر سرعت همزدن و اکسیژن حل شده بر تخمیر زانتان

1- اثر سرعت همزدن:

سرعت همزدن برهر دو پارامتر بزرگی حرکت (Extent of motion) و میزان انتقال اکسیژن(Rate of oxygen transfer) اثر می گذارد. بنابراین با تغییر سرعت همزدن، علاوه برغلظت اکسیژن محلول، همگونی فضایی(Spatial uniformity) آن نیز دستخوش تغییر می شود. جداسازی این برهمکنش های پیچیده با روش زیر صورت پذیرفت (امان ا... و همکاران.، 1998ج). ابتدا اثر سرعت های 500 و 1000 دور بر دقیقه با استفاده از سه پره توربینی راشتون (Rushton turbine) با D/T = 0.5 در یک مقیاس 6 لیتری با غلظت ثابت و 20 درصدی ازاکسیژن محلول ارزیابی شد. در این شرایط کنترل شده، نتایج نشان داد که درصورت یکنواختی براث، عملکرد بیولوژیکی کشت مستقل از سرعت همزدن (یا تنش برشی) می باشد.


در غلظتهای کمتر از 20 g/L تفاوتی در کارایی بیولوژیکی کشت با تغییر سرعت همزدن، دیده نشد. اما در غلظتهای بالاتر، اختلاط بالاترتوده (Superior bulk mixing) باعث جذب میکروبی بیشتر اکسیژن در دورهمزن 1000 در مقایسه با دور 500 شد. با گسترش پیچیدگی رئولوژیکی نواحی ساکن در غلظتهای بیشتر از 20g/L به علت اختلاط بالاتر توده (Superior bulk mixing) در دورهای 1000 نسبت به دور500، نسبت سلولهای فعال متابولیکی و بنابراین نرخ جذب اکسیژن افزایش یافت. از این بررسی می توان نتیجه گرفت که در یک اندازه کاو(Cavern) مشخص با اکسیژن حل شده یکسان، میزان تولید ویژه زانتان مستقل از سرعت پره، یکسان باقی می ماند. کاهش میزان تولید ویژه زانتان در فاز تولید پدیده ای قابل انتظار است چون تولید زانتان تا اندازه ای وابسته به رشد (Partly growth associated) است. هر چند در بسیاری ازموارد که غلظت توده زیستی تقریبا ثابت است در سراسر فاز تولید کاهش پیوسته ای در میزان تولید وجود دارد.
پیتر و همکاران (الف1989) به این نتیجه رسیدند که محدودیت اکسیژن هرطور شده باید برطرف شود چه با افزایش سرعت همزدن چه با استفاده از اکسیژن هوای غنی شده.

2- اثر اکسیژن حل شده

میزان جذب ویژه اکسیژن (Specific oxygen uptake rate) کشت در فاز نمایی با آنالیز داده های حاصل از آنالیز گاز در حالت پایا به دست آمد و مشخص شد که در بالاتر از 6 درصد هوای اشباع مستقل از اکسیژن حل شده است در حالیکه میزان رشد ویژه کشت حتی تا سطوح به پایینی 3درصد تحت تاثیر اکسیژن حل شده قرار نگرفت.

