ビンガム性プロダクト生産のための塔型バイオリアクター内の気泡生成と酸素移動

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1.はじめに使用液体としては、降伏応力をもつ市販のバイオプロダクトである数種の濃度のXanthan Gum水溶液を用いた。これらの液体は不透明なので類似したレオロジー物性をもつ透明溶液であるCarbopol水溶液も用い、内部の気液混合状態を観察する際に用いた。以上の液体は全てHerschel-Bulkleyモデルに従うレオロジー特性を示した。気泡塔として、塔径60mm×塔高1.2m及び塔径100mm×塔高1.2mのアクリル樹脂製円筒を製作した。平成11年度の研究により安定した気泡を分散できた内径1mmのノズルをガス分散器として用いた。塔内の気液流動状態を知るために重要なガスホールドアップは液に降伏応力があるためマノメータ法では測定できない。そこで、超音波式液面変位センサーを用いて測定した。さらに気泡塔内の溶存酸素濃度分布および酸素移動速度を測定するためには液中に溶解した酸素濃度の測定が重要である。液体が降伏応力をもつ場合、センサー近傍で液が静止するため、通常の隔膜式酸素計では正確に溶存酸素濃度を測定することができない。そこで本研究では静止液中でも酸素濃度測定が可能な蛍光式酸素計を用いて測定を行った。2.ガスホールドアップ塔内の気液流動状態は全実験条件にわたりスラグ気泡流動であった。そこでNicklinらが提案した半理論式をH-Bモデル液体に適応するように修正を行い、実験値と比較したところよい一致を得た。3.酸素濃度分布と酸素移動容量係数気泡塔半径方向の酸素分布は無く、非常によく混合されていることが分かった。また酸素移動容量係数は気泡上昇速度に依存する見かけ粘度を定義することにより、実験相関式にまとめられた。この式により、降伏応力をもつ液中での酸素移動速度を±30%の誤差内で推定することができた。