Bioprocessteknik Provmoment: Ladokkod: TK141C Tentamen ges för: Bt3 7,5 högskolepoäng Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student) Tentamensdatum: 2015-01-15 Tid: 09:00 13:00 Hjälpmedel: räkneapparat Totalt antal poäng på tentamen: För att få respektive betyg krävs: 60 poäng 3 = 30p; 4 = 40p; 5 = 50p Allmänna anvisningar: Rättningstiden är som längst tre veckor Viktigt! Glöm inte att skriva namn på alla blad du lämnar in. Lycka till! Ansvarig lärare: Ilona Sárvári Horváth Telefonnummer: 0709-686433
2
1. Laboration Under laboration utförs satsvis odling av Saccharomyces cerevisiae som jäsande organism under anaeroba förhållanden: a) Vad händer om substrat koncentrationen fördubblas (inga andra förändringar sker)? (2p) b) Tänk ut minst 3 experimentella felkällor och rangordna dem i betydelse (4p) c) Antag att experimenten utförs i kemostat, dvs kontinuerlig odling. Vad händer om D ökar eller minskar med 10% ifrån D opt? Motivera ditt svar. (4p) 2. Bioreaktorer, tillväxtkinetik Nedanstående data visar tillväxt av biomassa samt förbrukning av substratet, glukos, vid satsvis odling av Aspergillus niger. Tid (h) Biomassa konc (g/l) Glukos konc (g/l) 0 1,25 100 9 2,45 97 16 5,1 90,4 23 10,5 76,9 30 22 48,1 34 33 20,6 36 37,5 9,38 40 41 0,685 a) Tag fram den maximala specifika tillväxthastigheten µ max (4p) b) Vad blir utbytet (Y x/s )? (1p) c) Beräkna hur mycket biomassa skulle ha varit producerade under samma förhållanden om den initiala substrat koncentrationen (S 0 ) skulle ha varit 150g/L istället. (3p) 3. Bevisa att under kontinuerlig odling i en kemostat som följer Monod kinetik ( ) och vid steady state förhållanden kan flödet (F) genom reaktorn uttryckas som en funktion av generationstiden (t g ). (4p) 4. Candida tropicalis odlas kontinuerlig i en omrörd tankreaktor. Tillväxtkinetiken kan beskrivas med Monod: där µ max = 0,27 h -1 För övrigt följande data gäller för processen: Utspädningshastighet, D = 0,18 h -1 Substrat koncentration i inflödet, S 0 = 10 kg/m 3 Substrat koncentration i utflödet, S = 0,032 kg/m 3 1
Biomassa koncentration i utflödet, X = 10,2 kg/m3 a) Beräkna K s (2p) b) Beräkna Y x/s (1p) c) Beräkna utspädningshastighet som ger maximal cellproduktion. Vid optimering gäller: S (3p) d) Beräkna produktivitet när odlingen körs under optimala förhållanden (2p) 5. I en kemostat anses tillväxten av Pseudomonas kunna beskrivas med Monod-kinetik,. Vidare gäller att vid ättiksyra som kolkälla är Generationstiden, t g = 2,4 h Ks = 1,3 g/l Substrat koncentration i inflödet, S 0 = 38 g/dm 3 och utbytet av biomassa på förbrukat substrat, Y x/s = 0,46 g/g a) Räkna ut biomassa (X) koncentrationen i utflödet vid utspädningshastighet, D som är hälften av den kritiska utspädningshastigheten (anta att D krit = µ max ) (3p). b) Beräkna produktiviteten vid D = 0,8D krit. (3p) 6. Bioetanol a) Stärkelse och cellulosa kan båda användas för produktion av bioetanol. Beskriv och jämför dessa ämnens kemiska egenskaper, deras i sammanhanget relevanta likheter och olikheter ur ett kemiskt/biokemiskt perspektiv. (4p) b) Beskriv varför det viktig att teknikutvecklingen pågår för att kunna producera etanol från lignocellulosa i industriellt skala på en ekonomisk lönsamt sätt? (4p) 7. Biogas a) Vilka fördelar har en samrötningsprocess (2p) b) Vad innebär begreppet organisk belastning? (1p) c) Vad kan inträffa om den organiska belastningen är för hög, motivera kortfattat ditt svar? (3p) d) Varför har processer som drivs vid termofila förhållanden (55 C rötningstemperatur) ofta en kortare uppehållstid än mesofila processer (37 C) (1p) e) Vilka typiska problem kan uppstå om en avfallsfraktion med för mycket fett, eller för mycket protein rötas. (2p) 2
8. Vattenrening En aktivslamanläggning (V= 2000 m 3 ) tillförs ett försedimenterat avloppsvatten F= 400 m 3 /h och med BOD= 100 g/m 3 (substrathalt in). Processen antas kunna beskrivas med monodkinetik med µ max =0,4 h -1 och Ks=10 g/m 3 samt Yx/s = 0,05 g/g. Recirkulation sker med en förtjockning c=2 och en flödeskvot α=0,5. Beräkna om anläggningen klarar att rena avloppsvattnet så att utgående BOD-halt understiger 10g/m 3? Redovisa alla beräkningar. (4p) 9. Sterilisering k d värdet för avdödning av sporer vid 109 C är 0,25 min -1. a) Vad blir avdödningskoefficienten (k d ) vid avdödning på 117 C istället om aktiveringsenergin E d = 2,88 10 5 J/mol? (2p) Använd Arrhenius ekvationen k d = k d0 e -Ed/RT b) Beräkna decimeringstiden (Decimal reduction factor) vid den här temperaturen (117 C). (1p) 3