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탑형 생물반응기에서 과산화수소 또는 유동화 입자를 이용만 Xanthan 발효의 산소공급 향상
서일순 한국생물공학회 2002 KSBB Journal Vol.17 No.2
The decomposition of hydrogen peroxide was used for supplementing the oxygen during batch xanthan fermentations in a bubble column bioreactor in order to escape the oxygen transfer limitation that occurred at the high viscosity of culture broths. The xanthan production, however, was inhibited reversibly by dosing hydrogen peroxide. On the other hand, fluidized particles of glass beads with 8 mm diameter led to high gas-liquid oxygen transfer rates in three-phase fluidized beds, which resulted in higher space-time yields of the xanthan production compared to in the bubble column bioreactors. 기포탑 회분식 xanthan 발효에서 xanthan 생성속도와 분자량에 영향을 미치는 산소전달제한을 피하기 위하여 과산화수소수를 산소공금 보조수단으로 사용하였다. 과산화수소수 주 입은 xanthin 생성을 가역적으로 저해하였다. 반면이 직경 8 mm 유리구슬 유동화 입자는 기-액 산소전달속도를 증가시켜서 기-액-고 삼상유동충 생물반응기에서의 xanthan 발효는 기포탑 발효에 비하여 높은 단위균체량 당 xanthan 생성속도 및 점도수윤 그리고 반응기 공간-시간 수윤(space-time yield)을 보였다.
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탑형 생물반응기 기포탑과 삼상유동층에서의 회분식 Xanthan 생산
서일순,Deckwer,wolf Dieter 한국화학공학회 1996 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.34 No.1
기포탑(0.085㎥) 및 삼상유동층(0.114㎥) 탑형반응기를 호기성 박테리아 Xanthomonas campestris 에 의한 세포의 다당류 xanthan의 회분식 생산에 사용하였다. 직경 8 ㎜ 유리 유동입자는 고점도 배양액에서도 공기 기포를 분쇄하여, 삼상유동층은 기포탑에 비해 약 7배 높은 기-액 물질전달계수를 나타내었다. 반면에 회분식 발효 중 상당한 배양액 유효점도의 증가로 인한 층팽창 때문에, 삼상유동층 반응기의 운전은 제한된 xanthan 농도 범위 내에서 가능하였다. 높은 산소흡수효율(㎏-O₂/kWh) 및 에너지투입속도 그리고 운전의 복잡성을 고려할 때, 삼상유동층 생물반응기는 발효 중 일정할 배양액 유변학적 특성을 보이는 연속생산공정에 적합할 것이다. Tower reactors of a bubble column(0.085 ㎥) and a three phase fluidized bed(TPFB, 0.114 ㎥) were used for the batch production of exocellular polysaccharide xanthan with the aerobic bacteria Xanthomonas campestris. Even at high viscosities the fluidized particles of 8.0 ㎜ glass beads disintegrated the air bubbles, which led to about seven times higher gas-liquid mass transfer coefficient in the TPFB compared to that in the bubble column. On the other hand, the TPFB reactor could be operated in a limited range of xanthan concentrations due to the large bed expansion caused by a considerable increase in the effective viscosity of culture broths during a batch fermentation. Taking into account the high oxygen sorption efficiency(㎏-O₂/kWh), the high energy input rate and the operation complexity, the TPFB bioreactor is expected to be appropriate for the continuous production of xanthan which shows constant rheological properties of culture broths at a steady state.
