Projektowanie Procesów Biotechnologicznych
Transkrypt
Projektowanie Procesów Biotechnologicznych
Projektowanie Procesów Biotechnologicznych wykład 9 listopad 2013 Iloraz oddechowy Wzrost beztlenowy Bilans denitryfikacji 1 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Ograniczenia bilansowe Ograniczenie ze względu na bilans tlenu Ograniczenie ze względu na bilans węgla: Prosty przypadek, brak wyróżnionego produktu: Dla yps = 0 prosty limit współczynnika wydajności biomasy γS< γX – ograniczenie wynikajace z bilansu tlenu γS > γX – ograniczenie wynikajace z bilansu węgla (yXS = 1) 2 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Ograniczenia bilansowe linie ciągłe łączą punkty: linie przerywane łączą punkty: 3 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Ograniczenia bilansowe linia przerywana – ograniczenia bilansowe linia ciągła – zależności empiryczne 4 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Ograniczenia bilansowe asymilacja tlenu, zależności przybliżone dla przeciętnego składu biomasy: 5 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Iloraz oddechowy Iloraz oddechowy - Respiratory Quotient νC (wydzielany CO2) RQ = ———— νO (asymilowany O2) Wskazuje na rodzaj substratu. W bilansowaniu procesów możemy wykorzystać szacunki RQ do określenia innych współczynników. RQ = [ 4(1-yXS - yPS)] / [γS-yXSγX-yPSγP] dla νP = 0; RQ = [ 4(1-yXS )] / [γS-yXSγX] 6 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Iloraz oddechowy Dla glukozy RQ może być większe od 1 Dlaczego? RQ = [ 4(1-yXS )] / [γS-yXSγX] C6H12O6 + 6 O2--> 6 CO2 + 6 H2O γS / γX < 1 7 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Warunki beztlenowe Dla braku tlenu w przemianach: νO = 0 wówczas: 0 = 1/4 [ νS γS - νX γX - νP γP] 0 = νS γS - νX γX - νP γP νS γS = νX γX + νP γP yPS = νP/νs = [ γS - yXS γX ] / γP 8 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Warunki beztlenowe Wydajność biomasy jest nie większa od jedności: yXS ≤ 1 wówczas: a) minimalny produkt (brak); maksymalna biomasa (100%) yXS = 1 yPS = [ γS - γX ] / γP b) maksymalny produkt (100%); minimalna biomasa (~ brak przyrostu) yXS = 0 yPS = [ γS ] / γP 9 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Bilans denitryfikacji Specyficzny mechanizm oddychania beztlenowego: Wykorzystanie azotanów (azotynów) jako: • akceptory elektronów • źródło azotu S + N → X + P + CO2 + H2O NO3- → NO2- , NO, N2 NO2- → NO, N2 10 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Bilans denitryfikacji Bilans azotu: νS cS + νN cN = νX cX + νP cP Bilans elektronów: wykorzystanie bilansu C, H, O - jednakże nie ma O2! --> wyprowadzenie podobnie jak dla procesów tlenowych. ... 11 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Bilans elementarny - Bilans denitryfikacji Bilans węgla, wodoru, tlenu i azotu W równaniach dla denitryfikacji pomijamy współczynniki tlenu. δS νS + δN νN = δX νX + δP νP + δC νC aS νS + aN νN = aX νX + aP νP + aW νW bS νS + bN νN + bO νO = bX νX + bP νP + bC νC + bW νW cS νS + cN νN = cX νX + cP νP ... 12 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Bilans denitryfikacji Bilans azotu: νS cS + νN cN = νX cX + νP cP Bilans elektronów: 13 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Bilans denitryfikacji Dla ΓP = 0 (dla produktu denitryfikacji: N2) Wyrażając ilość substancji organicznych w postaci ChZT (chemiczne zapotrzebowanie tlenu) jako O2 [g/m3] lub [mg/L] n = 1/4 ΓS --> współczynnik (wsp.) --> przeliczenie z liczby moli C na liczbę moli O2 ; n - liczba moli tlenu (O2) potrzebna do całkowitego utlenienia 1 C-mola substratu. n = 1/4 [4δS + aS - 2bS] = 1/4 ΓS --> wsp. m = M · ν, [ g = g/mol × mol] gdzie: m - masa; mChZT - masa tlenu zużytego do utlenienia subs. organicznych M - masa molowa; tlenu, azotu ν - współczynnik bilansowy [C-mol] lub [mol] 14 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Bilans denitryfikacji W praktyce użyjemy mChZT/mN zamiast νS/νN: mChZT M O2 N wsp mN MN y XS X S mChZT 32 1 N S mN 14 4 y XS X S mChZT 8 S N mN 14 ( y XS X S ) Zależność wskazuje na minimalną ilość substratu węglowego, wyrażonego jako ChZT, niezbędnego do usunięcia jednostki związków azotu (np. azotanów) wyrażonego jako azot pierwiastkowy. [g O2/g N] 15