ปริมาณการเติมออกซิเจนของเครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถังช่วยเพิ่มผลผลิตการหมักให้สูงสุดได้อย่างไร?

ปริมาณการเติมออกซิเจนเป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่สำคัญสำหรับเครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถังที่ใช้ในการหมักแบบใช้ออกซิเจน โดยอธิบายปริมาณออกซิเจนที่ระบบเติมอากาศสามารถถ่ายเทลงในของเหลวในช่วงเวลาที่กำหนด และโดยทั่วไปจะแสดงเป็นกิโลกรัมของออกซิเจนต่อชั่วโมง (kg O₂/h) สำหรับอุปกรณ์การหมัก ค่านี้ช่วยให้วิศวกรเข้าใจความสามารถในการถ่ายเทออกซิเจนตามที่ระบุของเครื่องเติมอากาศและประเมินว่าเครื่องอาจตรงตามความต้องการออกซิเจนของกระบวนการหรือไม่

อย่างไรก็ตาม ปริมาณการเติมออกซิเจนไม่ได้เป็นเพียงการวัดว่ามีอากาศเข้าสู่ถังมากน้อยเพียงใด ออกซิเจนต้องเคลื่อนที่จากสถานะก๊าซเข้าสู่ของเหลว ก่อนที่จุลินทรีย์จะนำไปใช้ได้ ประสิทธิภาพของการถ่ายเทนี้ขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของก๊าซ คุณสมบัติของของเหลว สภาวะการทำงาน และวิธีการที่ใช้ในการกำหนดค่าที่ได้รับการจัดอันดับ

เครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถังรุ่น DAWT ผสมผสานการดูดอากาศ การกวนเชิงกล และการกระจายตัวของก๊าซ-ของเหลวไว้ในยูนิตเดียว การทำความเข้าใจว่าปริมาณการเติมออกซิเจนหมายถึงอะไร พัฒนาขึ้นมาอย่างไร และอะไรที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพจริงของมัน ช่วยให้วิศวกรตีความข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์ได้แม่นยำยิ่งขึ้น

ปริมาณการเติมออกซิเจนคืออะไร?

ปริมาณการเติมออกซิเจนหมายถึงปริมาณของออกซิเจนที่ถ่ายเทจากสถานะก๊าซเข้าสู่ของเหลวต่อหน่วยเวลาภายใต้สภาวะที่กำหนด เมื่อแสดงเป็น kg O₂/h จะบ่งบอกถึงปริมาณการถ่ายเทออกซิเจนที่วัดหรือจัดอันดับเป็นรายชั่วโมง

ซึ่งแตกต่างจากปริมาณออกซิเจนที่มีอยู่ในอากาศที่จ่ายให้กับเครื่องเติมอากาศ อากาศมีออกซิเจน แต่ไม่ใช่ออกซิเจนทั้งหมดที่จะละลายในของเหลว บางส่วนยังคงอยู่ในสถานะก๊าซและออกจากถังผ่านระบบระบายอากาศ

ตัวอย่างเช่น เครื่องเติมอากาศอาจดูดอากาศปริมาณมากในขณะที่ถ่ายเทออกซิเจนเพียงบางส่วนเข้าสู่น้ำซุปหมัก ดังนั้น ปริมาณการเติมออกซิเจนของเครื่องจึงไม่เพียงขึ้นอยู่กับปริมาณอากาศที่นำเข้า แต่ยังขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์นำก๊าซมาสัมผัสกับของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด

ในทางปฏิบัติ ปริมาณการเติมออกซิเจนช่วยอธิบายความสามารถของเครื่องเติมอากาศในการจ่ายออกซิเจนให้กับกระบวนการ ควรตีความโดยสัมพันธ์กับสภาวะที่กำหนดค่านั้นเสมอ หากไม่มีวิธีการทดสอบและสภาวะอ้างอิงที่กำหนดไว้ ตัวเลขที่ได้รับการจัดอันดับเพียงอย่างเดียวไม่สามารถกำหนดประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนที่จะทำได้ในทุกการใช้งานการหมัก

เครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถังถ่ายเทออกซิเจนอย่างไร?

