Projektowanie Procesów Biotechnologicznych wykład 3 październik 2013 Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów 1
Warunki zaliczenia Projektowanie Procesów Biotechnologicznych wykład 15 godz. projekt 15 godz. próg zaliczeniowy 60% ocena % 5,5 95 5,0 90 4,5 83 4,0 75 3,5 68 3,0 60 % oceny końcowej wykład projekt sprawdzian zaliczeniowy kartkówki projekt sprawdzian projektowy 30 10 40 20 2
Wprowadzenie Zasady bilansowania reakcji chemicznych - relatywnie proste. wykorzystywana stechiometria Przemiany biochemiczne z udziałem mikroorganizmów: zmienny skład organizmów żywych, w praktyce śledzenie kompletnego składu cząsteczkowego mikrorganizmów jest niemożliwe. wzrost mikroorganizmów - bardzo złożony. uwzglednienie wszystkich reakcji chemicznych jest obecnie niemożliwe W praktyce, obecnie można opisać tylko istotne zależności dla rozwoju mikroorganizmów www.wired.com 3
Przykład - reakcja utleniania węgla Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Wprowadzenie C + O 2 --> CO 2 ϗh 0 = -393,7 kj/mol teoretycznie 32,8 MJ ciepł a na 1 kg C jeś li uż yjemy do spalania wegla kamiennego, w praktyce otrzymujemy 16-22 MJ/kg Surowiec Zawartość C % Grafit, diament 100 Antracyt 92 Węgiel kamienny 85 Węgiel brunatny 70 Torf 50 Łupki węglowe 11 www.wired.com 4
Struktura węgla kamiennego Bilansowanie wzrostu mikroorganizmów Wprowadzenie Inne składniki dla przykładu: Wybrane metale ciężkie w węglu z kopalni JULIAN w mg/kg: kadm 0,3 miedź 0,54 ołów 21,5 cynk 59,0 nikiel 10,5 chrom 3,7 rtęć 0,37 5
Skład mikroorganizmów Makromolekuły - budulec komórek (wg. Kenneth Todar) Macromolecule Primary Subunits Where found in a bacterial cell Proteins Polysaccharides amino acids sugars or other carbohydrate molecules Flagella, pili, cell walls, cytoplasmic membranes, ribosomes, cytoplasm (as enzymes) capsules, inclusions (storage), cell walls Phospholipids fatty acids membranes Nucleic Acids (DNA/RNA) nucleotides DNA: nucleus, nucleoid (chromosome), plasmids rrna: ribosomes; mrna, trna: cytoplasm 6
Skład biomasy Skład pierwiastkowy mikroorganizmów wg. Kenneth Todar pierwiastek % C 50 H 8 O 20 N 15 P 3 S 1 7
Skład biomasy Elementarny skład mikroorganizmów zależny od szczepu warunków wzrostu C, N, O, H to 95-97 % masy mikroorganizmów. 8
Ogólne Zasady Bilansowania Skład biomasy w postaci wzoru stechiometrycznego: δ = 0 lub 1 C δ H a O b N c węglo-mol (C-mol) taka ilość substancji, która zawiera 1 mol węgla. - w szczególnych przypadkach wymagany jest również bilans fosforu i siarki. Według Roelsa przeciętny skład: CH 1,79 O 0,5 N 0,2 Przyjmujemy, że pozostałe składniki biomasy stanowią 5%: masa jednego węglo-mola biomasy to 25,9 g/c-mol 9
Ogólne Zasady Bilansowania Skład biomasy w postaci wzoru stechiometrycznego: δ = 0 lub 1 C δ H a O b N c węglo-mol (C-mol) taka ilość substancji, która zawiera 1 mol węgla. przykład: etanol CH 3 O 0.5 23 g/c-mol; glukoza CH 2 O 30 g/c-mol - w szczególnych przypadkach wymagany jest również bilans fosforu i siarki. Według Roelsa przeciętny skład: CH 1,79 O 0,5 N 0,2 Przyjmujemy, że pozostałe składniki biomasy stanowią 5%: masa jednego węglo-mola biomasy to 25,9 g/c-mol 10
Ogólne Zasady Bilansowania Skład elementarny biomasy jest niezależny od szybkości wzrostu, według badań. W praktyce róznice składów nie przekraczają 6% Wystarczajaca dokładność do szacunków. 11
Bilans elementarny Ogólny schemat przykładowego procesu wzrostu. Rozpatrujemy organizmy heterotroficzne i prototroficzne. 12
Bilans elementarny Bilans węgla, wodoru, tlenu i azotu 13
Bilans elementarny Można przedstawić w postaci wektorowej B N = 0 7 niewiadomych i 4 równania. Niezbędne dodatkowe 3 równania! Wyznaczamy inne zależności pomiędzy współczynnikami bilansowymi 14