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서일순,허충회 한국화학공학회 2002 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.40 No.2
온도와 용존산소농도의 질화속도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 질화 생물막을 27.7L의 공기리프트 생물반응기에서 직경 0.613㎜ 활성탄 입자 담체에 형성시켰다. 질화 박테리아의 최대 비생장속도보다 큰 희석률을 사용하여 130일 동안 운전한 후에 두께 0.140㎜의 생물막이 형성되었다. 공기유속과 암모니움 부하율을 순차적으로 증가시킴에 따라, 암모니움 산화속도는 단계적으로 증가하여 6.34㎝/s 상승관 공기유속 및 30℃ 온도에서 5㎏ N/㎥·d의 최대속도를 나타내었다. 암모니움 산화속도는 용존산소농도를 증가시킴에 따라 증가하였다. 아질산 산화속도는 반응기 운전 초기에는 용존산소농도에 거의 영향을 받지 않았다. 그러나 후기에 형성되는 생물막은 아질산 축적을 소멸시켰으며 용존산소농도가 증가함에 따라 증가하는 아질산 산화속도를 보였다. 질화속도는 온도를 증가시킴에 따라 5℃에서 20℃의 낮은 온도범위에서는 상당히 증가하였고 20℃에서 30℃의 높은 온도범위에서는 약간 증가하였다. 높은 온도에서는 생물막에서의 산소 물질확산이 질화 반응속도론 보다 중요한 역할을 하였다. The nitrifying biofilm was formed on the carriers of granular activated carbon with the diameter of 0.613㎜ in the airlift bioreactor of 27.7L to investigate the influences of temperature and dissolved oxygen concentration on the nitrification rate. The biofilm of 0.140㎜ thickness was obtained after the operation of 130 days with the dilution rate higher than the maximum specific growth rate of nitrifying bacteria. As raising alternately air velocity and ammonium loading rate, ammonium oxidation rate increased stepwise up to the maximum value of 5㎏ N/㎥·d at the riser air velocity of 6.34㎝/s and the temperature of 30℃. The ammonium oxidation rate increased with increasing the dissolved oxygen concentrations, while the nitrite oxidation rates were almost independent from the dissolved oxygen concentration during the early stages of the reactor operation. The biofilm formed at the late phase, however, led the nitrite build-up to disappear and exhibited the nitrite oxidation rates which increased with the dissolved oxygen concentration. As raising temperature, the nitrification rate increased appreciably at the low temperatures of 5℃ to 20℃ and then slightly at the high temperatures of 20℃ to 30℃. The oxygen diffusion in the biofilm played a dominant role at high temperatures rather than the nitrification kinetics.
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서일순 한국화학공학회 2001 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.39 No.3
모래와 활성탄입자를 담체로 사용한 유동층 생물막 반응기에서의 폐수 탈질화에 대한 모델을 제시하였다. Boaventura와 Rodrigues에 의해 제안된 두 개의 순차적 영차 반응에 기초한 생물막 모델을 수정하였다. 반응기 모델은 질산과 아질산의 액상-생물입자 간의 물질전달도 함께 고려하였다. 반응기 액상의 혼합도 영향은 액상 플러그 흐름 및 완전혼합을 가정하여 고찰하였다. 모래담체 생물입자에 형성되는 얇은 생물막은 질산과 아질산에 의해 완전히 침투되며, 활성탄입자 담체에 형성되는 두꺼운 생물막은 질산 또는 아질산에 의해 부분 침투되는 것으로 나타났다. 질산 및 아질산의 제거속도는 완전침투의 경우 생물막 균체량에 의해, 부분침투의 경우 생물입자표면적에 의해 각각 결정된다. 또한 생물막부분침투의 경우, 생물막내 물질확산, 액상과 생물입자 간의 물질전달 및 반응기 액상 혼합도가 반응기 단위부피 당 질산성질소 및 아질산성질소의 제거속도를 결정하는데 있어 중요한 역할을 한다. A reactor model was developed for the wastewater denitrification in the fluidized bed biofilm reactors with sand and activated carbon particles as support media. The biofilm model proposed by Boaventura and Rodrigues was modified based on the reaction scheme of two consecutive zero-order reactions. The reactor model also includes mass transport of nitrate and nitrite through the liquid film around bioparticles. The effects of liquid-phase mixing in the reactors were also taken account for by assuming the plug flow and the perfect mixing. Thin biofilms formed on the sand support media were fully penetrated by both nitrate and nitrite. On the other hand, the partial penetrations of both species were predicted to occur in thick biofilms on the activated carbon support particles. The removal rates of nitrate and nitrite in the case of full penetration were determined by the biomass quantity of the biofilm, while the surface area of bioparticles determined those in the partial penetration. In the case of partial penetration, the effective diffusivity in the biofilm, the liquid-bioparticle mass transfer and the liquid-phase mixing in the reactor play an important role in determining the volumetric removal rate of nitrate and nitrite.
