Oxygen is a key substrate in animal cell metabolism and its consumption is thus a parameter of great interest for monitoring and control in animal cell culture bioreactor. The use of a gas-permeable membrane offered the possibility to provide the required quantity of oxygen into the culture. while avoiding problems of foaming or shear damage generally linked to sparging. For determining the optimum DO control strategy of this gas-permeable membrane aeration bioreactor, the oxygen transfer rate coefficient was measured with varying $N_2$ ratio in inlet air. The results showed that an increasing mass flow rate of nitrogen reduced the $K_La$ value. and 5% nitrogen in air did not result in any oxygen limitation.
The growth kinetics of Streptomyces noursei NRRL 5126 was investigated under different aeration and agitation combinations in a 5.0 l stirred tank fermenter. Poly-${\varepsilon}$-lysine biosynthesis, cell mass formation, and glycerol utilization rates were affected markedly by both aeration and agitation. An agitation speed of 300 rpm and aeration rate at 2.0 vvm supported better yields of 1,622.81 mg/l with highest specific productivity of 15 mg/l.h. Fermentation kinetics performed under different aeration and agitation conditions showed poly- ${\varepsilon}$-lysine fermentation to be a growth-associated production. A constant DO at 40% in the growth phase and 20% in the production phase increased the poly-${\varepsilon}$-lysine yield as well as cell mass to their maximum values of 1,992.35 mg/l and 20.73 g/l, respectively. The oxygen transfer rate (OTR), oxygen utilization rate (OUR), and specific oxygen uptake rates ($qO_2$) in the fermentation broth increased in the growth phase and remained unchanged in the stationary phase.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.33
no.12
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pp.868-873
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2011
Oxygen transfer rate generally determines the performance of an aerobic wastewater treatment process that treats high strength wastewater such as food wastewater, animal wastewater and landfill leachate. In this paper, OUR and $K_L{\cdot}a$ were evaluated by using Jet Loop Reactor (JLR) according to the concentration of a mixed liquor volatile suspended solid (MLVSS), oxygen (air) flow rate and energy input as the variable of the operating conditions. Also, a nonlinear regression model was proposed by the statistical methods with the calculated $K_L{\cdot}a$. As a results, in case of applying the high strength wastewater which has to maintain high MLVSS, the energy input and the air flow rate are major parameters oxygen transfer rate in JLR. Finally, the final nonlinear regression model had been developed as a function of E/V, $Q_g$, and ${\mu}_c$.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.9
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pp.847-854
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2013
The objective of this study is to experimentally investigate the mixed flow and oxygen transfer characteristics of a horizontally injected aeration process using an annular nozzle ejector. The flow rate ratio, pressure ratio and ejector efficiency are calculated using the measured flow rate and pressure with the experimental parameters of the ejector pitch and primary flow rate. The visualization images of mixed flow issuing from the ejector are analyzed qualitatively, and the volumetric oxygen transfer coefficients are calculated using the measured dissolved oxygen concentration. The mixed flow behaves like a buoyancy jet or horizontal jet owing to the momentum of primary flow and air bubble size. The buoyancy force of the air bubble and the penetration of mixed flow are found to be important parameters for the oxygen transfer rate owing to the contact area and time of two phases.
The ejector type microbubble generator, which is the method to supply air to water by using cavitation in the nozzle, does not require any air supplier so it is an effective and economical. Also, the distribution of the size of bubbles is diverse. Especially, the size of bubbles is smaller than the bubbles from a conventional air diffuser and bigger than the bubbles from a pressurized dissolution type microbubble generator so it could be applied to the aeration tank for wastewater treatment. However, the performance of the ejector type microbubble generator was affected by hydraulic pressure and MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) concentration so many factors should be considered to apply the generator to aeration tank. Therefore, this study was performed to verify effects of hydraulic pressure and MLSS concentration on oxygen transfer of the ejector type microbubble generator. In the tests, the quantity of sucked air in the nozzle, dissolved oxygen(DO) concentration, oxygen uptake rate(OUR), oxygen transfer coefficient were measured and calculated by using experimental results. In case of the MLSS, the experiments were performed in the condition of MLSS concentration of 0, 2,000, 4,000, 8,000 mg/L. The hydraulic pressure was considered up to $2.0mH_2O$. In the results of experiments, oxygen transfer coefficient was decreased with the increase of MLSS concentration and hydraulic pressure due to the increased viscosity and density of wastewater and decreased air flow rate. Also, by using statistical analysis, when the ejector type microbubble generator was used to supply air to wasterwater, the model equation of DO concentration was suggested to predict DO concentration in wastewater.
