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.
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.
Masa jest zachowywana podczas reakcji fizycznych i chemicznych. Przykład:
Wprowadza się masę Mp (kg/h glukozy).
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.
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.
Sporządzenie schematu procesu, uwzględniającego wszystkie masy wprowadzane i wyprowadzane.
Wybór jednostek miar.
Określenie założeń dotyczących analizowanego procesu (np. ustalone, nieustalone).
Identyfikacja składników systemu.
Przykład prostego bilansu masy: W procesie oczyszczania ścieków wszprzątano materiał biologiczny i oszacowano różnice masy celulozy i bakterii, tworząc równania bilansu masy.
Ilustruje wpływ dodawania ziemi okrzemkowej i obecności kanamycyny w osadzie filtracyjnym, wyznaczając ich zawartość w filtracie oraz w osadzie.
Przykłady bilansów masowych ilustrują, jak ważne jest monitorowanie przepływów masy w bioprocesach oraz ich dalsze analizy, aby uzyskać oczekiwane wyniki w produkcji biotechnologicznej.