ปริมาณการเติมออกซิเจนของรุ่น DAWT ของ BOAO มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกลไกการผสมก๊าซ-ของเหลวแบบบูรณาการ

ยูนิตประกอบด้วยใบพัด สเตเตอร์หรือตัวจ่ายโดยรอบ และท่ออากาศที่เชื่อมต่อกับบรรยากาศ ในระหว่างการทำงาน ใบพัดที่หมุนจะสร้างบริเวณความดันต่ำภายในสเตเตอร์ โดยดูดอากาศผ่านท่ออากาศ อากาศและของเหลวที่เข้ามาจะเข้าสู่บริเวณการผสมระหว่างชิ้นส่วนที่หมุนและอยู่กับที่

เมื่อใบพัดหมุน พลังงานเชิงกลจะส่งเสริมการผสมก๊าซ-ของเหลว ส่วนผสมที่ได้จะผ่านช่องทางของตัวจ่ายและเข้าสู่น้ำซุปหมักโดยรอบ กระบวนการนี้จะกระจายก๊าซที่นำเข้าให้กลายเป็นฟองอากาศ เพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างสถานะก๊าซและของเหลว

การถ่ายเทออกซิเจนเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซและของเหลว ออกซิเจนเคลื่อนที่จากอากาศภายในฟอง ข้ามส่วนต่อประสาน และเข้าสู่ของเหลวโดยรอบ เมื่อละลายแล้ว ออกซิเจนจะพร้อมใช้งานสำหรับจุลินทรีย์และปฏิกิริยาการใช้ออกซิเจนอื่นๆ ในกระบวนการหมัก

ข้อกำหนดผลิตภัณฑ์ของรุ่น DAWT ระบุการกระจายตัวของก๊าซเป็นฟองอากาศที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 ไมโครเมตร ฟองอากาศที่เล็กกว่าสามารถให้พื้นที่ส่วนต่อประสานรวมที่ใหญ่กว่าสำหรับปริมาตรก๊าซที่กำหนด ซึ่งอาจสนับสนุนการถ่ายเทออกซิเจน อย่างไรก็ตาม ขนาดฟองอากาศจริงขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงานและคุณสมบัติของของเหลว ดังนั้นจึงไม่ควรถือว่าตัวเลขที่ระบุนั้นเป็นตัวแทนของฟองอากาศทุกฟองทั่วทั้งถังที่ทำงาน

การจัดวางแบบติดตั้งที่ก้นถังยังส่งเสริมการหมุนเวียนจากส่วนล่างของภาชนะ ด้วยการรวมการเติมอากาศและการกวนเข้าด้วยกัน ยูนิตนี้ช่วยกระจายของเหลวที่มีออกซิเจนผ่านน้ำซุปหมัก แทนที่จะพึ่งพาการนำอากาศเข้าเพียงอย่างเดียว

ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อปริมาณการเติมออกซิเจน?

ปริมาณการเติมออกซิเจนได้รับอิทธิพลจากปัจจัยที่มีปฏิสัมพันธ์กันหลายประการ การทำความเข้าใจปัจจัยเหล่านี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดเครื่องเติมอากาศเดียวกันจึงอาจให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนที่แตกต่างกันในของเหลวหรือสภาพแวดล้อมการทำงานที่แตกต่างกัน

พื้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซและของเหลว

การถ่ายเทออกซิเจนเกิดขึ้นทั่วทั้งส่วนต่อประสานระหว่างฟองก๊าซและของเหลวโดยรอบ สำหรับปริมาตรก๊าซที่กำหนด โดยทั่วไปการกระจายตัวของฟองที่ละเอียดกว่าจะสร้างพื้นที่ส่วนต่อประสานได้มากกว่า ซึ่งให้โอกาสมากขึ้นที่ออกซิเจนจะเข้าสู่ของเหลว

การจัดเรียงใบพัดและสเตเตอร์ในเครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถังส่งเสริมการกระจายตัวของก๊าซผ่านการกวนเชิงกล อย่างไรก็ตาม การรวมตัวของฟองอากาศ องค์ประกอบของของเหลว และสภาวะการทำงานสามารถเปลี่ยนแปลงพื้นที่ส่วนต่อประสานที่มีอยู่ในระหว่างการทำงานจริงได้

ความแตกต่างของความเข้มข้นของออกซิเจน

การถ่ายเทออกซิเจนขับเคลื่อนส่วนหนึ่งโดยความแตกต่างระหว่างความเข้มข้นของออกซิเจนที่ของเหลวสามารถรองรับได้ภายใต้สภาวะที่มีอยู่กับความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำในปัจจุบัน

เมื่อความแตกต่างนี้มีขนาดใหญ่ แรงขับเคลื่อนสำหรับการถ่ายเทออกซิเจนโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น เมื่อของเหลวเข้าใกล้ความอิ่มตัวของออกซิเจน แรงขับเคลื่อนจะลดลง และการถ่ายเทออกซิเจนเพิ่มเติมจะทำได้ยากขึ้น

