oxygen transfer coefficient(KLa) &specific oxygen uptake rates (qO2)- measurement methodsoxygen transfer rate(OTR): 배양액 중의 용존산소농도(mmol/L): 기포의 산소분압과 평형인 용존산소농도(mmol/l): 산소가 저항에 거역해서 이동하기 위한 추진력시간(hr),: 단위체적당 기액계면적(㎠/㎤): 산소이동속도(mmol/l?hr),: 액경막의 산소이동속도계수(cm/hr): 산소이동용량계수 (volumetric transfer coefficient), 이 값이 클수록 산소이동능력이 크다는 것을 의미발효조에 공급되고 있는 산소량과 미생물에 의한 산소섭취량과의 평형이 배양액의 용존산소농도로 표시된다. 만약 발효조의가 미생물의 산소요구속도에 따르지 못할 정도로 작은 경우에는, 배양액의 용존산소농도가 그 임계농도를 밑돌게 될 것이다. 반대로 발효조의 가 미생물의 산소요구속도를 충분히 만족시킬 수 있는 것이라면, 배양액의 용존산소농도는 그 임계농도보다 클 것이다. 즉, 발효조의 는 배양 전기간에 걸쳐서 생산물 축적에 최적인 용존산소농도를 유지할 수 있어야만 한다.의 측정 방법① 산소수지법(oxygen balance method)- 이 방법은 정상상태의 발효기 내의 유압산소와 용존산소농도를 측정하고, 유입산소량과 유출 산소량의 차이로부터 산소전달계수를 구한다. 이는 전체 반응기가 호흡계로 사용되는 정상상태법이다. 따라서를 결정하는 최상의 방법이다. 이것은 발효중 일정한 시간 내에, 배양액에 흡입된 산소의 양을 직접 정량하는 것에 의하여 구해진다.a) 발효조 중의 배양액량 ()()b) 공기 입구와 출구에 있어서 정확한 공기유량 (및)()c) 공기 입구와 출구에 있어서 정확한 공기압 (및)()d) 공기 입구와 출구에 있어서 절대온도 (및)()e) 공기 입구와 출구에 있어서 산소의 몰분율 (및)산소이동속도는 다음 식으로 나타낸다.(OTR 이란 oxygen transfer rate)여기서식으로 표현한 것에 지나지 않는다. 이 식을 적분하면,따라서, 에 나타낸 것처럼의 대수를 시간에 대해서 그래프로 나타 내면 직선관계가 얻어지며, 그 기울기는로 얻어진다.시간시간용존산소농도rx그림 2 통기에 의한 용존산소농도의 증가 그림 3 통기한 시간에 대한b) Dynamic method통기에 앞서서 생균에 의해서 배양계의 용존산소 수준을 내리는 방법. 따라서 실제의 배양계 보다 가까운 계로서 산소이동속도를 측정할 수 있는 잇점이 있다. 측정 절차는 먼저, 발효조로의 통기를 멈춘다. 그 결과 에 나타낸 것처럼 균의 호흡에 의해서 배양액의 용존산소는 직선적으로 감소한다. 균의 호흡속도는 직선 AB의 기울기로부터 구할 수 있다. B점에 있어서 통기를 재개하면, 용존산소 농도는 증가하며, 농도 X로 복귀한다. BC간에 있어서 용존산소농도의 증가는 배양액으로의 산소이동속도와 균의 호흡에 의한 용존산소의 섭취간의 차를 나타내고 있으며, 다음 식으로 나타내어지게 된다.여기에서 x는 균체농도,는 비호흡속도이다.항은 의 직선 AB의 기울기로 주어진다. 따라서 식을 다음과 같이 바꾸어 쓸 수 있다.기울기= Dynamic gassing out법에 의한의 측정 의 측정이를 그래프로 나타내면 와 같다.용존산소농도ABCx용존산소농도시간③ 아황산 산화법(sulphite oxidation method)- 이 방법은 직접 용존산소농도를 측정하는 것이 아니고, 0.5M의 sodium sulphite를 구리 또는 코발트의 촉매존재 하에서 황산나트륨으로 산화하는 속도를 측정해서 산소이동속도를 알아내는 것이다.또는이 반응계에 산소가 들어오면, 산소는 바로 아황산의 산화에 소비되기 때문에, 아황산의 산화속도와 산소이동속도는 같다고 한다. 이 측정계에서는 실제로 아황산나트륨액의 용존산소농도가 0이기 때문에,는 다음 식으로 나타내어진다.(P : 공기 중 산소의 압력 H : 산소의 Herry 상수)장점① 측정 방법이 매우 간단하며, 불순물이 포함되기 않은 계에서는 정확한 값을 얻을 수 있다.② 반응 속하고 여기에 요오드화칼륨 용액을 과잉으로 가하면 요오드화이온들 중의 일부는 염소에 의해 요오드로 산화된다.(요오드는 삼요오드화이온으로 존재할 것이다.)이 반응에서는 1mol=1mol이므로 용액내의 농도는 시료내의 농도의 간접적 척도이다. 요오드는 거의 언제나 티오황산나트륨 용액을 써서 적정하는데, 티오항산이온은 요오드를 다시 요오드화이온으로 환원시키고 자신은 사티오황산이온이로 산화된다.당량점은 적정의 마지막 단계에서 가한 전분지시약의 색깔이 없어지는 때이다b) 역적정간접적정과 마찬가지로 시약을 과잉으로 가하기는 하나, 이 방법에서는 분석액과 반응하고 남은 시약의 양을 측정하기 때문에 가한 양을 반드시 알아야한다(그림 8). 예컨대 용액내 글루코오스의 농도는 이것을 과잉의 요오드(용액중에서는 삼요오드화이온)로 산화시킴으로써 결정할 수 있다.남아있는 요오드(로)는 티오황산나트륨을 써서 통상적인 방법으로 적정한다. 