Learning about the microorganism: q-rates and chemostat - PowerPoint PPT Presentation

Learning ¡about ¡the ¡microorganism: ¡ ¡ q-­‑rates ¡and ¡chemostat ¡ Sef ¡Heijnen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

From ¡measurements ¡to ¡process ¡rates ¡ F N,out ¡ y N2,out ¡ y O2,out ¡ y CO2,out ¡ F in ¡ R s ¡ [mol ¡s/h] ¡ c s,in ¡ V L ¡ V L ¡ R x ¡ [mol ¡x/h] ¡ c x,in ¡ Measurements ¡ ¡ c s ¡ c s ¡ R p ¡ [mol ¡p/h] ¡ ¡ & ¡balances ¡ c x ¡ c x ¡ R O ¡ ¡ c p ¡ c p ¡ [mol ¡O 2 /h] ¡ F N,in ¡ F out ¡ R C ¡ ¡ y N2,in ¡ ¡ ¡ c s,out ¡ [mol ¡CO 2 /h] ¡ y O2,in ¡ c x,out ¡ y CO2,in ¡ c p,out ¡

From ¡process ¡rates ¡(R) ¡ ¡ to ¡biomass ¡specific ¡rates ¡(q) ¡ q O2 ¡ q s ¡ R s ¡ [mol ¡s ¡/ ¡h] ¡ R x ¡ [mol ¡x ¡/ ¡h] ¡ R p ¡ [mol ¡p ¡/ ¡h] ¡ µ ¡(= ¡q x ) ¡ q CO2 ¡ R O ¡ [mol ¡O 2 ¡/ ¡h] ¡ q p ¡ R C ¡ [mol ¡CO 2 ¡/ ¡h] ¡ ¡

Biomass ¡specific: ¡q-­‑rates ¡ Biomass ¡specific ¡rates ¡ ¡

Biomass ¡specific: ¡q-­‑rates ¡ Process ¡rates ¡ ¡

Biomass ¡specific: ¡q-­‑rates ¡ Total ¡amount ¡of ¡biomass ¡ ¡

Why ¡are ¡q-­‑rates ¡important? ¡ Q-­‑rates ¡quanIfy ¡the ¡performance ¡of ¡the ¡organisms ¡ ¡ Drawing ¡conclusions ¡only ¡from ¡product ¡concentraQons ¡is ¡dangerous! ¡ ¡

Why ¡drawing ¡conclusions ¡from ¡concentraIons ¡is ¡dangerous: ¡ Product ¡yield ¡(exp ¡1) ¡

Product ¡yield ¡(exp ¡1) ¡ F in ¡ ¡ = ¡0.1 ¡m 3 /h ¡ ¡ c s,in ¡ = ¡300 ¡mol ¡glucose/m 3 ¡ V L ¡ = ¡1.00 ¡m 3 ¡ c p,in ¡ = ¡0 ¡mol ¡product/m 3 ¡ c x ¡ = ¡1000 ¡ ¡ mol ¡x/m 3 ¡ ¡ Broth ¡ ¡ F out ¡ ¡ ¡ ¡ = ¡0.12 ¡m 3 /h ¡ ¡ (steady ¡state) ¡ pH ¡control ¡acid/base ¡ c s,out ¡ = ¡150 ¡mol ¡glucose/m 3 ¡ F pH ¡ ¡ = ¡0.02 ¡m 3 /h ¡ ¡ c p,out ¡ = ¡100 ¡mol ¡product/m 3 ¡ ¡ mol ¡ p/mol ¡s ¡ ¡ ¡= ¡(c p,out -­‑c p,in )/(c s,in -­‑c s,out ) ¡= ¡(100 ¡-­‑ ¡0)/(300 ¡-­‑150) ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡0.667 ¡mol ¡p/mol ¡s ¡ ¡ mol ¡p/mol ¡s ¡= ¡R p /R s ¡= ¡q p /q s ¡ = ¡ 12 ¡/ ¡(30 ¡-­‑18) ¡= ¡1.0 ¡mol ¡p/mol ¡s ¡ ¡

Why ¡drawing ¡conclusions ¡from ¡concentraIons ¡is ¡dangerous: ¡ Product ¡inhibiIon ¡(exp ¡2) ¡

Product ¡inhibiIon ¡(exp ¡2) ¡ F in ¡ ¡ = ¡0.1 ¡m 3 /h ¡ ¡ c s,in ¡ = ¡300 ¡mol ¡glucose/m 3 ¡ V L ¡ = ¡1.00 ¡m 3 ¡ c p,in ¡ = ¡100 ¡mol ¡product/m 3 ¡ c x ¡ = ¡1000 ¡ ¡ ¡ mol ¡x/m 3 ¡ ¡ Broth ¡ ¡ F out ¡ ¡ ¡ ¡ = ¡0.12 ¡m 3 /h ¡ ¡ (steady ¡state) ¡ pH ¡control ¡acid/base ¡ c s,out ¡ = ¡150 ¡mol ¡glucose/m 3 ¡ F pH ¡ ¡ = ¡0.02 ¡m 3 /h ¡ ¡ c p,out = ¡183.3 ¡mol ¡product/m 3 ¡ ¡ ¡ c p,out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100 ¡(exp1) ¡+ ¡100 ¡= ¡200 ¡mol ¡p/m 3 à inhibition? ¡ q p ¡(exp ¡1) ¡ ¡= ¡(0.12 ¡·√ ¡100 ¡– ¡0.10 · 0) ¡/ ¡(1.00 · 1000) ¡= ¡0.012 ¡mol ¡p/h ¡ q p ¡(exp ¡2) ¡ ¡= ¡(0.12 · 183.3 ¡– ¡0.10 · 100) ¡/ ¡(1.00 · 1000) ¡= ¡0.012 ¡mol ¡p/h ¡