นี่คือเหตุผลหนึ่งที่ไม่สามารถตีความปริมาณการเติมออกซิเจนโดยอิสระจากสภาวะของออกซิเจนละลายน้ำ ตัวเลขที่ได้ภายใต้ชุดเงื่อนไขหนึ่งอาจไม่สามารถเปรียบเทียบโดยตรงกับผลลัพธ์ที่ได้ภายใต้อีกเงื่อนไขหนึ่ง

คุณสมบัติของของเหลว

องค์ประกอบของของเหลวส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของออกซิเจนผ่านส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซและของเหลว ความหนืด แรงตึงผิว สารที่ละลายน้ำ ของแข็งแขวนลอย และความเข้มข้นของมวลชีวภาพ ล้วนมีอิทธิพลต่อการเกิดฟอง การไหลเวียน และการถ่ายเทออกซิเจน

ของเหลวที่มีความหนืดค่อนข้างต่ำอาจไหลเวียนแตกต่างจากน้ำซุปหมักข้นที่มีความเข้มข้นสูงของจุลินทรีย์หรือวัสดุแขวนลอยอื่นๆ ในน้ำซุปบางชนิด ความหนืดที่เพิ่มขึ้นสามารถจำกัดการกวนและเปลี่ยนแปลงการกระจายตัวของก๊าซ ซึ่งลดประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจน

ดังนั้น ไม่ควรนำปริมาณการเติมออกซิเจนที่กำหนดภายใต้สภาวะของเหลวหนึ่งไปใช้กับอาหารเลี้ยงเชื้อหมักที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญโดยอัตโนมัติ

การกวนและการหมุนเวียน

การกวนที่เพียงพอช่วยสร้างของเหลวรอบๆ ฟองก๊าซใหม่และกระจายออกซิเจนละลายน้ำไปทั่วภาชนะ หากการไหลเวียนไม่ดี ความเข้มข้นของออกซิเจนเฉพาะที่อาจแตกต่างกันอย่างมากแม้ว่าระบบเติมอากาศโดยรวมจะทำงานอยู่

ใบพัดและตัวจ่ายแบบบูรณาการของเครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถังมีส่วนช่วยทั้งในการกระจายตัวของก๊าซและการเคลื่อนที่ของของเหลว อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพจริงขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องเติมอากาศกับรูปทรงของภาชนะ ปริมาตรของเหลว และสภาวะของกระบวนการ

สภาวะการทำงานและการทดสอบ

อุณหภูมิ ความดัน ความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำ และองค์ประกอบของของเหลวสามารถส่งผลต่อการถ่ายเทออกซิเจน วิธีการวัดก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากสภาวะการทดสอบที่แตกต่างกันสามารถสร้างค่าที่รายงานแตกต่างกัน

ดังนั้น เมื่อตรวจสอบข้อกำหนดปริมาณการเติมออกซิเจนของผู้ผลิต วิศวกรควรกำหนดว่าตัวเลขดังกล่าวแสดงถึงการวัดในห้องปฏิบัติการ ค่าที่ได้ภายใต้สภาวะอ้างอิงที่กำหนดไว้ หรือประสิทธิภาพที่ได้รับการจัดอันดับประเภทอื่น ข้อมูลนี้จำเป็นสำหรับการเปรียบเทียบที่มีความหมาย

ทำความเข้าใจปริมาณการเติมออกซิเจนของรุ่น DAWT

ข้อมูลทางเทคนิคของรุ่น DAWT แสดงรายการปริมาณการเติมออกซิเจนเป็น kg O₂/h โดยมีช่วงที่แตกต่างกันสำหรับรุ่นต่างๆ

ที่ระดับล่างของซีรีส์ รุ่น DAWT7.5 แสดงรายการปริมาณการเติมออกซิเจนที่ 0.35–0.6 kg O₂/h ที่ระดับสูง รุ่น DAWT185 แสดงรายการที่ 20–27 kg O₂/h ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าความสามารถในการถ่ายเทออกซิเจนที่ระบุนั้นแตกต่างกันอย่างมากตลอดช่วงผลิตภัณฑ์

ช่วงดังกล่าวยังบ่งชี้ด้วยว่าความจุที่ระบุไว้นั้นไม่ได้นำเสนอเป็นค่าคงที่เดี่ยวเสมอไป อย่างไรก็ตาม ข้อมูลผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ไม่ได้ระบุวิธีการทดสอบหรือสภาวะที่กำหนดขีดจำกัดล่างและบน ดังนั้น ควรถือว่าช่วงดังกล่าวเป็นข้อกำหนดที่ระบุโดยผู้ผลิต ไม่ใช่การรับประกันประสิทธิภาพภายใต้ทุกสภาวะการทำงาน

