расчет выхода

7.Расчет теоретического выхода продукта.

Необходимо рассчитать количество компонентов питательной среды для накопления 1 кг молочнокислых бактерий.

1.Уравнение баланса по органогенным элементам.

CH_mO+aNH₃+bCb—>УсСН ₈О₆ N₄ +(1-у_с)С0₂+сН₂0

2.Составляем предварительно рецептуру синтетической питательной среды для выращивания биомассы.

Компонент «С» - сахароза,

компонент «N» - NH₄N0₃,

компонент «О» - кислород воздуха,

компонент «Р» - фосфор,

компонент «S» - сера.

3.Составим стехиометрическое уравнение.

V_aA+ V_B B V_cC+V_DD+V_HAH

4.Для расчета стехиометрических коэффециэнтов составим формулу биомассы молочнокислых бактерий

Элементарный состав биомассы: С - 53%, Н - 7%, N - 12%, О - 20%, Р - 3%, S - 1%, и золы - 4%. В первом приближении формула биомассы бактерий имеет вид: C_4.42H₇O_1.25N_0.86P_0.1S_0.03- В гипотетической молекуле биомассы не может быть дробных атомов, поэтому умножим коэффициенты на 100: C₄₄₂H₇₀₀O₁₂₅N₈₆P₁₀S₃- В стехиометрических расчётах допускается пренебрегать малоколичественными элементами (Р, S). Для расчётов принимают молекулярную массу такой, чтобы в ней оказался 1 г атом углерода. Для этого поделим на 442:

С₁Н_1.58O_0.19N_0.23

5.Производим расчёт С - моля биомассы молочнокислых бактерий.

ММ_{с - моль}=n_сММ_с+ n_нММ_н+n_оММ_о+ n_NMM_N

ММ_С-моль=1* 12+1,58*1+0,19* 16+0,23*14=19,84

Расчёт С - моля субстрата определяют исходя из формулы сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ так же как и для С - моля биомассы. После деления коэффициентов на 12 она имеет вид: C₁H_1.83O_0.92. Тогда молярная масса С - моля сахарозы, равна:

ММ’_с-моль⁼ 1 * 12+1,83 *1+ О,92* 16=28,55

6.Определяем теоретический выход биомассы по формуле:

Y= ММ_{С - моль}/ ММ’ _{с –моль}

Подставив численные значения получим:

Y=19,84/28,55=0,695

7.Фактический выход биомассы и реальных условий меньше и составляет обычно около 0,5.

8.Для определения количества субстрата затрачиваемого биомассой на энергетические нужды рассчитаем энергетический выход биомассы по формуле:

n=у_s/у_х

где y_s, у_х- энергия, заключенная в субстрате и биомассе соответственно. Расчёт величин y_s и у_х осуществляем, используя степень восстановленности по основным элементам углероду, водороду, кислороду и азоту.

9.Степень восстановленности С - моля сахарозы рассчитаем по формуле: y_s=4m+ln-2p-3q

где, 4, 1, 2, 3 - числа свободных электродов, соответственно С, Н, О, N; , m, n, q,р - индексы атомов при углероде, водороде, кислороде и азоте соответственно.

Подставив численные значения, получим:

y_s=4* 1+1 *1,83-2*0,92=3,99.

Аналогично рассчитаем степень восстановления биомассы:

у_х=4*1+1*1,58-2*0,19-3*0,23=4,51

Рассчитаем энергетический выход:

n=3,99/4,51=0,885.

От этой величины можно перейти к обычному выходу биомассы:

Y_Б.М. = n * ММ_с-моль/ ММ_с-моль

Y_Б.М.=0,885* 19,84/28,55=0,615

10.Составляем стехиометрическое уравнение для синтеза биомассы молочнокислых бактерий, исходя из теоретического выхода биомассы Y_Б.М.⁼0,615, т.е из 1 кг сахарозы образуется 0,615 кг биомассы. Принимаем что соотношение биомассы и молочной кислоты в результате биосинтеза составляет 1:3,тогда из 1 кг сахарозы образуется 0,17375 кг биомассы и 0,52125 кг молочной кислоты.

У_s[сахароза] Х+ У_р[молочная кислота]

1000/342[сахароза]-* 173,75[биомасса]/19,84+521,25[молочная кислота]/90

2,92[S] 8,76[Х]+5,79[Р]

0,333[S] [X]+0,661[P]

Значения индексов для Сахаров (С₁₂Н₂₂О₁₁ ,):M_s=12; N_s=22; P_s=l 1. Значения индексов для молочной кислоты (С₃Н₆0₆): m_р=3; n_р=6; р_р=3. Общее стехиометрическое соотношение обмена веществ имеет вид:

V_s[S] +V₀₂[O₂]+ NH₃[NH₃] X+V_p[P]+V_CO2[C0₂]+V_h2o[H₂0]

Тогда уравнение баланса будет иметь вид:

V_s*M_s=l+V_p*m_p+V_CO2

V_s*N_s+V_NH3*3=l,8+V_P*nP+V_H20*2

V_s*P_s⁺V_O2*2=0,5+V_p*P_p+V_CO2*2+V_H2o*1

V_s*g_s+V_NH3 =0,2+V_p*g_p

Подставив численные значения, получим:

0,333*12=1+0,661*3+V_CO2

0,333*22+V_NH3*3=1,8+0,661*6+V_H20*2

0,333*11+V_O2*2=0,5+0,661 *3+V_CO2*2+V_H2o*l

0,333*0+V_NH3 =0,2+0,661*0

V_СО2=1,013

2*V_Н2О-3*V_nh3=1,56

2*V₀₂- V_Н2О=0,846

V_NH3=0,2

V_CO2=l,013

V_H2O=1,08

V_O2=0,963

V_NH3=0,2

Общее стехиометрическое соотношение обмена веществ имеет вид:

0,33 [С₁₂Н₂₂О₁₁] +0,963 [0₂]+ 0,2[NH₃] С₁Н₂₁,₅₈О_0,19N_0,23 +0,661[С₃Н₆О₃]+

+1,013 [С0₂]+1,08 [Н₂0]

11.Чтобы получить 1 кг молочной кислоты, необходимо

n=m/M= 1000кг/90кг/кмоль= 11,11 кмоль

По уравнению реакции имеем, что количество:

n[С₁₂Н₂₂О₁₁] - 5,597; n[0₂]=16,19кмоль; n[NН₃]=3,36кмоль

12.Зная содержание сахарозы в мелассе(52%),получим:

n[С₁₂Н₂₂О₁₁] - 5,597*342=1941,174кг.

тогда

m[мелассы]= 100* 1914,174/52=3681,1 кг.

13.Зная содержание NH₃ в NH₄N0₃, рассчитаем массу NH₄NO₃:

m[NH₃]=0,23 * 17=3,91 кг,

тогда

17/80=3,91/ m[NH₄N0₃],=> m[NH₄N0₃]=18,4 кг.

14.Масса кислорода 16,19*32=518,08 кг. Источником кислорода служит воздух. Содержание кислорода в воздухе составляет 23,3%(масс.)

m_O2=518,08*100/23,3=2223,5 кг

Плотность воздуха при 0°С равна р= 1,293, тогда при 20°С: р=1,293*(273/273+20)

р= 1,205 кг/м³

Необходимый объем воздуха:

V= m_O2/p

V=2223,5/1,205=1845,2м³