Optimization of oxygen transfer in fermentation of Paecilomyces variotii
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
2024-09-28
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
81
Series
Abstract
In aerobic fermentations, optimization of oxygen transfer is essential to achieve high productivity in an energy efficient manner. This thesis aimed to calibrate an oxygen transfer model for the fermentation of Paecilomyces variotii and use the model to evaluate energy efficiency. In this thesis, a total of two oxygen transfer models were calibrated for the fermentation of P. variotii: the ideally mixed model (one-compartment) and the two-compartment model. The goal was to understand and evaluate the scalability of the models on an industrial scale. The models tended to simulate oxygen transfer in different ways on an industrial scale. The ideally mixed model tends to overestimate oxygen transfer rate (OTR), whereas the two-compartment model generally underestimates OTR. In reality, OTR is something between these models. The results of the models were indicative and will certainly work for bioreactors of the same size. However, the scalability of the models on an industrial scale should be viewed critically. High oxygen concentrations in the growth broth are expensive to achieve and maintain, as it requires energy. Oxygen transfer models were used to evaluate the energy efficiency of agitation, aeration, and pressure to enhance oxygen transfer on an industrial scale. According to energy efficiency analysis, an increase in pressure linearly increases the energy efficiency of oxygen transfer. Consequently, the most energy efficient way was to keep the pressure at maximum (2 barg). Optimum agitation and gas flow depended on the used oxygen transfer model. The optimum gas flow was between 0.10-0.12 VVM, and the optimum agitator power consumption varied between 0-0.43 kW/m3. However, the scalability of the models is uncertain, and therefore, agitation and gas flow should be dimensioned for a much wider range than the optimum operating point. Moreover, this thesis aimed to compare the effect of tube, ring, and sintered sparges on oxygen transfer. The problem is that P. variotii accumulates in the ring sparger, blocking the gas flow. It was found that the sparger type has little or no effect on oxygen transfer if gas is dispersed via the cavity. Consequently, a tube sparger can be used to solve clogging problems in the fermentation of P. variotii.Aerobisissa fermentoinneissa hapensiirron optimointi on tärkeää, jotta voidaan saavuttaa hyvä tuottavuus energiatehokkaasti. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli kalibroida hapensiirtomalli Paecilomyces variotii sienen fermentointiin ja käyttää luotua mallia arvioimaan energiatehokkuutta. Tässä opinnäytetyössä kalibroitiin yhteensä kaksi hapensiirtomallia P. variotii sienen fermentointiin: ideaalisesti sekoitettu malli (yksiosastoinen malli) ja kaksiosastoinen malli. Tavoitteena oli ymmärtää ja arvioida mallien skaalautuvuutta teolliseen mittakaavaan. Malleilla oli tapana simuloida hapensiirtoa eri tavoilla teollisessa mittakaavassa. Ihanteellisesti sekoitetulla mallilla oli tapana yliarvioida hapen siirtonopeutta (OTR), kun taas kaksiosastoinen malli pyrki aliarvioimaan OTR:n. Todellisuudessa OTR on jotain näiden mallien väliltä. Mallien tulokset olivat suuntaa antavia ja toimivat varmasti samankokoisissa bioreaktoreissa, mutta skaalautuvuutta teolliseen mittakaavaan tulee tarkastella kriittisesti. Korkeat happipitoisuudet kasvatusliemessä ovat kallista saavuttaa ja ylläpitää, koska se vaatii energiaa. Hapensiirtomalleja käytettiin arvioimaan sekoituksen, ilmastuksen ja paineen energiatehokkuutta hapensiirron tehostamiseksi teollisessa mittakaavassa. Energiatehokkuusanalyysin mukaan paineen nousu lisää lineaarisesti hapensiirron energiatehokkuutta. Näin ollen energiatehokkainta oli pitää paine maksimi arvossa (2 barg). Optimaalinen sekoitus ja kaasuvirtaus riippuivat käytetystä hapensiirtomallista. Optimaalinen kaasuvirtaus oli välillä 0,10–0,12 VVM ja optimaalinen sekoittimen tehonkulutus välillä 0–0,43 kW/m3. Mallien skaalautuvuus on kuitenkin epävarmaa, joten sekoitus ja kaasuvirtaus tulisi mitoittaa paljon laajemmalle alueelle kuin optimaalinen toimintapiste. Lisäksi tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli vertailla sintratun spargerin, putkispargerin ja rengasspargerin vaikutusta hapensiirtoon. Ongelmana on, että P. variotii sieni kerääntyy rengas spargeriin estäen kaasun virtauksen. Spargerin tyypillä todettiin olevan vain vähän tai ei ollenkaan vaikutusta hapen siirtoon, jos kaasua dispergoituu kavitaation kautta. Näin ollen putki spargeria voidaan käyttää ratkaisemaan tukkeutumisongelmat P. variotii sienen fermentoinnissa.Description
Supervisor
Linder, MarkusThesis advisor
Pihlajaniemi, VilleKeywords
Paecilomyces variotii, oxygen transfer rate, energy efficiency of oxygen transfer, volumetric mass transfer coefficient, oxygen transfer model, scale-up