bioprocesy-wykłady

Bilanse masowe bioprocesów

Wprowadzenie do bilansów masowych

• Bilanse masowe są kluczowym elementem analizy procesów biochemicznych i biotechnologicznych, które pomagają w zrozumieniu przepływu materii w układach biologicznych.

• Kluczowe pojęcia obejmują koncepcję systemu termodynamicznego, prawo zachowania masy oraz różne rodzaje bilansów.

Koncepcja systemu termodynamicznego

• System: badany układ materiałowy.

• Otoczenie: środowisko zewnętrzne dla systemu.

• Granice systemu: mogą być realne (np. ścianki fermentora) lub umowne.

  • System zamknięty: nie wymienia masy z otoczeniem.

  • System otwarty: wymienia masę z otoczeniem.

• Procesy: mogą być okresowe, półokresowe, okresowe z zasilaniem lub ciągłe.

  • Proces ustalony: parametry (temperatura, ciśnienie, itp.) pozostają stałe w czasie.

Prawo zachowania masy

• Masa jest zachowywana podczas reakcji fizycznych i chemicznych. Przykład:

  1. Wprowadza się masę Mp (kg/h glukozy).

  2. Wypuszcza się masę Mk (kg/h glukozy).

  • Różnice w Mp i Mk mogą wynikać z błędów pomiarowych, wycieków, reakcji chemicznych lub kumulacji masy.

• Ogólny bilans masy: Masa wprowadzona = Masa wyprowadzona + Masa wytworzona - Masa zużyta.

Rodzaje bilansów masowych

• Bilans różniczkowy: odnosi się do procesów ciągłych, wyrażanych w kg/h, itp.

• Bilans całkowy: odnosi się do procesów okresowych, oparty na jednostkach masy.

• Uproszczenie bilansu masowego: w procesie ciągłym i ustalonym względy dotyczące gromadzenia masy = 0, co prowadzi do uproszczenia.

Procedury wyznaczania bilansu masowego

1. Sporządzenie schematu procesu, uwzględniającego wszystkie masy wprowadzane i wyprowadzane.

2. Wybór jednostek miar.

3. Określenie założeń dotyczących analizowanego procesu (np. ustalone, nieustalone).

4. Identyfikacja składników systemu.

Przykłady bilansu masowego

• Przykład prostego bilansu masy: W procesie oczyszczania ścieków wszprzątano materiał biologiczny i oszacowano różnice masy celulozy i bakterii, tworząc równania bilansu masy.

Przykład 1: Bilans masy w procesach filtracyjnych

• Ilustruje wpływ dodawania ziemi okrzemkowej i obecności kanamycyny w osadzie filtracyjnym, wyznaczając ich zawartość w filtracie oraz w osadzie.

Wnioski z przykładów

• Przykłady bilansów masowych ilustrują, jak ważne jest monitorowanie przepływów masy w bioprocesach oraz ich dalsze analizy, aby uzyskać oczekiwane wyniki w produkcji biotechnologicznej.