Learning about the process: Broth balances Sef - PowerPoint PPT Presentation

Learning ¡about ¡the ¡process: ¡ ¡ Broth ¡balances ¡ ¡ Sef ¡Heijnen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Biorefinery Temperature pH 8 Fermentation Biomass Product

The ¡money ¡ques>on… ¡ ¡ Money ¡currently ¡made ¡in ¡Euros/h? ¡ Needed ¡mol ¡p/h ¡and ¡mol ¡s/h ¡

Measurements ¡in ¡the ¡fermenter ¡ Gas ¡ou?low ¡ Substrate ¡feed ¡ Mixing ¡ Product ¡ Broth Broth ¡ou?low ¡ Microorganisms ¡ Gas ¡inflow ¡

Measure ¡concentra>ons ¡ • ¡ ¡Measure ¡concentraDons ¡in ¡Dme? ¡ ¡ Steady ¡state: ¡ ¡ ConcentraDons ¡are ¡constant ¡in ¡Dme ¡but: ¡ mol ¡s/h ¡and ¡mol ¡p/h ¡≠ ¡0 ¡ ¡ ¡

Calcula>ng ¡rates ¡ • Not ¡measurable ¡by ¡sensors ¡ • Calculated ¡using ¡compound ¡balances ¡and ¡proper ¡measurements ¡ Substrate ¡measurements ¡+ ¡substrate ¡balance ¡→ ¡ mol ¡s/h ¡ Product ¡measurements ¡+ ¡product ¡balance ¡→ ¡ mol ¡p/h ¡ ¡ • Economic ¡feasibility ¡ ¡ ¡

SeEng ¡up ¡a ¡compound ¡balance ¡for ¡the ¡broth ¡ System boundary c i,in ¡ [mol ¡i/m 3 ] ¡ c i,out ¡ [mol ¡i/m 3 ] ¡ Broth F in ¡ [m 3 /h] ¡ F out ¡ [m 3 /h] ¡ c i ¡ [mol/m 3 ]·√V L ¡ [m 3 ] ¡= ¡N i ¡ [mol] ¡ (Transport ¡term) ¡ (Transport ¡term) ¡ ¡ d(V L c i )/dt ¡[mol/h] ¡= ¡dN i /dt ¡[mol/h] ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (Accumula>on/deple>on ¡term) ¡ ¡ Compound ¡balance: ¡d(V L c i )/dt ¡[mol ¡i/h] ¡= ¡F in c i,in ¡[mol ¡i/h] ¡-­‑ ¡F out c i,out ¡[mol ¡i/h] ¡ ¡

SeEng ¡up ¡a ¡compound ¡balance ¡ System boundary Broth Consump>on ¡rate ¡ R i [mol/h] Produc>on ¡rate ¡

Compound ¡balance ¡for ¡i ¡in ¡the ¡broth ¡ d(V L c i )/dt ¡= ¡ ¡ ¡R i ¡ ¡ + ¡ ¡F in c i,in ¡– ¡F out c i,out ¡ Transport ¡of ¡compound ¡i ¡ AccumulaDon/ ¡ Rate ¡of ¡producDon/ ¡ ¡ depleDon ¡of ¡ consumpDon ¡of ¡ ¡ compound ¡i ¡ compound ¡i ¡ ¡ ¡ ¡ [mol ¡i/h] ¡ [mol ¡i/h] ¡ [mol ¡i/h] ¡ ¡ ¡ ¡

Calcula>on ¡of ¡substrate ¡consump>on ¡rate ¡ ¡ ¡ d(V L c s )/dt ¡= ¡ ¡ ¡R S ¡ ¡ + ¡ ¡F in c s,in ¡– ¡F out c s,out ¡ Rate ¡of ¡consumpDon ¡ AccumulaDon/ ¡ Transport ¡of ¡glucose ¡ of ¡glucose ¡ depleDon ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ glucose ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ [mol ¡s/h] ¡ [mol ¡s/h] ¡ [mol ¡s/h] ¡ ¡ ¡

Calcula>on ¡example: ¡Substrate ¡consump>on ¡rate ¡ F in ¡ ¡ = ¡2 ¡m 3 /h ¡ ¡ c s,in ¡ = ¡1000 ¡mol ¡glucose/m 3 ¡ V L ¡ = ¡100 ¡m 3 ¡ c s ¡ = ¡1 ¡mol/m 3 ¡ F out ¡ ¡ = ¡2 ¡m 3 /h ¡ ¡ c s,out ¡ ¡ = ¡1 ¡mol ¡glucose/m 3 ¡ R s ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡F in c s,in ¡– ¡F out c s,out ¡ Steady-­‑state: ¡ d(V L C s )/dt ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ = ¡ ¡ R s ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡F out c s,out ¡ – ¡ ¡F in c s,in = ¡2·√1 ¡– ¡2·√1000 ¡ ¡= ¡-­‑1998 ¡mol ¡s/h ¡ ¡ ¡

Calcula>on ¡of ¡PDO ¡produc>on ¡rate ¡ d(V L c p )/dt ¡= ¡ ¡ ¡R p ¡ ¡ + ¡ ¡F in c p,in ¡– ¡F out c p,out ¡ Rate ¡of ¡producDon ¡of ¡ AccumulaDon/ ¡ Transport ¡of ¡PDO ¡ PDO ¡ depleDon ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ PDO ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (mol ¡p/h) ¡ (mol ¡p/h) ¡ (mol ¡p/h) ¡ ¡ ¡

Calcula>on ¡example: ¡PDO ¡produc>on ¡rate ¡ F in ¡ ¡ = ¡2 ¡m 3 /h ¡ ¡ c p,in ¡ = ¡0 ¡mol ¡PDO/m 3 ¡ V L ¡ = ¡100 ¡m 3 ¡ c p ¡ = ¡500 ¡mol/m 3 ¡ c p,out ¡ ¡ = ¡500 ¡mol ¡PDO/m 3 ¡ F out ¡ ¡ = ¡2 ¡m 3 /h ¡ ¡ R p ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡F in c p,in ¡– ¡F out c p,out ¡ Steady-­‑state: ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ = ¡ ¡ R p ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡F out c p,out ¡ – ¡ ¡F in c p,in = ¡2·√500 ¡– ¡2·√0 ¡ ¡= ¡1000 ¡mol ¡p/h ¡ ¡ ¡

Can ¡we ¡answer ¡the ¡money ¡ques>on? ¡ • Unstable substrate / product → degradation • Volatile substrate / product → ¡ escape to the gas phase ¡ NOT ¡YET ¡ PICTURE ¡IS ¡INCOMPLETE ¡ ¡

See ¡you ¡in ¡the ¡next ¡unit! ¡