Synteesikaasun liukoisuus ja aineensiirto fermentointiliuokseen

Työssä tutkittiin synteesikaasun komponenttien: hiilimonoksidin, vedyn ja hiilidioksidin liukoisuutta ja aineensiirtonopeutta fermentointiliuokseen. Kirjallisuusosassa käsitellään kaasujen liukoisuuksiin ja kaasu-nesteaineensiirtoon vaikuttavia tekijöitä ja esitellään korrelaatioita, jotka on kehitetty volumetrisen aineensiirtokertoimen ennustamiseen sekoitetussa fermentorissa. Kirjallisuus-osassa esitetään myös synteesikaasun komponenttien liukoisuudet veteen, etanoliin ja etikkahappoon 37 ºC lämpötilassa ja esitellään Flowbat-simulointiohjelman MHV2-mallin käyttöä kaasu-neste tasapainojen mallin-nuksessa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin synteesikaasun komponenttien liukoisuuksia veteen ja kasvatusalustaan sekä kehitettiin mittausmenetelmä kaasu-neste tasapainojen mittaukseen. Tasapainomittauksissa tutkittiin etanolin ja etikkahapon konsentraatioiden vaikutusta synteesikaasun liukoisuuteen. Lisäksi mallinnettiin kaasu-neste tasapainoja monikomponenttisysteemeissä MHV2-mallin avulla. Kokeellisen osan aineensiirtomittauksissa tutkittiin sekoitusnopeuden ja kaasun volumetrisen syöttönopeuden vaikutusta hiilimonoksidin ja vedyn volumetriseen aineensiirtokertoimeen kLa kahden litran tilavuuksisessa laboratoriofermentorissa. Mittaustulosten perusteella kasvatusalustan komponentit vaikuttavat merkittävästi hiilidioksidin liukoisuuteen. Lisäys etanolin ja etikkahapon konsentraatioissa parantaa hiilimonoksidin liukoisuutta kasvatusalustaan. Kaasun volumetrinen syöttönopeus ja sekoitusnopeus vaikuttavat voimakkaasti volumetrisen aineensiirtokertoimen arvoon. Tutkitussa systeemissä korkein teoreettinen solutiheys, joka voitiin saavuttaa suurimmalla hiilimonoksidin aineensiirto-nopeudella, oli 3 g/L. Tämä on kaksinkertainen verrattuna aiemmissa VTT:n kokeissa saavutettuihin solutiheyksiin.

In this work the solubility and mass transfer rate of synthesis gas components: carbon monoxide, hydrogen and carbon dioxide were examined in fermentation broth. In the literature survey of the work, factors affecting solubility of gases and gas-liquid mass transfer are reviewed and correlations that have been designed for predicting the volumetric mass-transfer coefficient in fermentor are presented. Solubilities of synthesis gas components in water, ethanol and acetic acid at 37 ºC temperature are also presented and the use of Flowbat simulation program's MHV2-model in gas-liquid equilibrium modelling is described. In the experimental part of the study, solubilities of the synthesis gas components were examined in water and in fermentation broth, and a method for gas-liquid equilibrium measurements was developed. In equilibrium measurements the effects of ethanol and acetic acid concentrations on the solubility of synthesis gas components were examined. Gas-liquid equilibria in multicomponent-systems were also modelled using the MHV2-model. In the mass transfer measurements the effects of stirrer speed and volumetric gas flow rate on the volumetric mass-transfer coefficient kLa for carbon monoxide and hydrogen were examined in a two-litre laboratory fermenter. According to the experimental results the components of fermentation broth significantly affect the solubility of carbon dioxide. Increase in the concentrations of ethanol and acetic acid increases the solubility of carbon dioxide in fermentation broth. The volumetric gas flow rate and stirrer speed strongly affect the value of the volumetric mass-transfer coefficient. The maximum theoretical cell mass density which could be obtained in the studied system using carbon monoxide at the highest mass transfer rate was 3 g/L. This is twofold the cell density that has been reached in previous experiments at VTT.