Visuelle metoder giver ny indsigt i boblestørrelser, blandingstider og iltoverførsel i bioreaktorer.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Emilie Overgaard Willer, Camilla Tue Baastrup, Ulrich Krühne og John M. Woodley, DTU Kemiteknik
Ilt er livsnødvendigt – ikke kun for mennesker, men også for de mikroorganismer, der driver en lang række industrielle processer. I mange aerobe fermenteringer og kemiske produktioner er iltoverførslen derfor afgørende for, hvor godt processen fungerer. Udfordringen er, at ilt har lav opløselighed i vand. Det gør det svært at sikre en effektiv transport af ilt fra gasboblerne til væsken, dermed bliver iltoverførslen ofte en flaskehals, som begrænser både udbytte og produktkvalitet [1].
De klassiske løsninger er at øge omrøringshastigheden eller tilføre mere luft. Men for virkelig at optimere kræves en dybere forståelse af, hvordan netop omrøring og luftflow påvirker bobler, gasfordeling, blanding og flow i reaktoren. Her er både gasboblernes størrelse og fordelingen af ilt i væsken centrale parametre.
Når reaktoren bliver gennemsigtig
De fleste industrielle bioreaktorer er fremstillet i rustfrit stål. Det betyder, at man i praksis er blind for, hvad der sker inde i tanken, og derfor ofte må nøjes med gennemsnitsmålinger, der ikke afslører de lokale variationer i flow, boblestørrelser eller iltfordeling.
For at overvinde denne udfordring er der konstrueret en pilotskalatank (200 L) i plexiglas, udstyret med ekstra porte til måleudstyr (figur 1). Den gennemsigtige væg gør det muligt at se ind i systemet og anvende nye visuelle målemetoder, som ellers ikke kan bruges i ståltanke. Dermed kan man stadig operere under industrielle principper, men samtidig få detaljeret indsigt i, hvad der foregår inde i tanken.
I denne artikel præsenteres to nyere metoder: Et endoskop, som indsættes direkte i væsken og måler boblestørrelser, antal og areal, samt en billedanalysemetode, der ved hjælp af farveskift og et kamera kan bestemme lokale blandingstider. Tilsammen giver de to metoder et nyt indblik ind i reaktorens indre og værdifuld viden, der kan bruges til at optimere iltoverførsel gennem valg af omrørertype, omrøringshastighed og luftflow.
Endoskop til boblestørrelse
Mange metoder til måling af gasboblestørrelse benytter et kamera, der, udefra, tager billeder gennem tankens vægge. Denne tilgang giver dog kun et begrænset billede af boblestørrelse, da det er vanskeligt at bestemme, hvor i systemet den registrerede boble befinder sig, særligt i dybden. Med en nyere metode benyttes i stedet et endoskop, som indsættes direkte i væsken gennem tankens åbninger i højre side (figur 1). Endoskopet (figur 2) er udstyret med en LED-lyskilde, der skaber baggrundsbelysning, samt en langdistance telecentrisk linse med tilhørende højhastighedskamera, der gør det muligt at tage op til 1900 billeder i sekundet.
Når gasboblerne passerer gennem det åbne måleområde (4-12 cm) mellem linsen og LED-lyset, dannes skyggebilleder [2] (figur 3). Fordelen er, at boblens placering i målefeltet ikke påvirker præcisionen af målingen. Ud fra disse billeder kan man bestemme boblestørrelse og antal af bobler, samt deres areal og volumen. Det giver et detaljeret indblik i, hvordan boblernes egenskaber ændrer sig med tankens højde, og hvor i reaktoren der findes mange eller få bobler. De to vigtigste parametre, der kan bestemmes med endoskopet, er gasboblestørrelse og gas hold-up, som begge har stor betydning for reaktorens ydeevne.
Gasboblestørrelse
Boblestørrelsen har direkte indflydelse på overfladearealet mellem gas og væske og dermed på, hvor effektiv iltoverførslen er. Mange små bobler giver et stort samlet overfladeareal og dermed bedre iltning, mens store bobler reducerer iltoverførslen. Under omrøring kan bobler både deles i mindre enheder eller smelte sammen (engelsk: coalescence) til færre større bobler. Denne sammensmeltning er uønsket, men kan begrænses ved tilsætning af salte, der ændrer væskens overfladespænding [3]. At kende boblestørrelser (figur 3) samt fordelingen af bobler er vigtig, da det kan bruges til at optimere design af både tank og omrører samt procesbetingelser. På den måde kan man opnå en bedre masseoverførsel og mere stabile driftsforhold.
