Monod Eq. 1

Batch Culture Growth Model ▶ Batch growth curve assumes a sigmoidal shape. ▶ This shap can be predicted by combining the Monod eq. with the growth eq. 2

Ideal Constant-Stirred Tank Reactor Chemostat Material balance on the cell concentration 3

Steady-state and sterile feed 4

Substrate concentration If D is set at a value greater than mm → “wash out” 5

Without Endogenous Metabolism Mass balance eq. for substrate S in the absence of endogenous metabolism yields 6

For the simple case, extracellular product formation is negligible , and the system is at steady state . 7

With Endogenous Metabolism substitution or no extracellular product formation, substrate mass balance is at steady-state apparent yield 8

Measurement of Maximum Cell Yield and Maintenance using a Chemostat 9

Using Chemostat to Determine mmax and Ks 10

Ch07. 미생물 생장과 산물 생성에 관한 양론

Stoichiometric Calculations(양론계산) Elemental Balances CHmOn + a O2 + b NH3 → c CHαOβNδ + d H2O + e CO2 Simplified biological conversion: no extracellular products other than H2O and CO2 Simple element balances on C, H, O, and N yield C: 1 = c + e H: m + 3b = cα + 2d O: n + 2a = cβ + d + 2e N: b = cδ RQ (respiratory Quotient): moles of CO2 produced per mole of oxygen consumed RQ = e/a

Stoichiometric Calculations(양론계산) Degree of Reduction (환원도) Elemental balance는 한 반응의 에너지적인 측면에 대해 아무런 통찰력을 제공하지 못한다 결과적으로, 환원도(r: reduction of degree)라는 개념이 개발되었으며 생물반응에 있어서의 양성자-전자 수지를 위해 사용된다. 환원도 r는 1g 원자 탄소당 가용전자의 당량 수로 정의된다. 가용전자란 한 화합물을 CO2, H2O, NH3로 산화시킬 때 산소로 전달되는 전자 주요 원소들의 환원도 C=4, H=1, N=-3, O=-2, P=5, S=6 기질의 환원도 계산 메탄(CH4): 1(4) + 4(1) = 8, r=8/1=8 포도당(C6H12O6): 6(4) + 12(1) + 6(-2)=24, r=24/6=4 에탄올 (C2H5OH): 2(4) + 6(1) + 2(-1)=12, r=12/2=6 환원도: r(메탄)> r(에탄올)> r (포도당)

Stoichiometric Calculations(양론계산) Degree of Reduction (환원도) CHmOn + aO2 + bNH3 → cCHαOβNδ + dCHxOyNz + eH2O + f CO2 rs = 4 + m – 2n rb = 4 + α – 2β -3δ rp = 4 + x – 2y -3z c + d + f =1 cδ + dz =b crb + drp = rs-4a

C16H34 + aO2 + bNH3 → c (C4.4Hα7.3O1.2N0.86 )+ d H2O + e CO2 예제문제 7.1 Hexadecane: C16H34 + aO2 + bNH3 → c (C4.4Hα7.3O1.2N0.86 )+ d H2O + e CO2 2.42 0.909 5.33 2 Glucose : C6H34O6 + aO2 + bNH3 → c (C4.4Hα7.3O1.2N0.86 )+ d H2O + e CO2 어느 특정 미생물에 대한 실험 결과, 기질 탄소의 2/3 (wt/wt)를 바이오매스로 전환 a. 두 반응들의 양론계수를 계산 Hexadecane의 경우 1몰의 기질 중 탄소 질량: 16 (12) = 192 g 바이오매스로 전환된 탄소: 192(2/3)=128 g 128g = c (4.4)(12), c=2.42 CO2로 전환된 탄소 192-128=64 64=e(12), e = 5.33 Glucose의 경우 1몰의 기질 중 탄소 질량: 6 (12) = 72 g 바이오매스로 전환된 탄소: 7(2/3)=48 g 48g = c (4.4)(12), c=0.909 CO2로 전환된 탄소 72-48=24 24=12(e), e=2

예제문제 7.1 2.085 12.43 Hexadecane: C16H34 + aO2 + bNH3 → 2.42(C4.4H7.3O1.2N0.86 )+ d H2O + 5.33CO2 Glucose : C6H34O6 + aO2 + bNH3 → 0.909(C4.4H7.3O1.2N0.86 )+ d H2O + 2CO2 어느 특정 미생물에 대한 실험 결과, 기질 탄소의 2/3 (wt/wt)를 바이오매스로 전환 a. 두 들의 양론계수 계산 Hexadecane의 경우 N: b = 2.42 (0.86), b=2.085 H: 34+3(2.085) = 2.42(7.3) + 2d, d=12.43 O: 2a + 2.42(1.2)+12.43+5.33(2) a= 12.427 Hexadecane의 경우 N: b = 0.909 (0.86), b=0.782 H: 34+0.782(3) = 0.909(7.3) + d(2), d=3.854 O: 6 + a(2) = 0.909(1.2)+ 3.854(1) +2(2) a=1.472 Hexadecane: C16H34 + 12.427 O2 + 2.085 NH3 → 2.42(C4.4H7.3O1.2N0.86 )+ 12.43 H2O + 5.33CO2 Glucose : C6H34O6 + 1.472 O2 + 0.782 NH3 → 0.909(C4.4H7.3O1.2N0.86 )+ 3.854 H2O + 2CO2

예제문제 7.1 Hexadecane: C16H34 + 12.427 O2 + 2.085 NH3 → 2.42(C4.4H7.3O1.2N0.86 )+ 12.43 H2O + 5.33CO2 Glucose : C6H34O6 + 1.472 O2 + 0.782 NH3 → 0.909(C4.4H7.3O1.2N0.86 )+ 3.854 H2O + 2CO2 b. 두 반응의 수율 계수 Yx/s (g dw 세포/g 기질), Yx/o2 (g dw 세포/g O2)를 계산 Hexadecane Glucose

수율 계수의 이론적 예측 예제 7.2