SLIDE 1 Sef ¡Heijnen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡
Learning ¡about ¡the ¡microorganism: ¡ ¡ q-‑rates ¡and ¡chemostat ¡
SLIDE 2 From ¡measurements ¡to ¡process ¡rates ¡
Fin ¡ cs,in ¡ cx,in ¡
¡
FN,out ¡ yN2,out ¡ yO2,out ¡ yCO2,out ¡ Fout ¡ cs,out ¡ cx,out ¡ cp,out ¡ FN,in ¡ yN2,in ¡ yO2,in ¡ yCO2,in ¡ RO ¡ ¡ [mol ¡O2/h] ¡ RC ¡ ¡ [mol ¡CO2/h] ¡ Rs ¡[mol ¡s/h] ¡ Rx ¡[mol ¡x/h] ¡ Rp ¡[mol ¡p/h] ¡ Measurements ¡ ¡ & ¡balances ¡
VL ¡ cs ¡ cx ¡ cp ¡
¡
VL ¡ cs ¡ cx ¡ cp ¡
¡
SLIDE 3 Rs ¡[mol ¡s ¡/ ¡h] ¡ Rx ¡[mol ¡x ¡/ ¡h] ¡ Rp ¡[mol ¡p ¡/ ¡h] ¡ RO ¡[mol ¡O2 ¡/ ¡h] ¡ RC ¡[mol ¡CO2 ¡/ ¡h] ¡
qp ¡ qCO2 ¡ qs ¡ qO2 ¡ µ ¡(= ¡qx) ¡
¡
From ¡process ¡rates ¡(R) ¡ ¡ to ¡biomass ¡specific ¡rates ¡(q) ¡
SLIDE 4
Biomass ¡specific: ¡q-‑rates ¡
Biomass ¡specific ¡rates ¡
¡
SLIDE 5
Biomass ¡specific: ¡q-‑rates ¡
Process ¡rates ¡
¡
SLIDE 6
Biomass ¡specific: ¡q-‑rates ¡
Total ¡amount ¡of ¡biomass ¡
¡
SLIDE 7
Why ¡are ¡q-‑rates ¡important? ¡
Q-‑rates ¡quanIfy ¡the ¡performance ¡of ¡the ¡organisms ¡ ¡
Drawing ¡conclusions ¡only ¡from ¡product ¡concentraQons ¡is ¡dangerous! ¡ ¡
SLIDE 8
Why ¡drawing ¡conclusions ¡from ¡concentraIons ¡is ¡dangerous: ¡ Product ¡yield ¡(exp ¡1) ¡
SLIDE 9 Broth ¡ ¡ (steady ¡state) ¡ Fin ¡
¡= ¡0.1 ¡m3/h ¡ ¡
cs,in ¡= ¡300 ¡mol ¡glucose/m3 ¡ cp,in ¡= ¡0 ¡mol ¡product/m3 ¡
Product ¡yield ¡(exp ¡1) ¡
pH ¡control ¡acid/base ¡ FpH ¡ ¡= ¡0.02 ¡m3/h ¡ ¡ Fout ¡ ¡ ¡ ¡= ¡0.12 ¡m3/h ¡ ¡ cs,out ¡= ¡150 ¡mol ¡glucose/m3 ¡ cp,out ¡= ¡100 ¡mol ¡product/m3 ¡ ¡
mol ¡p/mol ¡s ¡= ¡Rp/Rs ¡= ¡qp/qs ¡= ¡12 ¡/ ¡(30 ¡-‑18) ¡= ¡1.0 ¡mol ¡p/mol ¡s ¡ ¡
VL ¡= ¡1.00 ¡m3
¡
¡
cx ¡= ¡1000 ¡ mol ¡x/m3 ¡
¡
mol ¡p/mol ¡s ¡ ¡ ¡= ¡(cp,out-‑cp,in)/(cs,in-‑cs,out) ¡= ¡(100 ¡-‑ ¡0)/(300 ¡-‑150) ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡0.667 ¡mol ¡p/mol ¡s ¡ ¡
SLIDE 10
Why ¡drawing ¡conclusions ¡from ¡concentraIons ¡is ¡dangerous: ¡ Product ¡inhibiIon ¡(exp ¡2) ¡
SLIDE 11 Product ¡inhibiIon ¡(exp ¡2) ¡
Fin ¡
¡= ¡0.1 ¡m3/h ¡ ¡
cs,in ¡= ¡300 ¡mol ¡glucose/m3 ¡ cp,in ¡= ¡100 ¡mol ¡product/m3 ¡ ¡ pH ¡control ¡acid/base ¡ FpH ¡ ¡= ¡0.02 ¡m3/h ¡ ¡
