Projekt: BIOREAKTOR 1. Konwersja glukozy do etanolu jest

Projekt: BIOREAKTOR 1. Konwersja glukozy do etanolu jest

Projekt: BIOREAKTOR
1.
Konwersja glukozy do etanolu jest prowadzona w bioreaktorze okresowym
w warunkach beztlenowych przez szczep bakterii Zymomonas mobilis. Do objętości V [dm3]
medium hodowlanego innokulowano k [g] bakterii. Proces przebiega zgodnie z kinetyką
Monoda, przy czym maksymalna specyficzna szybkość wzrostu mikroorganizmów jest równa
µmax [1/h]. Stężenie początkowe glukozy wynosi S0 [g/dm3], a przez cały czas trwania procesu
spełniona jest zależność S>>KS. Znany jest współczynnik wydajności biomasy względem
substratu - YSX [-] oraz współczynnik wydajności powstawania produktu - YPX [-]. Przemianę
podstawową można zaniedbać, a także założyć, że kd<<µmax.
Proszę obliczyć czas t [h] niezbędny do:
a) produkcji 10 g biomasy
b) osiągnięcia 90% konwersji substratu
c) produkcji 100 g etanolu.
2.
Hodowla z zadania pierwszego została przeniesiona do zasilanego sterylnie
chemostatu o objętości V [m3]. Stężenie substratu w pożywce jest równe S0 [kg/m3].
Parametry opisujące wzrost mikroorganizmu (µmax [1/s], KS [kg/m3], YXS [-]) zostały podane
w tabeli.
a) Jaki przepływ pożywki jest niezbędny do osiągnięcia 90% konwersji substratu?
b) Proszę obliczyć produkcję biomasy dla tego przepływu oraz porównać ją z największą
możliwą produkcją.
3.
Hodowla drożdży (Saccharomyces cerevisiae) jest prowadzona w bioreaktorze
laboratoryjnym o objętości V [dm3] przy czym objętość cieczy hodowlanej V1 [dm3] jest
o 20% mniejsza. Średnica bioreaktora jest równa d [m], natomiast średnica poruszającego się
z prędkością obrotową N [obr./min] mieszadła (turbiny Rushtona) wynosi ds [m]. Gęstość
oraz lepkość medium hodowlanego jest w przybliżeniu równa parametrom odpowiadającym
wodzie, to jest ρ = 997 [kg/m3] oraz 10-3 [kg·m·s-1]. Hodowla jest prowadzona
w temperaturze 25 [°C].
Natężenie napowietrzania wynosi 1 vvm. Zakładając, że w medium hodowlanym nie zachodzi
koalescencja objętościowy współczynnik wnikania masy kla [s-1] może być wyznaczony
z równania:
𝑘𝑙 𝑎 =
𝑘𝑢𝑠𝛼
𝑃𝑔 𝛽
( )
𝑉1
gdzie: us – prędkość liniowa gazu w reaktorze [m/s], Pg – moc mieszania [W/m3], wartość
współczynników empirycznych: k,α, β dla mieszadła jest podana w tabeli.
a) Należy obliczyć stężenie tlenu w medium hodowlanym zakładając, że
zapotrzebowanie drożdży na tlen w warunkach prowadzenia procesu wynosi
79,3 mmol O2·dm-3·h-1.
b) Proszę zaproponować odpowiednie rozwiązanie, w przypadku, gdy stężenie tlenu
w medium hodowlanym jest niższe od 25% stężenia tlenu w warunkach nasycenia.
Można przyjąć założenie, że zużycie mocy na mieszanie medium napowietrzonego jest
o połowę niższe niż medium nienapowietrzanego.
Zadanie 1.
Wariant
S0
nr
[g/dm3]
1
12,0
2
12,0
3
12,0
4
12,0
5
12,0
6
11,5
7
11,5
8
11,5
9
11,5
10
11,5
11
11,0
12
11,0
13
11,0
14
11,0
15
11,0
µmax
[1/h]
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
V
[dm3]
48
48
48
48
48
50
50
50
50
50
52
52
52
52
52
YXS [-]
YPX [-]
k [g]
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
7,7
5,0
4,9
4,8
4,7
4,6
5,0
4,9
4,8
4,7
4,6
5,0
4,9
4,8
4,7
4,6
Zadanie 2
Wariant
S0
nr
[kg/m3]
1
20
2
19
3
18
4
17
5
16
6
20
7
19
8
18
9
17
10
16
11
20
12
19
13
18
14
17
15
16
µmax
[1/h]
0,47
0,47
0,47
0,47
0,47
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
KS
[kg/m3]
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
V
[dm3]
1
N
[obr./min]
1200
1200
1200
1200
1200
1175
1175
1175
1175
1175
1150
1150
1150
1150
1150
V [m3]
YXS [-]
5,2
5,2
5,2
5,2
5,2
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
4,8
4,8
4,8
4,8
4,8
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
0,55
k
α
β
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,0018
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
Zadanie 3
Wariant
nr
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
ds [m]
d [m]
0,045
0,046
0,047
0,048
0,049
0,045
0,046
0,047
0,048
0,049
0,045
0,046
0,047
0,048
0,049
0,102
0,104
0,106
0,108
0,110
0,102
0,104
0,106
0,108
0,110
0,102
0,104
0,106
0,108
0,110
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1