เมื่อตีความค่าเหล่านี้ สิ่งสำคัญคือต้องแยกความแตกต่างระหว่างสามคำถาม:

• ค่ารายการที่ระบุระบุว่าอย่างไร? มันบ่งบอกถึงปริมาณการเติมออกซิเจนที่กำหนดให้กับรุ่นในข้อมูลผลิตภัณฑ์
• ภายใต้เงื่อนไขใดที่ค่านี้ใช้ได้? สิ่งนี้ต้องการความชัดเจนของวิธีการทดสอบ คุณสมบัติของของเหลว สภาวะของออกซิเจนละลายน้ำ และสมมติฐานการทำงานอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง
• ประสิทธิภาพใดที่สามารถทำได้ในกระบวนการที่ตั้งใจไว้? สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับอาหารเลี้ยงเชื้อหมักจริง โครงสร้างของภาชนะ และสภาพแวดล้อมการทำงาน

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบอุปกรณ์จากผู้ผลิตหลายราย ผลิตภัณฑ์สองชนิดอาจระบุปริมาณการเติมออกซิเจนเป็น kg O₂/h แต่ค่าของผลิตภัณฑ์เหล่านั้นอาจได้มาโดยใช้วิธีการหรือสภาวะอ้างอิงที่แตกต่างกัน การเปรียบเทียบตัวเลขโดยไม่เข้าใจพื้นฐานอาจนำไปสู่ข้อสรุปที่ทำให้เข้าใจผิด

สำหรับรุ่น DAWT ตัวเลขที่เผยแพร่เป็นจุดเริ่มต้นที่เป็นประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจความสามารถในการถ่ายเทออกซิเจนที่ระบุของอุปกรณ์ ยังจำเป็นต้องมีการยืนยันเฉพาะการใช้งานเมื่อค่าจะถูกนำไปใช้สำหรับการคำนวณกระบวนการโดยละเอียด

ปริมาณการเติมออกซิเจนและอัตราการถ่ายเทออกซิเจนจริง

ปริมาณการเติมออกซิเจนและอัตราการถ่ายเทออกซิเจนมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด แต่ไม่ควรถือว่าเป็นคำที่ใช้แทนกันได้โดยอัตโนมัติในเอกสารทางเทคนิคทุกฉบับ

อัตราการถ่ายเทออกซิเจน (OTR) อธิบายปริมาณของออกซิเจนที่ถ่ายเทเข้าสู่ของเหลวต่อหน่วยเวลาภายใต้สภาวะการทำงานจริงหรือที่กำหนดไว้ โดยทั่วไปใช้ในวิศวกรรมการหมักเพื่อประเมินว่าระบบเติมอากาศสามารถตอบสนองความต้องการออกซิเจนของวัฒนธรรมได้หรือไม่

ความสัมพันธ์อย่างง่ายสำหรับการถ่ายเทออกซิเจนคือ:

OTR = k_La(C^* - C_L)
โดยที่:

• (k_La) คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลเชิงปริมาตร
• (C^*) คือความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำที่สมดุลภายใต้สภาวะที่เกี่ยวข้อง
• (C_L) คือความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำจริงในของเหลว

ความสัมพันธ์นี้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดการถ่ายเทออกซิเจนจึงขึ้นอยู่กับมากกว่าความจุเล็กน้อยของเครื่องเติมอากาศ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลสะท้อนถึงผลรวมของการสัมผัสก๊าซ-ของเหลวและลักษณะการถ่ายเท ในขณะที่ความแตกต่างของความเข้มข้นเป็นแรงขับเคลื่อนให้ออกซิเจนเข้าสู่ของเหลว

สมการนี้เป็นคำอธิบายเชิงแนวคิดของการถ่ายเทออกซิเจน ไม่ใช่วิธีการคำนวณประสิทธิภาพจริงของรุ่น DAWT จากข้อกำหนดผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ การคำนวณที่เชื่อถือได้ต้องใช้ข้อมูลกระบวนการที่เหมาะสมและพื้นฐานที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนสำหรับค่าสัมประสิทธิ์และความเข้มข้นที่เกี่ยวข้อง

เมื่อใช้ปริมาณการเติมออกซิเจนที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับการตัดสินใจทางวิศวกรรม ควรยืนยันสภาวะการทดสอบของซัพพลายเออร์ก่อน หากจำเป็น การทดสอบกระบวนการสามารถกำหนดได้ว่าอุปกรณ์ทำงานอย่างไรในสื่อที่ตั้งใจไว้

