Projektowanie Procesów Biotechnologicznych

Projektowanie Procesów
Biotechnologicznych
wykład 10
grudzień2013
Przykład bilansu
1
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Zadanie: Zbilansuj proces produkcji drożdży piekarniczych mając podany wzór
węglomola biomasy:
CH1,83O0,54N0,1
W bilansie należy dodatkowo uwzględnić fosfor. Jego zawartość oznaczono w ilości
10930 ppm*.
W produkcji należy przyjąć i tak prowadzić proces, aby warunki natlenienia były
wystarczające do uniknięcia produkcji etanolu. W procesie powstają zatem do
zbilansowania po prawej stronie równania:
biomasa, dwutlenek węgla i woda.
W procesie stosuje się melas jako źródło węgla i azotu. Melas jest wykorzystywany
jako źródło węgla (sacharoza) i tylko w tym celu jest podawany w potrzebnej ilości.
Ewentualne braki azotu należy uzupełnić pożywką - wodorofosforanem
amonowym.
Przyjąć, że jedynie sacharoza stanowi źródło węgla.
Należy ustalić źródło fosforu i jego potrzebną ilość.
Obliczenia należy wykonać przy założeniu produkcji 40 kg biomasy,
wynik podać w jednostkach kg dla:
- melasu, ewentualnych dodatkowych pożywek, tlenu.
* Zawartość fosforu dobrana na podstawie możliwych zawartości. Według:
Bernard J. Katchman and William O. Fetty, "Phosphorus metabolism in growing cultures of
saccharomyces cerevisiae" J. Bacteriol. 1955, 69(6):607.
2
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Skład melasu oraz wykorzystanie składników w procesie (jedynie wybrane
składniki są podane):
Składnik
%
mas.
woda
20
sacharoza
51
97 (Mikroorganizmy nie wykorzystują
całości sacharozy)
betaina
8
20 (Przyjęte w zadaniu. Niektóre
mikroorganizmy wykorzystują betainę
jako źródło azotu)
azot aminowy
0.17
98 (Przyjąć zawartość jako tylko azot, N)
współczynnik wydajności
biomasy względem
sacharozy
wykorzystanie % mas.(mol.) / Uwagi
yXS = 0.65 (C-mol/C-mol)
3
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Ogólny wzór przemiany (pierwsze podejście):
SS + SN1 + SN2 + SP + O2 --> X + CO2 + H2O
sacharoza + betaina + azot aminowy + żródło fosforu + O2 -->
--> biomasa + CO2 + H2O
CH1.8333O0.9167 + CH2.2O0.4N0.2 + N*aminowy + P*x + O2
--> CH1,83O0,54N0,1 + CO2 + H2O
νS CH1.8333O0.9167 + νN1 CH2.2O0.4N0.2 + νN2 N + νF P + νO O2
--> νX CH1,83O0,54N0,1 Px + νC CO2 + νW H2O
4
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Ile zmiennych musimy ustalić?
νS , νN1 , νN2 , νF , νO , νX , x (w Px), νC , νW
Aby ustalić liczbę moli fosforu w węglomolu biomasy, obliczmy masę
węglomola biomasy.
23,87 g/C-mol stanowi 95% (5% inne pierwiastki, poza CHON)
czyli Mx = 25,13 g/C-mol
Ustalmy masę i liczbę moli fosforu
10930 ppm --> 25,13 · 1,093 · 10-2 = 0,27467 g -->
0,275 g : 31 g/mol --> 0,0089 mola, stąd:
CH1,83O0,54N0,1 P0,0089
5
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Bardzo istotne są założenia/uproszczenia.
- Upraszczamy wybrane wzory, np. azot aminowy (nie znamy dokładnych
przemian / nie chcemy zbyt dużej złożoności bilansu)
- Węgiel wykorzystany do wzrostu biomasy tylko z sacharozy, pozostały
węgiel w bilansie przechodzi w inne produkty (tu: do CO2)
- Pewne substancje bilansujemy w części, np. tu: betaina (20 %)
- Wykorzystujemy cały bilansowany, np. tlen, który występuje w substancjach
"uproszczonych" i dodatkowych (betaina, pożywka), ujetych częściowo.
Jednakże, np. wiemy, że tylko 20% betainy jest uwzglednione, ale losem
80% betainy nie zajmujemy się.
Uwagi:
- Bilansowana ilość tlenu, obliczona będzie orientacyjna.
- Woda i dwutlenek węgla będą również orientacyjne.
6
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Zakładamy: 1 C-mol sacharozy
Sprawdzamy, jakie mamy ograniczenia: tlenu, wegla?
sacharoza  S  4  1,83  2  0,916   4
0
 S  4  3  4
1
biomasa  X  4  1,83  2  0,54  4,75
0,1
 X  4,75   3  4,45
1
Przy braku produktu, ograniczenia wynoszą:
dla węgla: yXS = 1,0
dla tlenu: yXS = 4/4,45 = 0,899
Dla wskazanej w zadaniu wydajności, yXS = 0,65, nie przekracza ona
ograniczeń bilansowych
7
Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów
Przykład bilansu
Współczynnik
Wartość
bilansowy
νS
1
νN1
νN2
νF
νO
νX
x (w Px)
νC
νW
8