¡
Fout ¡ ¡ ¡ ¡= ¡0.12 ¡m3/h ¡ ¡ cs,out ¡= ¡150 ¡mol ¡glucose/m3 ¡ cp,out= ¡183.3 ¡mol ¡product/m3 ¡ ¡
qp ¡(exp ¡2) ¡ ¡= ¡(0.12 · 183.3 ¡– ¡0.10 · 100) ¡/ ¡(1.00 · 1000) ¡= ¡0.012 ¡mol ¡p/h ¡ cp,out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100 ¡(exp1) ¡+ ¡100 ¡= ¡200 ¡mol ¡p/m3 à inhibition? ¡ qp ¡(exp ¡1) ¡ ¡= ¡(0.12 ¡·√ ¡100 ¡– ¡0.10 · 0) ¡/ ¡(1.00 · 1000) ¡= ¡0.012 ¡mol ¡p/h ¡
Broth ¡ ¡ (steady ¡state) ¡ VL ¡= ¡1.00 ¡m3
¡
¡
cx ¡= ¡1000 ¡ mol ¡x/m3 ¡
¡
SLIDE 12 Compare ¡microorganisms ¡
- ¡Make ¡balances ¡
- ¡Do ¡measurements ¡
- ¡Calculate ¡q-‑values ¡for ¡two ¡different ¡organisms ¡
- ¡Draw ¡your ¡conclusions ¡
- ¡Do ¡not ¡compare ¡concentraQons ¡
- ¡Do ¡experiments ¡
SLIDE 13 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 ¡ ¡
SLIDE 14 Fin ¡[m3 ¡/ ¡h] ¡ cx,in ¡[mol ¡x ¡/ ¡m3 ¡] ¡ Fout ¡[m3 ¡/ ¡h] ¡ cx,out ¡[mol ¡x ¡/ ¡m3] ¡
How ¡to ¡control ¡μ ¡in ¡a ¡chemostat: ¡Biomass ¡balance ¡
VL ¡ ¡[m3] ¡
¡
cx ¡ ¡[mol ¡x/m3] ¡
¡
SLIDE 15
SeXng ¡up ¡the ¡biomass ¡balance ¡for ¡chemostat ¡
AccumulaQon ¡ ProducQon ¡ RX(t) ¡ ¡ Inflow ¡ Ouglow ¡
SLIDE 16 Steady ¡state ¡
0 ¡ 20 ¡ 40 ¡ 60 ¡ 80 ¡ 100 ¡ 120 ¡ 0 ¡ 2 ¡ 4 ¡ 6 ¡ 8 ¡ 10 ¡ 12 ¡ 14 ¡ t ¡(h) ¡ Cx ¡(gCDW) ¡ Cs ¡(mM) ¡ Cp ¡(mM) ¡ V ¡(L) ¡
Steady ¡state, ¡ ¡ Dynamic ¡
cx ¡[g ¡CDW] ¡ cs ¡[mM] ¡ cp ¡[mM] ¡ VL ¡[L] ¡
¡ ¡but ¡Ri ¡≠ ¡0 ¡
SLIDE 17
SeXng ¡up ¡the ¡steady ¡state ¡biomass ¡balance ¡for ¡ chemostat ¡
VL ¡and ¡cx ¡are ¡ constant ¡in ¡Qme ¡
/h
SLIDE 18
cx ¡= ¡cx,out ¡
¡
Fout ¡= ¡Fin ¡
¡
AssumpIons ¡ Olen ¡true ¡ Olen ¡not ¡true ¡ Always ¡measure ¡cx, ¡cx,out, ¡Fin ¡and ¡Fout ¡
SLIDE 19
Ideal ¡broth ¡ouglow: ¡ ¡ ¡cx,out ¡= ¡cx ¡ Biomass ¡concentraQon ¡ in ¡the ¡inflow ¡zero ¡
Chemostat ¡with ¡ideal ¡broth ¡ou[low ¡and ¡no ¡ biomass ¡in ¡the ¡feed ¡
à ¡We ¡control ¡µ! ¡ ¡
0 ¡ cx ¡
SLIDE 20
Obtaining ¡other ¡q-‑rates: ¡
Substrate ¡balance: ¡ ¡ (for ¡qs) ¡
¡
Product ¡balance: ¡ ¡ (for ¡qp) ¡
¡ The ¡remainder ¡you ¡can ¡do ¡yourselves ¡J ¡
Other ¡balances: ¡
¡
SLIDE 21 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 ¡
¡
SLIDE 22
See ¡you ¡in ¡the ¡next ¡unit! ¡
