FERM -- Chapter 9: Aeratie & Agitatie Flashcards
Waarom is aeratie zo belangrijk?
Veel fermentaties gebeuren aeroob, of hebben een/meerdere aerobe stap(pen).
Meestal zorgt een verlaagde hoeveelheid zuurstof voor minder productiviteit.
Tijdens het groeien van de organismen moet er genoeg zuurstof toegevoegd worden om aan de vraag van de organismen te voldoen. Dit gebeurt door aeratie en agitatie
Leg uit m.b.v. de oxidatie van glucose uit waarom aeratie en agitatie nodig is. Waar moeten we nog op letten?
C6H12O6 + 6 O2 –> 6 H2O + 6 CO2
Als we de molaire massa’s bekijken is er 192 g O2 nodig om 180g glucose te oxideren. Bovendien moeten beide componenten in oplossing zijn, maar O2 lost 6000x moeilijker op dan glucose (in H2O). Hierdoor is er nooit genoeg zuurstof in 1x aanwezig.
Maar we kunnen weinig zeggen aan de hand van deze reactie omdat er ook nog koolstof wordt gebruikt voor de productie van biomassa en producten. Hoeveel O2 er echt gebruikt wordt kunnen we hier dus ook niet mee zeggen.
Geef een voorbeeld van de vorming van gist om aan te tonen dat er nog O2 gebruikt wordt.
Darlington drukte de compositie van 100g gist uit als C3.92 H6.5 O1.94
Gist wordt gevormd vanuit koolhydraat (CH2O) en KWS (CH2)
6.67 CH2O + 2.1 O2 –> C3.92 H6.5 O1.94 + 2.75 CO2 + 3.42 H2O
en
7.14 CH2 + 6.135 O2 → C3.92H6.5O1.94 + 3.22 CO2 + 3.89 H2O
We zien dus dat O2 afhangt van de C-bron (KWS 3x meer nodig dan KHD om 100g gist te produceren)
Waarom mogen we niet af gaan op de overall zuurstofvraag?
Microbiele metabolismen hangen af van de concentratie van zuurstof opgelost in het medium (DOC).
Wat is DOC?
Dissolved Oxygen concentration
Wat is SOUR?
Specific Oxygen Uptake Rate (Q_O2)
The mmol of oxygen consumed per gram of dry weight of cells per hour
Wat is het effect van DOC op de zuurstofopname?
SOUR wordt hoger als DOC hoger wordt tot op een bepaald punt. De kritische dissolved oxygen concentration (C_crit). Boven dit punt is er zo goed als geen increase van SOUR meer. Het volgt een grafiek zoals die van Michaelis menten
Wat is het effect van DOC op biomassa- en productvorming. Wat is het gevolg?
Voor DOC < C_crit:
Biomassa productie verstoord
Productvorming kan verbeteren of verminderen
DOC > C_crit:
Geen invloed op biomassaproductie (maximum bereikt)
Productvorming
Aeratiecondities voor optimale productvorming kunnen verschillen tegenover die voor biomassaproductie
Geef een voorbeeld van de effecten van DOC op de productie van een reeks verbindingen die metabolisch verwant zijn.
Aminozuursynthese door brevibacterium flavum.
Bepaalde aminozuren worden bekomen door de Krebs cyclus. Zoals diegene afgeleid van aspartaat en die van glutamaat: bij waarden kleiner dan C_crit wordt hun.
In de slides staat een grafiek met daarin een hoop aminozuren op basis van hun graad van oxygen satisfaction. Dit is C_crit gelijk gesteld aan 1 (dus met percentages basically)
Op deze grafiek zien we ook dat andere aminozuren optimale productie hebben bij lagere waarden.
De verklaring hiervoor is dat de glutamaat en aspartaat gevormd worden door de krebs cyclus, een overmaat aan zuurstof zorgt dat deze cyclus meer zal gebeuren en er zal dus meer gevormd worden van deze
Wat is de meeste goedkope bron van zuurstof?
Lucht
Hoe varieert de methode voor zuurstoftoevoer tussen verschillende schalen?
Lab-schaal: schudflessen
Pilot/industriele schaal: agitatie & aeratie
Hoe gebeurt de opname van zuurstof uit lucht door een cel tijdens fermentatie?
- transfer van O2 uit luchtbel in oplossing naar de oplossing
- transfer van opgeloste O2 doorheen het fermentatiemedium naar de cel
- Opname van opgeloste O2 door de cel
Wat is de snelheidsbepalende stap bij zuurstofopname?
De eerste stap: de transfer van O2 in de oplossing vanuit de luchtbel.
Stap 2 kunnen we versnellen door agitatie.
Maar dit geldt enkel voor niet viskeuze fermentaties.
In het geval van viskeuze mengsels kunnen stap 2 en 3 ook de snelheidsbeperkende stap zijn.
Wat is OTR?
Oxygen Transfer Rate. De snelheid waarmee O2 transfer vanuit de luchtbel naar het medium gebeurt.
Wat is de vergelijking voor OTR? geef ook de grafiek en duid hierop de parameters aan
OTR = dC_L/dt = K_L * A (C* - C_L)
C_L: concentratie van de opgeloste zuurstof in het fermentatiemedium [mmol/l]
t: tijd [h]
dC_L/dt: verandering van opgeloste concentratie per tijdseenheid [mmol/l/h]
K_L: massatransfer coëfficiënt
a: gas/vloeistof-contactoppervlak per volume-eenheid [cm2/cm3]
C*: verzadigde opgeloste zuurstofconcentratie [mmol/l]
K_L en a zijn te moeilijk om te meten en daarom worden deze termen meestal gecombineerd tot K_La waarde: de volumetrische transfercoefficient [1/h]
