SLIDE 1
Sef ¡Heijnen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡
8
Biomass Product Biorefinery
Fermentation
Temperature pH
Learning about the process: Broth balances Sef - - PowerPoint PPT Presentation
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
SLIDE 2
SLIDE 3
¡ Money ¡currently ¡made ¡in ¡Euros/h? ¡ Needed ¡mol ¡p/h ¡and ¡mol ¡s/h ¡
The ¡money ¡ques>on… ¡
SLIDE 4
Measurements ¡in ¡the ¡fermenter ¡
Substrate ¡feed ¡ Microorganisms ¡ Product ¡ Broth ¡ou?low ¡ Gas ¡inflow ¡ Gas ¡ou?low ¡ Mixing ¡ Broth
SLIDE 5
Measure ¡concentra>ons ¡
- ¡ ¡Measure ¡concentraDons ¡in ¡Dme? ¡
¡ Steady ¡state: ¡ ¡ ConcentraDons ¡are ¡constant ¡in ¡Dme ¡but: ¡ mol ¡s/h ¡and ¡mol ¡p/h ¡≠ ¡0 ¡ ¡ ¡
SLIDE 6
- Not ¡measurable ¡by ¡sensors ¡
- Calculated ¡using ¡compound ¡balances ¡and ¡proper ¡measurements ¡
¡
- Economic ¡feasibility ¡ ¡
¡
Calcula>ng ¡rates ¡
Substrate ¡measurements ¡+ ¡substrate ¡balance ¡→ ¡mol ¡s/h ¡ Product ¡measurements ¡+ ¡product ¡balance ¡→ ¡mol ¡p/h ¡
SLIDE 7
ci,in ¡[mol ¡i/m3] ¡ Fin ¡[m3/h] ¡
(Transport ¡term) ¡ ¡
ci,out ¡[mol ¡i/m3] ¡ Fout ¡[m3/h] ¡
(Transport ¡term) ¡ ¡ ¡
SeEng ¡up ¡a ¡compound ¡balance ¡for ¡the ¡broth ¡
ci ¡[mol/m3]·√VL ¡[m3] ¡= ¡Ni ¡[mol] ¡
¡
Broth
d(VLci)/dt ¡[mol/h] ¡= ¡dNi/dt ¡[mol/h] ¡ ¡
(Accumula>on/deple>on ¡term) ¡
¡
Compound ¡balance: ¡d(VLci)/dt ¡[mol ¡i/h] ¡= ¡Finci,in ¡[mol ¡i/h] ¡-‑ ¡Foutci,out ¡[mol ¡i/h] ¡ ¡
System boundary
SLIDE 8
SeEng ¡up ¡a ¡compound ¡balance ¡
Broth
Consump>on ¡rate ¡
System boundary
Produc>on ¡rate ¡ Ri [mol/h]
SLIDE 9
d(VLci)/dt ¡= ¡ ¡ ¡Ri ¡
¡+ ¡
¡Finci,in ¡– ¡Foutci,out ¡
AccumulaDon/ ¡ depleDon ¡of ¡ compound ¡i ¡ ¡ [mol ¡i/h] ¡ ¡ Rate ¡of ¡producDon/ ¡ consumpDon ¡of ¡ compound ¡i ¡ ¡ [mol ¡i/h] ¡ ¡ Transport ¡of ¡compound ¡i ¡ ¡ ¡ ¡ [mol ¡i/h] ¡ ¡
Compound ¡balance ¡for ¡i ¡in ¡the ¡broth ¡
SLIDE 10
d(VLcs)/dt ¡= ¡ ¡ ¡RS ¡
¡+ ¡
¡Fincs,in ¡– ¡Foutcs,out ¡
AccumulaDon/ ¡ depleDon ¡of ¡ ¡ glucose ¡ ¡ [mol ¡s/h] ¡ Rate ¡of ¡consumpDon ¡
- f ¡glucose ¡
¡ ¡ [mol ¡s/h] ¡ ¡ Transport ¡of ¡glucose ¡ ¡ ¡ ¡ [mol ¡s/h] ¡ ¡
Calcula>on ¡of ¡substrate ¡consump>on ¡rate ¡ ¡ ¡
SLIDE 11
Calcula>on ¡example: ¡Substrate ¡consump>on ¡rate ¡
Fin ¡
¡= ¡2 ¡m3/h ¡ ¡
cs,in
¡= ¡1000 ¡mol ¡glucose/m3 ¡
Fout ¡
¡= ¡2 ¡m3/h ¡ ¡
cs,out ¡ ¡= ¡1 ¡mol ¡glucose/m3 ¡ VL ¡= ¡100 ¡m3
¡
cs ¡= ¡1 ¡mol/m3 ¡
Steady-‑state: ¡ d(VLCs)/dt ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ Rs ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Foutcs,out ¡– ¡ ¡Fincs,in= ¡2·√1 ¡– ¡2·√1000 ¡ ¡= ¡-‑1998 ¡mol ¡s/h ¡ ¡ ¡ Rs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡+ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Fincs,in ¡– ¡Foutcs,out ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡
SLIDE 12
d(VLcp)/dt ¡= ¡ ¡ ¡Rp ¡
¡+ ¡
¡Fincp,in ¡– ¡Foutcp,out ¡
AccumulaDon/ ¡ depleDon ¡of ¡ ¡ PDO ¡ ¡ (mol ¡p/h) ¡ Rate ¡of ¡producDon ¡of ¡ PDO ¡ ¡ ¡ (mol ¡p/h) ¡ ¡ Transport ¡of ¡PDO ¡ ¡ ¡ ¡ (mol ¡p/h) ¡ ¡
Calcula>on ¡of ¡PDO ¡produc>on ¡rate ¡
SLIDE 13
Calcula>on ¡example: ¡PDO ¡produc>on ¡rate ¡
Fin ¡
¡= ¡2 ¡m3/h ¡ ¡
Fout ¡
¡= ¡2 ¡m3/h ¡ ¡
VL ¡= ¡100 ¡m3
¡
cp ¡= ¡500 ¡mol/m3 ¡
Steady-‑state: ¡ Rp ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Foutcp,out ¡– ¡ ¡Fincp,in= ¡2·√500 ¡– ¡2·√0 ¡ ¡= ¡1000 ¡mol ¡p/h ¡ ¡ ¡ Rp ¡ ¡ ¡ ¡ ¡+ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Fincp,in ¡– ¡Foutcp,out ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ cp,in
¡= ¡0 ¡mol ¡PDO/m3 ¡
cp,out ¡ ¡= ¡500 ¡mol ¡PDO/m3 ¡
SLIDE 14
Can ¡we ¡answer ¡the ¡money ¡ques>on? ¡
- Unstable substrate / product → degradation
- Volatile substrate / product → ¡escape to the gas phase ¡
NOT ¡YET ¡ PICTURE ¡IS ¡INCOMPLETE ¡ ¡
SLIDE 15