Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

AN INVESTIGATION OF ULTRASONIC CELL DISRUPTION

Monika Żochowska

Abstract

The aim of this work was identification of mechanisms of cell disruption by ultrasonic waves based on experimental investigations of the influence of process parameters on efficiency of the disruption process. Mathematical models describing the process of cell disintegration are applied to interpret the influence of considered process parameters on its course. The scope of the work was to identify mechanisms of ultrasonic cell disruption using appropriate models supported by experimental investigations. To this end the three-dimensional model of the acoustic field was considered. The model enables to identify mechanism of effect of ultrasounds on the microorganisms’ cells. The mathematical model was used to simulate numerically the spatial distribution of the acoustic pressure in the disintegrator. Numerical simulations were performed to pre-define the influence of process parameters on ultrasonic cell disruption. During simulations effects of the following parameters were investigated: the volume of the system, the horn tip position in relation to the bottom of the disintegrator tank, tank diameter, suspension volume and amplitude of ultrasound wave. There were also attempts to include the effect of sound wave attenuation by the cavitation bubbles occurring in the process; the numerical simulations were carried out to interpret this phenomenon. The aim of this work was also to verify suggested mathematical model by confronting it with the results of experimental research on ultrasonic yeast cell disruption. The experimental research was carried out using ultrasonic processor operating at an ultrasound frequency of 20 kHz. The suspension of yeast (Saccharomyces cerevisiae) in water was subject to the ultrasonic disruption. An influence of process parameters on efficiency of the ultrasonic disruption was determined basing on the concentration of proteins released to the aqueous phase from the disintegrated yeast cells. The Lowry method was used to measure the concentration of proteins. Experimental investigations were conducted to examine how the process parameters, chosen based on simulation results, affect the ultrasonic cell disruption. The parameters chosen for experimental verification were as follows: the suspension volume, the amplitude of the ultrasound wave, duration of the process, position of horn tip towards the reactor’s bottom and also the reactor’s diameter. Both the numerical simulations and experimental investigations enabled to determine the influence of selected process parameters on efficiency of ultrasonic cell disruption
Record ID
WUT5fdcca36804f4dbc8d79482c4ad33b44
Diploma type
Master of Science
Author
Monika Żochowska Monika Żochowska,, Undefined Affiliation
Title in Polish
BADANIE PROCESU ULTRADŹWIĘKOWEJ DEZINTEGRACJI BIOMASY
Supervisor
Magdalena Jasińska (FCPE/DCRED) Magdalena Jasińska,, Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics (FCPE/DCRED)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics (FCPE/DCRED)
Study subject / specialization
, Biotechnologia Przemysłowa
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
04-01-2012
Issue date (year)
2012
Keywords in Polish
-
Keywords in English
-
Abstract in Polish
Celem pracy była identyfikacja mechanizmów dezintegracji ultradźwiękowej komórek, przeprowadzenie badań doświadczalnych wpływu parametrów procesowych na efektywność procesu dezintegracji komórek oraz wykorzystanie modelu matematycznego do opisu tego procesu i interpretacji wpływu badanych parametrów na jego przebieg. Zakres pracy obejmował identyfikację mechanizmów odpowiedzialnych za proces ultradźwiękowej dezintegracji biomasy. Przedstawiono model matematyczny rozkładu ciśnienia akustycznego w naczyniu zawierającym zawiesinę komórek w układzie trójwymiarowym. Model ten umożliwia opis oddziaływania ultradźwięków na komórki mikroorganizmów. Przy użyciu modelu wykonano symulacje numeryczne rozkładu ciśnienia akustycznego w układzie. Celem symulacji było wstępne określenie wpływu parametrów procesowych na proces dezintegracji ultradźwiękowej biomasy. Podczas symulacji zmieniano następujące parametry: położenie końcówki emitera, średnicę naczynia, objętość zawiesiny oraz amplitudę fali. Podjęto również próbę uwzględniania w modelu efektu tłumienia fali akustycznej przez powstające w procesie pęcherzyki kawitacyjne i wykonano symulacje numeryczne odzwierciedlające ten efekt. Symulacje pozwoliły na wstępne wyznaczenie ważnych parametrów oraz zdefiniowanie obszarów ich zmienności. Wyniki te zdeterminowały obszar badań doświadczalnych, związanych z kolejnym celem pracy, czyli weryfikacją doświadczalną proponowanego modelu matematycznego dezintegracji komórek drożdży. Badania prowadzono przy użyciu zanurzeniowego dezintegratora ultradźwiękowego, który pracował z częstotliwością 20 kHz. Dezintegracji poddawano drożdże Saccharomyces cerevisiae w wodnej zawiesinie o znanym stężeniu. Wpływ parametrów procesowych na efektywność przebiegu tego procesu określano na podstawie stężenia białka, które zostało uwolnione z komórek drożdży do roztworu. Oznaczenie białka wykonano metodą Lowry’ego. Doświadczenia prowadzono tak, aby zbadać wpływ takich parametrów, jak: objętość zawiesiny poddanej procesowi, amplituda fali ultradźwiękowej, czas trwania procesu, a także położenie końcówki emitującej ultradźwięki względem dna naczynia oraz średnica naczynia, w którym przebiegał proces, na proces dezintegracji biomasy. Przeprowadzone symulacje numeryczne i badania doświadczalne umożliwiły określenie wpływu wybranych parametrów procesowych na efektywność procesu ultradźwiękowej dezintegracji biomasy.
File
  • File: 1
    Praca magisterska - Monika Zochowska.pdf
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUT5fdcca36804f4dbc8d79482c4ad33b44/
URN
urn:pw-repo:WUT5fdcca36804f4dbc8d79482c4ad33b44

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page