Compare ¡microorganisms ¡ • ¡Do ¡not ¡compare ¡concentraQons ¡ • ¡Make ¡balances ¡ • ¡Do ¡experiments ¡ • ¡Do ¡measurements ¡ • ¡Calculate ¡q-­‑values ¡for ¡two ¡different ¡organisms ¡ • ¡Draw ¡your ¡conclusions ¡

Behaviour ¡of ¡microorganisms ¡ • µ ¡determines ¡the ¡behaviour ¡of ¡the ¡microorganisms ¡ • ¡Forcing ¡the ¡organisms ¡to ¡have ¡different ¡µ ¡values ¡: ¡how? ¡ • ¡Run ¡fermenter ¡in ¡chemostat ¡mode ¡ ¡ • ¡Growth ¡rate ¡µ ¡can ¡be ¡controlled ¡in ¡chemostat ¡ Other ¡q-­‑rates ¡will ¡change ¡when ¡we ¡change ¡µ ¡ ¡

How ¡to ¡control ¡μ ¡in ¡a ¡chemostat: ¡Biomass ¡balance ¡ F in ¡[m 3 ¡ / ¡h] ¡ c x,in ¡[mol ¡x ¡/ ¡m 3 ¡] ¡ V L ¡ ¡[m 3 ] ¡ c x ¡ ¡[mol ¡x/m 3 ] ¡ ¡ ¡ F out ¡[m 3 ¡/ ¡h] ¡ c x,out ¡[mol ¡ x ¡ / ¡m 3 ] ¡

SeXng ¡up ¡the ¡biomass ¡balance ¡for ¡chemostat ¡ AccumulaQon ¡ ProducQon ¡ Inflow ¡ Ouglow ¡ R X (t) ¡ ¡

Steady ¡state ¡ Dynamic ¡ Steady ¡state, ¡ ¡ ¡ ¡but ¡ R i ¡ ≠ ¡0 ¡ 120 ¡ 100 ¡ 80 ¡ Cx ¡(gCDW) ¡ c x ¡[g ¡CDW] ¡ 60 ¡ Cs ¡(mM) ¡ c s ¡[mM] ¡ Cp ¡(mM) ¡ c p ¡[mM] ¡ 40 ¡ V L ¡[L] ¡ V ¡(L) ¡ 20 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 2 ¡ 4 ¡ 6 ¡ 8 ¡ 10 ¡ 12 ¡ 14 ¡ t ¡(h) ¡

SeXng ¡up ¡the ¡steady ¡state ¡biomass ¡balance ¡for ¡ chemostat ¡ V L ¡and ¡c x ¡are ¡ constant ¡in ¡Qme ¡ /h

AssumpIons ¡ c x ¡= ¡c x,out ¡ F out ¡= ¡F in ¡ ¡ ¡ Olen ¡true ¡ Olen ¡ not ¡ true ¡ Always ¡measure ¡c x , ¡c x,out , ¡F in ¡and ¡F out ¡

Chemostat ¡with ¡ideal ¡broth ¡ou[low ¡and ¡no ¡ biomass ¡in ¡the ¡feed ¡ c x ¡ 0 ¡ Ideal ¡broth ¡ouglow: ¡ ¡ ¡c x,out ¡= ¡c x ¡ Biomass ¡concentraQon ¡ in ¡the ¡inflow ¡zero ¡ à ¡We ¡control ¡µ! ¡ ¡

Obtaining ¡other ¡q-­‑rates: ¡ Substrate ¡balance: ¡ ¡ (for ¡q s ) ¡ ¡ Product ¡balance: ¡ ¡ (for ¡q p ) ¡ ¡ Other ¡balances: ¡ The ¡remainder ¡you ¡can ¡do ¡yourselves ¡ J ¡ ¡

Wrap ¡up: ¡Learning ¡about ¡the ¡microorganism: ¡ ¡ q-­‑rates ¡and ¡chemostat ¡ q-­‑rates ¡are ¡key ¡performance ¡indicators ¡ • Are ¡calculated ¡from ¡proper ¡compound ¡balances ¡and ¡ measurements ¡ • Can ¡be ¡controlled ¡in ¡chemostat ¡by ¡us ¡ Never ¡judge ¡microorganism ¡performance ¡based ¡on ¡concentraIons ¡ • Use ¡q-­‑rates! ¡ ¡

See ¡you ¡in ¡the ¡next ¡unit! ¡