가한 요오드의 양은 알려져 있고 남아있는 양도 알았으므로 처음부터 존재했던 글루코오스의 농도를 계산할 수 있다.Reference) http://www.ageng.org/classes/sanitary/sanitary_11-1.htmloxygen uptake rate(OUR)0UR= q02 ? X-(1)-(2)To determine OUR, one of the two following approaches is generally used. It is possible to consider the whole reactor (Eq. (1)) or only the liquid (Eq. (2)) phase to write the oxygen mass balance (Boundaries 1 or 2 on Fig. 1).The first approach is based on a global mass balance, while the second, based on a liquid phase balance, is divided into two sub-groups. A dist of yO2 may be estimated for a standard bioreactor (1.5 l) with a medium volume of 1 l, and with a typical oxygen uptake rate by animal cells of 0.21012 mol O2 cell1 h1. A reasonable precision for the estimation of OUR would be 1105 mol O2 h1 l1: which corresponds to a cell concentration of 5104 cell ml1. With a standard aeration rate of 100 ml min1, yO2,out is equal to 0.20996 assuming that yO2,in is 0.21.Thus the O2 concentration must be measured with a precision of 2190.02% if G is considered constant; if this is not the case, Gout could be determinedusing an inert gas balance (Heinzle, 1992):-(4)Thus, classical devices such as paramagnetic or acoustic (oxygen in air 2091%) gas analysers usually have sensitivities which limit the use fordeveloping global mass balances, although they may be suitable for the determination of yO2 in the case of a stationary liquid phase balance. Onlymass spectrometers (Heinzle, 1987) are able to determine pO2 with sufficient precision (oxygen in air 20fer rate must be equal to the oxygen uptake rate. Consequently it is possible to determine OUR from the OTR, which is given by Eq. (5):-(5)From a knowledge of the gas composition and the kLa, it is possible to calculate the oxygen transfer rate. The kLa must be known throughoutthe culture. As this may vary significantly with sparged systems, surface aeration is generally used, although it is also possible to use bubblefreehydrophobic membrane systems. In order to maintain a constant kLa, the DO is usually regulated by changing the composition of the inlet gas to the bioreactor while maintaining the total flow constant using either automatic or manual control.Since the OUR determination methods require a knowledge of kLa and O2 solubility, it is necessary to measure these values experimentally. A large number of publicatons have considered how these parameters may be determined.advantage- the measurements based on liquid mass balances are possible with very simple and relatively inexpen다.
