Transcript Na*ini obratovanja bioreaktorjev

Načini
obratovanja
bioreaktorjev
Kontinuirni bioproces
Tipi kontinuirnih obratovanj
Glede na metodo nadzora:
 Kemostat - reguliran na osnovi nadzora
koncentracije limitnega hranila
 Turbidostat - reguliran na osnovi nadzora biomase z
uporabo optične gostote (fotoelektrična celica)
 Biostat - reguliran na osnovi sistema za nadzor
biomase, ki ne temelji na optični gostoti (npr.
proizvodnja CO2)
Uporaba kontinuirnih procesov

Industrija
Biološke čistilne naprave
 Proizvodnja „single-cell“ proteinov
 Kontinuirna proizvodnja piva
 Kontinuirna proizvodnja amino kislin
 Kontinuirna proizvodnja organskih kislin
 Kontinuirna proizvodnja etanola

Uporaba kontinuirnih procesov

Raziskave
Fiziološke in biokemijske študije za nadzor hitrosti rasti
Vpliv dejavnikov okolja/ procesnih parametrov na rast in tvorbo
produkta

Indukcija, represija, hitrost rasti, vpliv temperature, pH itd.

Mikrobna ekologija
Izbor populacij, ki rastejo počasi
Interakcije žrtev-plenilec
Kompetitivnost (npr. plasmidi +/-)

Kinetične študije
Izračun rastnih konstant, podatki o fermentacijah
Snovne bilance – kontinuirni
proces
 za
biomaso (X):
dX
dt
 za
V
  X -D X
substrat (S):
dS
dt
 za
FX
  X -

F SV
V
 rS 
FS
V
 D( S V  S )  r S
produkt (P):
dP
dt
 rP 
FP
V
 rP  D P
Kemostat
 Stacionarno
 Biomasa:
stanje
0  X -D X
 D
 Substrat:
0  D( S v  S )  r S
S 
 Ks
 max  
X  Y X / S S V  S 
S 
D Ks
 max  D
Kemostat – tvorba produkta
D  PF  P   Y P / X    X  0
Če je PF =0
P
YP / X  X
D
Uporaba kontinuirnih procesov
VR 
dS
dt
 F  S F  F  S  VR   g  X 
1
Y
 VR  qP  X 
M
x/S
M
Y x / S ...maksimalni izkoristek X/S
Če ni tvorbe produkta + stacionarno stanje:
D  (S F  S )   g  X 
1
D   g  kd  
M
Yx / S
D  (S F  S )  (D  kd )  X 
1
0
M
kd
D
S S 
D F
 M  M  0
 X
 YX /S YX /S
1
Y
AP
X /S
mS 
1

Y
M
X /S
kd
M
YX /S
k

Y
d
M
X /S
D
1

Y
/:X
YX /S
M
X /S
/:D

mS
D
1
YP / S
Uporaba kontinuirnih procesov
Kemostat z reciklom celic
FR, XR
F, X2
F, X0
V, X1
F+FR, X1
F – pretok napajalne raztopine
V – volumen reaktorja
X1 – koncentracija biomase v reaktorju
X2 - koncentracija biomase v iztoku
XR - koncentracija biomase v reciklu
FR – pretok recikla
Kemostat z reciklom celic
Snovna bilanca za biomaso:
dX
F X0 + FR XR - (F+ FR) X1 + VX1 =
V
1
dt
FR, XR
F, X2
F, X0
V, X1
F+FR, X1
Kemostat z reciklom celic
Definicije
a = FR/F
C = XR /X1
Izpeljava
 F + FR = (1 + a)F
 FRXR člen
FR = Fa
XR = CX1
FRXR = aCFX1
F X0 + FR XR - (F+ FR) X1 + VX1 =
F X0 + aCFX1- (1 + a)F X1 + VX1 =
dX 1
dt
dX 1
dt
V
V
Kemostat z reciklom celic
 Predpostavke

Stacionarno stanje:
dX 1
=0
dt

Sterilni vtok: X0 = 0
(aC - 1 -a)F + V = 0
Če je D = F/V, velja za recikel:
 = D(1+ a(1 -C))
Kemostat z
reciklom
lahko
če je C > 1 (konc. celic), potem je a(1 - C) < 0 deluje pri
in je  < D
D  max
Bilanca za substrat- Recikel
FS 0  a FS  V
V
X 1
 (1  a ) FS  V
YX / S
dS
dt
stacionarnem stanju in menjavi D za :
X1 
D

YX / S (S 0  S ) 
YX / S (S 0  S )
(1  a  a C )
Bilanca za substrat- Recikel
 Upoštevamo
S 
kinetiko Monoda
K S D (1  a  a C )
 max  D (1  a  a C )

K S D (1  a  a C ) 
X1 
S0 

(1  a  a C ) 
 max  D (1  a  a C ) 
YX / S
Šaržni proces z dohranjevanjem
d( CV )
dt
 V
F V( t )
V( t )
d(XV)
dt
d(SV)
dt
d(PV)
dt
dC
dt
C
dV
dt
 V
D
=XV
= F SV + rs V
= rp V
dC
dt
 CF V( t )