เหตุใดปริมาณการเติมออกซิเจนจึงสำคัญในการหมักแบบใช้ออกซิเจน

ในการหมักแบบใช้ออกซิเจน จุลินทรีย์ใช้ออกซิเจนละลายน้ำซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกิจกรรมเมแทบอลิซึม หากการถ่ายเทออกซิเจนตามไม่ทันกับการใช้ออกซิเจน ออกซิเจนละลายน้ำอาจลดลงต่ำกว่าระดับที่กระบวนการต้องการ

ขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์และผลิตภัณฑ์ การจำกัดออกซิเจนอาจส่งผลต่อการเติบโต เส้นทางเมแทบอลิซึม การใช้สารตั้งต้น และการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ การถ่ายเทออกซิเจนที่เพียงพอช่วยรักษาสภาวะที่จำเป็นสำหรับประสิทธิภาพการหมักที่สม่ำเสมอ

อย่างไรก็ตาม การเพิ่มปริมาณการเติมออกซิเจนไม่ได้เพิ่มผลผลิตของผลิตภัณฑ์โดยอัตโนมัติ ปริมาณออกซิเจนที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิต ระยะการหมัก องค์ประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อ และผลิตภัณฑ์เป้าหมาย กระบวนการบางอย่างต้องการช่วงออกซิเจนละลายน้ำที่ควบคุม แทนที่จะเป็นอัตราการถ่ายเทออกซิเจนสูงสุดที่เป็นไปได้

วัตถุประสงค์ของการประเมินปริมาณการเติมออกซิเจนคือเพื่อทำความเข้าใจความสามารถของอุปกรณ์ในการถ่ายเทออกซิเจนและพิจารณาว่าความสามารถนั้นตรงกับความต้องการของกระบวนการหรือไม่ เป็นองค์ประกอบสำคัญอย่างหนึ่งของประสิทธิภาพการหมัก ไม่ใช่การวัดโดยตรงของผลผลิตสุดท้าย

วิธีใช้ข้อกำหนดปริมาณการเติมออกซิเจนอย่างถูกต้อง

ก่อนที่จะพึ่งพาปริมาณการเติมออกซิเจนที่ระบุ ให้ยืนยันว่าตัวเลขนั้นได้มาอย่างไรและแสดงถึงสภาวะการทำงานใด หากซัพพลายเออร์ให้รายงานการทดสอบ ให้ตรวจสอบวิธีการวัด ตัวกลางของเหลว อุณหภูมิ ความดัน และสภาวะของออกซิเจนละลายน้ำ

สำหรับรุ่น DAWT ช่วงปริมาณการเติมออกซิเจนที่เผยแพร่สามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคเบื้องต้นได้ หากอุปกรณ์มีไว้สำหรับน้ำซุปหมักเฉพาะ อาจจำเป็นต้องมีการประเมินเพิ่มเติมเพื่อกำหนดว่าความจุที่ระบุยังคงใช้ได้หรือไม่

นอกจากนี้ยังเป็นประโยชน์ในการแยกความแตกต่างระหว่างความสามารถในการถ่ายเทออกซิเจนที่ได้รับการจัดอันดับกับการถ่ายเทออกซิเจนที่ทำได้จริงระหว่างชุดการผลิต การวัดออกซิเจนละลายน้ำและข้อมูลกระบวนการสามารถช่วยระบุว่าปริมาณออกซิเจนเพียงพอภายใต้สภาวะการทำงานจริงหรือไม่

ด้วยการตีความปริมาณการเติมออกซิเจนในลักษณะนี้ วิศวกรสามารถหลีกเลี่ยงการสร้างความสับสนระหว่างการจ่ายอากาศกับการถ่ายเทออกซิเจน การเปรียบเทียบข้อกำหนดที่เข้ากันไม่ได้ หรือการสันนิษฐานว่าตัวเลขที่กำหนดรับประกันผลลัพธ์เดียวกันในทุกระบบการหมัก

การทำความเข้าใจพารามิเตอร์อย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนแรกในการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องเติมอากาศติดตั้งที่ก้นถัง ค่าในหน่วย kg O₂/h เป็นข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคที่มีความหมาย แต่ความสำคัญในทางปฏิบัติขึ้นอยู่กับสภาวะที่ออกซิเจนถูกถ่ายเทและข้อกำหนดของกระบวนการที่เครื่องเติมอากาศทำงาน