Tutuklanmış A. niger ile sitrik asit üretiminin gerçekleştiği üç fazlı dolgulu kolon biyoreaktörün modellenmesi
Modeling of a three phase bioreactor with packed immobilized A. niger for the production of citric acid
Yazar: EMİNE BAYRAKTAR
Danışman: DOÇ. DR. ÜLKÜ MEHMETOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1998
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aspergillus = Aspergillus ; Biyoreaktörler = Bioreactors ; Sitrik asit = Citric acid

Özet:
Tutuklanmış mikroorganizmalarla dolgulu kolon biyoreaktörlerde endüstriyel biyokimyasal-ların üretimi son yıllarda büyük önem kazanmaktadır. Dolgulu kolon biyoreaktörde tutuklanmış mikroorganizmalarla üretimin gerçekleştirilmesinde en önemli avantaj verimliliğin yüksek olmasıdır. Bu çalışmada, sitrik asit üretimine etki eden parametrelerin incelenmesi, üretim kinetik modelinin belirlenmesi, dolgulu kolon biyoreaktörde sitrik asit üretiminin modellenmesi ve çözümü, bu çözüm için gerekli olan eksenel dağılım katsayısının bulunması, sıvı holdup'ın belirlenmesi ve Bodenstein sayısını (tanecik Peclet sayısı) veren korelasyon ile sıvı hold-up'ı veren korelasyonun geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın birinci kısmında A.niger mikroorganizması ile sitrik asit üretimi üzerine çalışılmıştır. Serbest mikroorganizma ile sitrik asit üretim ortamı modifîye edilmiş, pH etkisi araştırılmış, pH=2 ve pH=4.5 değerlerinde sitrik asit derişiminin iki maksimum verdiği bulunmuştur. Tutuklanmış A. niger'm ön aktivasyon süresi incelenmiş ve bu sürenin 2 gün olduğu ortamdaki azot derişiminin ise 0.05 g/L olması gerektiği tespit edilmiştir. Tutuklanmış mikroorganizma Ue sitrik asit üretimine azot derişiminin, oksijen ve hava kullanımının, oksijen akış hızının, başlangıç sakkaroz derişiminin etkisi incelenmiştir. Tutuklanmış mikroorganizma için gözlenen sitrik asit üretim kinetiği araştırılmış ve substrat aktivasyon modeline uyduğu tespit edilmiştir. Gözlenen kinetik parametreler Marquardt-Levenberg paket programıyla belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında, sıvı faz Peclet sayısının bulunduğu deneyler dolgulu kolonda abiyotik olarak gerçekleştirilmiştir. Pulse tipi izleyici girişinin yapıldığı sistemde, 1.91xl0"5 - 8.81xl0"5 m/s sıvı hızı, 1.47x10 3 - 11.0x1 0"3 m/s gaz hızı ve 1.55-4.10 mm tanecik çapı aralığında deneyler yapılmıştır. Peclet sayısının sıvı hızından etkilenmediği, gaz hızının artmasıyla azaldığı, tanecik çapı/reaktör çapı oranının artmasıyla azaldığı bulunmuştur. Sıvı holdup'ın ise sıvı hızının artmasıyla arttığı, tanecik çapı/reaktör çapının artmasıyla azaldığı ve gaz hızından etkilenmediği bulunmuştur. Bodenstein sayışım gaz faz tanecik Reynolds sayısına ve tanecik çapı/reaktör çapı oranına bağlayan korelasyon ve sıvı holdup'ı sıvı faz tanecik Reynolds sayışma ve tanecik çapı/reaktör çapı oranına bağlayan korelasyon verilerin Marquardt-Levenberg paket programıyla değerlendirilmesinden bulunmuştur. Dolgulu kolon biyoreaktörün eksenel dağdım etkilerini içeren matematiksel modeli yazılarak elde edilen ikinci mertebeden diferansiyel denklem ve üçüncü dereceden cebirsel denklemler eşanlı olarak Danckwerts sınır koşullarında, modifiye edilmiş paket programla bilgisiyarda çözülmüştür. Tutuklanmış mikroorganizma ile dolgulu kolonda, farklı sakkaroz derişimlerinde ve farklı akış hızlarında sitrik asit üretimi gerçekleştirilmiştir. Kolon boyunca alman örnekler analizlenerek model sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve iyi bir uyum sağladığı gözlenmiştir. ANAHTAR KELJMELER^4.R%er, sitrik asit, üç fazlı dolgulu kolon, Peclet sayısı, eksenel dağılma

Abstract:
In recent years, the use of packed bed bioreactors stuffed with immobilized microorganisms have become of great importance for the production of industrial biochemicals. The principal advantage of these processes is the higher rate of productivity. In this study, the parameters affecting on citric acid production were investigated and a kinetic model was built for the production of citric acid was determined. In addition, a mathematical description of the system was developed, axial dispersion coefficient was obtained and the correlations which yield the Bodenstein number (particle Peclet number) and liquid hold up were improved. At the first part of this study, citric acid production was carried out using A.niger microorganisms. Production medium was modified with free microorganisms and the effect of pH on the production rate was investigated. It was found that the citric acid concentration have two maxima at the pH values of 2 and 4.5. The preactivation period of immobilized A,mger was investigated. It was found that nitrogen concentration has to be kept at 0.05 g/L and that A.niger becomes preactivated in two days. The effects of nitrogen concentration, flow rates of air and oxygen and the initial sucrose concentration on the production of citcic acid using immobilized microorganisms were explored. The apparent citric acid production kinetics was studied using immobilized microorganism. Results were found to agree with Substrate Activation Model The apparent kinetic parameters were calculated by Marquardt-Levenberg aproach. At the second part of this study, the experiments to obtain liquid phase Peclet number were carried out under abiotic conditions in a packed bed bioreactor. The pulse tracer input experiments were performed at liquid flow rates ranging in 1.91*10"s-8.81*10'sm/s, gas flow rates ranging in 1.47* 10"3 - 11.0*10 3 m/s and particle diameters ranging in 1.55 - 4.10 mm. It was found that the Peclet number was not influenced from liquid flow rate, however decreased with increasing gas flow rate and particle/reactor diameter ratio (dp/De). Also, It was found that liquid hold-up was not influenced from gas flow rate, however increased with increasing liquid flow rate and decreased with increasing dp/De ratio. The correlation which connected the Bodenstein number to gas phase particle Reynolds number and dp/Dc ratio and the correlation which connected the liquid hold-up to liquid phase particle Reynolds number and dp/Dc ratio were found using Marquardt-Levenberg approach. The mathematical model taking axial dispersion into account for the packed bed bioreactor with was built and the resulting second order differential equation together which a third order algebraical equation were solved simultaneously at die Danckwerts Boundary Conditions by numerical techniques. Production of citric acid was carried out at various sucrose concentrations and flow rates in the packed bed using immobilized microorganisms. Samples were taken at different locations and results were compared with model predictions. It can be concluded that the model closely represents experimental conditions. KEYWORDS: A.niger, citric acid, three phase packed bed, Peclet number, axial dispersion,.