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