تعیین اندازه کاو

همانطور که پیشتر بحث شد در n ≤ ~0.3 کاو تشکیل می شود. برای طراحی و بهره برداری از بیوراکتور تعیین اندازه کاو به صورت تابعی از رئولوژی سیال و شرایط همزدن مهم است.
دو روش برای دستیابی به این هدف به کار گرفته شده است.
1- روش السون و نینو(EN model) که بر مبنای مفهوم تنش تسلیم (حداقل تنش برشی لازم برای وادار کردن سیال به حرکت) استوار است. در این روش از دو معادله هرشل-باکلی (HB) و کاسون (Casson) استفاده شده است که به صورت زیر می باشند:
Herschel-Bulkley(HB) eq. τHB=(τy)HB + KHBγnHB
Casson eq. τ0.5 = (τy)0.5C + KCγ0.5
در معادلات بالا متغیرها عبارتند از:
τ: تنش برشی سیال، τy: تنش تسلیم سیال، γ: نرخ تنش سیال، :Kاندیس قوام، :nاندیس رفتار جریان سیال با استفاده از موازنه گشتاور(Torque balance) و مساوی قرار دادن تنش ایجاد شده توسط پره همزن در فصل مشترک کاو(Cavern boundary) با تنش تسلیم سیال و فرض کروی بودن کاو می توان قطر آن را(Dc) به دست آورد.
شکل16 نمایش کاو کروی و پارامترهای مربوط به آن این مدل فیزیکی که در سال 1981پیشنهاد شده بود بعدا در سال 1986 با فرض استوانه ای بودن کاو اصلاح شد. در این مدل فرض شد که کاو به صورت استوانه ای عمودی با ارتفاع Hc است که مرکز آن پره همزن می باشد.
2- روش امان ا... (1998) بر مبنای سرعت سیال است. در این روش ممنتم کل ایجاد شده توسط پره به صورت مجموع مولفه های مماسی (Tangential) و محوری (Axial) در نظر گرفته شد و کاو را حلقوی شکل (Torus-shaped) فرض کرد.
شکل17 نمایش کاو حلقوی شکل و پارامترهای مربوطه (مرجع4)
نشان داده شده که این مدل برای سیالاتی که در اثر تنش برشی ویسکوزیته شان کم می شود (Shear-thinning fluids) بهتر از مدل EN بوده است. شعاع کاو حلقوی (rc) توسط معادله زیر به دست می آید: rc 1-2/n = vo[(2/n-1)(4π2K/F)1/n] + b1-2/n
در معادله فوق rc= Dc/4، B=T/4، V0 سرعت سیال در فصل مشترک کاو است. F در معادله فوق کل نیروی اعمال شده توسط پره همزن (شعاعی یا محوری) است که توسط رابطه زیر تعریف می شود:
F = ρN2D4 [Nf2 + (4Po/3π) 2]0.5
Po: عدد توان
Nf: عدد نیروی محوری (Axial force number) که به صورت زیر می باشد:
Nf = Fa / ρN2D4
عدد نیروی محوری (Nf) همانند عدد توان (Po) برای ظروف با شکل هندسی مشابه یک پارامتر مستقل از مقیاس(Scale-independent) است. البته انتظار می رود به عدد رینولدز و پیکربندی (Configuration) پره همزن بستگی داشته باشد. برای پره های جریان شعاعی (Radial flow) نیروی محوری (Axial force, Fa) مقادیر بسیار کوچکی دارد بنابراین در این نوع پره ها Nf = 0، در حالیکه برای پره های جریان محوری مقدارش بزرگ و به راحتی قابل اندازه گیری است.
وقتی کاو به دیوار ظرف برسد نوع پره تاثیر کمی بر اتساع عمودی سیال در اثر افزایش سرعت همزن دارد. ارتفاع کاو در این حالت طبق رابطه زیر با سرعت پره (Impeller speed) تغییر می کند:
Hc α Np
مقادیرHc/Dc و p هم وابسته به پره (Impeller dependent) هستند. وقتی سرعت پره (Impeller speed, N) از سرعت همزن (Agitator speed, Nw) بیشتر باشد ارتفاع کاو (Hc) از رابطه زیر به دست می آید:
Hc / Hcw = (N / Nw)p
Hcw ارتفاع کاو است وقتی Dc = T، بنابراین طبق تعریف:
Hcw = (Hc/Dc)T

تاثیر نوع پره بر کارایی تخمیر زانتان

امان ا... و همکاران عملکرد فیزیکی و بیولوژیکی 4 پره با مشخصات زیر را در یک فرمنتور 150 لیتری مقایسه کردند.
1- Standard Rushton turbine (SRT, D/T = 0.33)
2- Large diameter Rushton turbine (LRT, D/T = 0.42)
3- Prochem Maxflo T (PMD, D/T = 0.44)
شکل 18 Prochem impeller
4- Scaba c (SRGT, D/T = 0.54)
کل انرژی همزدن لازم برای انجام فرایند تخمیر با انتگرال گیری توان مخصوص ورودی (Specific power input) نسبت به زمان تخمیر (Fermentation time) قابل محاسبه است. کمترین انرژی لازم مربوط به همزن PMD بود که مقدار آن 270وات ساعت بر کیلوگرم محاسبه شد. بعد از آن SRGT با 7درصد، SRT با 14درصد و LRT با 28درصد بیش از این مقدار محاسبه شدند.
بر مبنای غلظت و کیفیت صمغ آنچنان که با اندازه گیری ویسکوزیته تعیین شد بهترین نتایج با LRT به دست آمد و صمغ با پایین ترین کیفیت مربوط به PMD بود. در حالیکه همان طور که ذکر شد همزن PMD از نظر مصرف انرژی بهترین گزینه بود. بنایراین طبق هیچ کدام از معیارهای بالا SRT گزینه مناسبی نبود.