The objectives of this research are to evaluate and compare the oxygen transfer coefficients($K_{La}$) in both a general bubbles reactor and a micro-nano bubbles reactor for effective operation in sewage treatment plants, and to understand the effect on microbial kinetic parameters of biomass growth for optimal biological treatment in sewage treatment plants when the micro-nano bubbles reactor is applied. Oxygen transfer coefficients($K_{La}$) of tap water and effluent of primary clarifier were determined. The oxygen transfer coefficients of the tap water for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were found to be 0.28 $hr^{-1}$ and 2.50 $hr^{-1}$, respectively. The oxygen transfer coefficients of the effluent of the primary clarifier for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were found be to 0.15 $hr^{-1}$ and 0.91 $hr^{-1}$, respectively. In order to figure out kinetic parameters of biomass growth for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor, oxygen uptake rates(OURs) in the saturated effluent of the primary clarifier were measured with the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor. The OURs of in the saturated effluent of the primary clarifier with the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were 0.0294 mg $O_2/L{\cdot}hr$ and 0.0465 mg $O_2/L{\cdot}hr$, respectively. The higher micro-nano bubbles reactor's oxygen transfer coefficient increases the OURs. In addition, the maximum readily biodegradable substrate utilization rates($K_{ms}$) for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were 3.41 mg COD utilized/mg active VSS day and 7.07 mg COD utilized/mg active VSS day, respectively. The maximum specific biomass growth rates for heterotrophic biomass(${\mu}_{max}$) were calculated by both values of yield for heterotrophic biomass($Y_H$) and the maximum readily biodegradable substrate utilization rates($K_{ms}$). The values of ${\mu}_{max}$ for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were 1.62 $day^{-1}$ and 3.36 $day^{-1}$, respectively. The reported results show that the micro-nano bubbles reactor increased air-liquid contact area. This method could remove dissolved organic matters and nutrients efficiently and effectively.
In this study, change in water-dissolved oxygen (DO) was analyzed under various synthetic water qualities and nanobubbles (NBs) application conditions, such as gas type, initial DO as well as water dissolved, suspended and organic matters contents. When oxygen, rather than air, was introduced into nitrogen-desorbed ultra-pure water, the stagnation time was significantly increased. It took ten days for DO concentration to drop back to saturation. The higher the initial DO concentration, the longer particles were observed above saturation due to particle stability improvement. The oxygen mass transfer rate of 0.0482 mg/L/min was found to reach a maximum at an electrolytic concentration of 0.75 g/L, beyond which the transfer rate decreased due to adsorption of negative ions of the electrolyte at the interface. High levels of turbidity caused by suspended solids have become a barrier to dissolution of NBs oxygen into the water solution, and thus affected the transfer performance. On the other hand, by applying NBs for just an hour, up to 7.2% degradation of glucose as representative organic matter was achieved. Thus, NBs technology would maintain a high DO extent for an extended duration, and thus can improve water quality provided that water chemistry is closely monitored during its application.
The large-scale production of antibiotics by filamentous mycelial organism requires and adequate supply of dissolved oxygen. In terms of productivity, it means that oxygen transfer is the rate-limiting step. Therefore, the oxygen transfer coefficients(K$\_$L/A) were determined in a broth involving a filamentous mycelial organism such as Streptomyces avermitilis for use in fermentations. To determine (K$\_$L/A) inn a stirred vessel, a great deal of effort is required to provide all the cells with a sufficient oxygen supply. To overcome the oxygen limitation in a batch culture, a fed-batch culture was applied to control the growth rate by an intermittent supply of nutrients. Thus, it was possible to maintain a suitable dissolved oxygen concentration at a low agitation rate. The optimal agitation speed was 350 rpm at low cell concentrations (below 7 g/L) by considering the efficiency of agitation and shear stress. The (K$\_$L/A) was found to decrease from 64.26 to 29.21h.$\^$-1/ when the biomass concentration was increased from 9.82 to 12.06 g/L. In addition, and increase in viscosity was also observed during the growth phase. By comparing the (K$\_$L/A) values for the various agitation and aeration rates, it was found that the effect of an increase in (K$\_$L/A) by aeration was reduced dramatically at high biomass concentrations. However, this effect was not observed when altering the agitation rate. This suggests that controlling the dissolved oxygen concentration by altering the agitation rate was more efficient than increase the aeration rate.
Kim, Young-Nam;Jeon, Byung-Cheol;Lee, Jin-Ha;Lee, Hyeon-Yong
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.21
no.4
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pp.348-353
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1993
The optimal conditions for operating a moving-aeration bioreactor were determined as 30rpm and 150 (ml/min) of air flow rate, which can yield ca. 7.3 (l/h)of maximum mass transfer coefficient. It was also found that the agitation speed played much much important role than air input rate in oxgen transfer into the medium. $2.6{\times}10^6$ (cells/ml) and 0.6 (ml/l) of maximum cell denisty and IL-2 production were observed in batch cultivation of IL-2 producing BHK cell line. 0.53 (mM/l/h) of oxygen uptake rate was also estimated. The performance of a moving-aeration bioreactor (specific growth rate and oxygen uptake rate, etc.) was superior to other culture systems, such as cell-life and static membrane aeration bioreactors. Ii must be useful to apply this reactor to many culture processes by improving structural limitations in scaling-up the system.
Son, Eun Nam;Baek, Seung Hun;Lee, Roosse;Sohn, Jung Min
Applied Chemistry for Engineering
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v.30
no.1
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pp.43-48
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2019
This study investigated the feasibility of $CaSnO_3$ particles as an oxygen carrier in chemical looping combustion (CLC). $CaSnO_3$ particles had a perovskite crystal structure and showed the structural stability after repeated reduction-oxidation reactions. The oxygen transfer capacity was 15.4 wt% almost the same as the calculated theoretical value from the crystal structure transformation during reduction. After $10^{th}$ cycles of reduction and oxidation, the oxygen transfer capacity and rate were still maintained constantly at an operating temperature. In conclusion, $CaSnO_3$ particles could be a good alternative material as an oxygen carrier in CLC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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