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공기리프트 생물막 반응기에서의 폐수 질화 및 유기물 동시산화에 관한 모델링과 수치모사
서일순 한국화학공학회 2001 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.39 No.4
공기리프트 반응기에서의 생물입자를 이용한 폐수 질화 및 유기물 동시산화에 대한 반응기 모델을 제시하였다. 생물막 내에서 물질확산과 반응, 액-고 물질전달 및 기-액 산소전달을 고려하였으며, 반응기 액상 부유균체에 의한 질화 및 유기물 산화도 동시에 고려하였다. 이중 모노드 식을 질화 및 유기물 산화 반응을 묘사하는데 적용하였다. 수치모사방법을 사용하여 생물막 유효물질확산계수, 담체크기, 공기유속 및 반응기 운전압력, 유입수 유량 및 유기물농도, 그리고 생물막 내 유기물 최대산화속도가 공기리프트 반응기에서의 폐수 질화 및 유기물 산화에 미치는 영향을 분석하였다 공기유속, 담체질량 및 생물막 두께 등의 주어진 조건에서 담체크기가 감소함에 따라 암모니움 및 아질산 산화속도는 증가하였다. 질화 및 유기물 동시 산화 반응에서 반응기 용존산소농도에 아질산 산화반응이 먼저 영향을 받으며 유기물 산화반응은 부유균체 농도에 영향을 받는 것을 보였다. 유입수 유기물농도가 증가함에 따라 유기물 산화속도는 증가하였고 암모니움 및 아질산 산화속도는 감소하였다. A reactor model was developed for the simultaneous nitrification and organic oxidation of wastewater in airlift reactors with bioparticles. The diffusion and reaction in the biofilm of bioparticles, liquid-solid mass transfer, and gas-liquid oxygen transfer were taken into account together with the consideration of the nitrification and organic oxidation by the biomass suspended in the liquid phase of the reactor. Double Monod-type kinetics was employed for representing the reactions of the nitrification and the organic oxidation. Using the numerical simulation, it was discussed how the nitrification and the organic oxidation of the wastewater were influenced in the airlift reactor by effective diffusivity in the biofilm, bioparticle media size, air velocity and reactor operation pressure, flow rate and organic concentration of the feed, and maximum organic oxidation rate in the biofilm. The oxidation rate of ammonia and nitrite increased at the given conditions of the air velocity, the media amount and the biofilm thickness, as decreasing the media size. It was demonstrated in the simultaneous nitrification and organic oxidation of wastewater that the nitrite oxidation was first affected by the reactor liquid-phase concentration of dissolved oxygen and the organic oxidation was influenced by the biomass suspended in the liquid phase of reactor. As increasing the organic concentration of the feed, the organic oxidation rate increased but the oxidation rates of ammonia and nitrite decreased.
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점성 및 점탄성 액체를 이용한 기포탑에서의 기체 체류량에 관한 연구
서일순 한국화학공학회 1994 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.32 No.6
액체의 점성 및 점탄성이 기포탑에서의 기체 체류량에 미치는 영향을 연구하였다. 넓은 범위의 액체 물성을 고려하기 위하여 뉴튼 유동특성을 나타내는 수크로오스 수용액, 강한 가소성을 나타내면서 약한 점탄성을 지니는 xanthan 수용액, 강한 점탄성을 나타내는 polyacrylamide(PAA) 수용액, 그리고 중간 정도의 점탄성을 나타내는 xanthan-PAA 혼합물의 수용액을 액체상으로 각각 사용하였다. 액체의 점도가 증가함에 따라 기체 체류량은 불균일 흐름영역에서는 감소하여 최소치를 보인 후에 슬러그 흐름영역에서는 증가함을 보였다. 강한 점탄성을 나타내는 PAA 수용액에서의 기체 체류량은 약한 점탄정의 xanthan 수용액에서 보다 낮은 값을 보였다. The effects of liquid viscosity and viscoelasticity on gas holdups were studied in a bubble column. For the sake of covering a wide range of the liquid properties, the newtonian sucrose, strongly pseudoplastic and weakly viscoelastic xanthan, strongly viscoelastic polyacrylamide(PAA) and moderately viscoelastic xanthan-PAA mixture aqueous solutions were used as the liquid phase. As increasing the liquid viscosity, the gas holdups decreased in the heterogeneous flow regime. On the other hand, the gas holdups in the slug flow regime increased with the effective viscosity. The gas holdups in the strongly viscoelastic solutions of PAA exhibited lower values than those in the weakly viscoelastic xanthan solutions.
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