منابع:

[1] Perry, R.H. & Green, D.W. (1973) Perry's Chemical Engineers' Handbook (Fifth edition). New York, N.Y., USA: McGraw Hill. pp. 19-3 to 19-9.
[2] Amanullah A., Buckland B.C., Nienow A,W, Mixing in the Fermentation and Cell Culture Industries, Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice (Chapter 18), E. L. Paul,V. Atiemo-Obeng and S.M. Kresta, Editors, John Wiley and Sons, New York, 2004.
[3] The influence of impeller type in pilot scale Xanthan fermentations, A. Amanullah *, L. Serrano-Carreon , B. Castro , E. Galindo, A. W. Nienow ; Biotechnology and Bioengineering journal, Biotechnol Bioeng 57: 95-108, 1998. John Wiley & Sons, Inc.
[4] A new mathematical model to predict cavern diameters in highly shear thinning, power law liquids using axial flow impellers , A. Amanullah, S. A. Hjorth and A. W. Nienow, Chemical Enqmeering Science, Vol. 53, No. 3, pp. 455 469, 1998
[5] Robert J. Wilkens - Christopher Henry - Lew E. Gates, How to Scale-Up Mixing Processes in Non-Newtonian Fluids, http://www.aiche.org/uploadedFiles/CEP/Issues/050344.pdf


مطلب قبلی: میکروسکوپی

مطلب بعدی: آلتراموناس ماکلئودی

معادل انگلیسی اصطلاحات تخصصی این مطلب

1- باکتری = Bacterium
corynebacterium xerosis = کورینه باکتری زروسیس 

propionibacterium acnes = باکتری های پروپیونی آکنه
2- همزن = Mixer
turbine type mixers = همزن های توربینی


تلفظ very large mixer ↓
3- ویسکوزیته = Viscosity
4- ارزیابی = Assessment
self-assessment = خودارزیابی
5- بخار آب = Steam
facial steam = بخور صورت


تلفظ facial steams ↓


تلفظ inhalation from diffusers, inhalers, steam treatments ↓


تلفظ steam distillation ↓
6- سمی = Toxic
acute oral toxicity = مسمومیت دهانی حاد 

aquatic toxicity = سمیت آبی 

cytotoxicity = سمیت سلولی 

ecotoxicity = سمیت محیطی 

non toxic = غیر سمی

phototoxicity = سمیت نوری 


تلفظ exposure to toxic chemicals ↓


تلفظ non toxic ↓


تلفظ toxicity ↓
7- قانون = Regulation
cosmetics regulations = قوانین و مقررات آرایشی بهداشتی

osmoregulation = تنظیم تراوایی، اسمو رگولاسیون

natural regulation = تنظیم طبیعی

Scalp hyperseborrhea regulation = تنظیم فعالیت بیش از حد غدد چربی پوست سر

downregulation = کاهش

Seborrhea regulation = تنظیم ترشح چربی


تلفظ cosmetics regulations ↓


تلفظ regulation ↓
8- پیوسته = Continuously

تلفظ continuously ↓
9- انتقال حرارت = Heat Transfer
10- پلی ساکارید = Polysaccharide
exopolysaccharide = پلی ساکاریدهای برون سلولی

sulphated polysaccharides = پلی ساکاریدهای سولفاته


تلفظ polysaccharides ↓
11- تخمیر = Fermentation
12- انتقال جرم = Mass Transfer
13- هم زدن = Mixing
14- انباشته = Built Up
15- جار = Jar

تلفظ blender jar ↓
16- صمغ زانتان = Xanthan Gum
17- تلاطم = Turbulence
18- رئولوژی = Rheology

مطلب فوق را در شبکه های اجتماعی زیر با دوستانتان به اشتراک بگذارید



اگر مطالعه این مطلب برایتان مفید بود، روی دکمه زیر کلیک کنید !