Gas hold-up
Gas hold-up beskriver, hvor stor en del af væskevolumenet, der består af gas. Normalt måles det globalt ved at sammenligne væskehøjden med og uden lufttilførsel [4]. Metoden siger dog intet om, hvordan gassen fordeler sig lokalt i tanken, men med endoskopet er det muligt at bestemme lokale gas hold-up. Dette gøres ved at analysere forholdet mellem væske- og gasvolumen, hvilket svarer til mængden af hvid i forhold til mængden af sort i figur 3. Det giver et langt mere detaljeret billede af gasfordelingen og gør det muligt at identificere zoner med store eller små mængder gas. Denne viden er central, da en jævn gasfordeling er en forudsætning for effektiv iltoverførsel og stabile processer.
Billedanalyse til lokal blandingstid
I mange processer måles den globale blandingstid, altså den gennemsnitlige tid det tager for hele tanken at blive ensartet blandet. Denne metode har dog en væsentlig begrænsning, idet den ikke tager højde for områder med langsom blanding eller såkaldte ”lommer” af væske, som forbliver dårligt blandet, selv når de globale målinger indikerer fuldstændig blanding.
Ved hjælp af en billedanalysemetode er det muligt at bestemme lokale blandingstider og dermed få et langt mere detaljeret billede af hydrodynamikken i tanken. Til denne metode anvendes bromthymolblå, som er en pH-indikator (blå: pH>7.6, gul: pH<6.0) [5]. Ved at tilsætte syre vil farven i tanken gradvist ændres fra blå til gul. Dette farveskift optages med et højopløseligt kamera, der gør det muligt at analysere blandingstiden for hver enkel pixel. Således vil hver pixel få en lokal blandingstid. Figur 1 viser en illustration af lokale blandingstider i tanken bestemt til billedanalysemetoden. Med metoden bestemmes vigtige parametre som blandingstid og flowmønstre.
Blandingstid
Blandingstiden defineres som den tid, der kræves for at opnå en bestemt grad (ofte 95 procent) af homogenisering [6]. Med billedanalysemetoden registreres det, hvor lang tid det tager, fra syren tilsættes, til farven i et givent punkt skifter fra blå til gul. Denne tid betegnes som blandingstiden for netop det område i tanken. Blandingstiden er en nøgleparameter, da den har stor indflydelse på både procesydelse og produktkvalitet. Utilstrækkelig blanding kan føre til gradienter i ilt, pH eller næringsstoffer, hvilket resulterer i heterogene forhold, der kan give lavere udbytte og skabe variationer i produktet.
Flowmønstre
Ud over at måle selve blandingstiden kan billedanalysemetoden også afsløre flowmønstre, altså de baner og cirkulationer, som væsken følger under omrøringen. Her er omrørertypen afgørende for, hvilket flow man observerer. Der findes således omrørertyper, der både giver radial og axial blanding. Forståelsen af flowmønstre er vigtig, da den gør det muligt at optimere omrørerdesign, tankgeometri og driftsparametre. På den måde kan man sikre en mere jævn fordeling af energi og et mere homogent produkt, hvilket kan betyde højere kvalitet, større udbytte og lavere energiforbrug.
Optimering af proces
Ved at kombinere de to visuelle metoder får man en unik mulighed for at optimere iltoverførslen. Det gælder ikke kun i vandige systemer, men også i processer, hvor væskens viskositet stiger, som det ofte sker under fermentering.Metoderne kan blandt andet bruges til at undersøge effekten af forskellige omrørertyper, omrøringshastigheder og luftflows. På den måde kan man målrette design og drift mod at sikre bedre iltning og mere stabile processer med både højere udbytte og lavere energiforbrug som resultat.
E-mail:
Emilie Overgaard Willer: eoje@kt.dtu.dk
John Woodley: jw@kt.dtu.dk
Ulrich Krühne: ulkr@kt.dtu.dk
Referencer
1. V.C. Srivastava and I.M. Mishra, “Oxygen Mass Transfer in Bioreactors,” 2011.
2. Dantec Dynamics, “Measurement Principles of Shadow Sizing.” Accessed: Nov. 24, 2022. [Online]. Available: https://www.dantecdynamics.com/solutions-applications/solutions/spray-and-particle/shadow-sizing/measurement-principles-of-shadow-sizing/.
3. M. Firouzi, T. Howes, and A.V. Nguyen, “A quantitative review of the transition salt concentration for inhibiting bubble coalescence,” Aug. 12, 2015, Elsevier. doi: 10.1016/j.cis.2014.07.005.
4. J.J.M. Hofmeester, “Gas hold-up measurements in bioreactors,” Elsevier 34 Hammond, 1988.
5. VWR Chemicals, “Bromothylmol blue 0.04% in ethanol.” Accessed: Apr. 04, 2025. [Online]. Available: https://uk.vwr.com/store/product/2995488/bromothymol-blue-0-04-in-ethanol-technical.
6. A. Rosseburg, J. Fitschen, J. Wutz, T. Wucherpfennig, and M. Schlüter, “Hydrodynamic inhomogeneities in large scale stirred tanks – Influence on mixing time,” Chem Eng Sci, vol. 188, pp. 208-220, Oct. 2018, doi: 10.1016/j.ces.2018.05.008.
