ÿþT B P 0 1 x 4 . 3 F e r m e n t e r o p e r a t i o n
U n t i l n o w w e h a v e s e e n s o m e l a r g e s c a l e f e r m e n t e r d e s i g n s . T h e y h a v e d i f f e r e n t s h a p e s a n d
c o m e w i t h d i f f e r e n t g e o m e t r i e s . H o w t h e y a r e b e i n g u s e d f o r t h e p r o c e s s d e p e n d s o n t h e
m o d e o f o p e r a t i o n . T y p i c a l l y t h e r e a r e t h r e e d i f f e r e n t w a y s h o w l a r g e s c a l e f e r m e n t e r s c a n
b e o p e r a t e d .
T h e s e a r e t h e b a t c h o p e r a t i o n , t h e c o n t i n u o u s o p e r a t i o n a n d s o m e t h i n g i n b e t w e e n c a l l e d
f e d b a t c h o p e r a t i o n . I n t h i s u n i t I w i l l t r e a t t h e s e o n e b y o n e d e s c r i b i n g t h e p r o s a n d c o n s ,
f o l l o w e d b y a m u t u a l c o m p a r i s o n . L e t s f i r s t s t a r t w i t h t h e b a t c h p r o c e s s .
T h i s i s t h e m o s t s i m p l e m o d e .
A t t h e s t a r t o f t h e f e r m e n t a t i o n a l l t h e m e d i u m w i t h t h e s a l t s a n d t h e n u t r i e n t s t h a t t h e
m i c r o o r g a n i s m n e e d s a r e p r e s e n t i n s i d e t h e r e a c t o r , i n c l u d i n g t h e r e n e w a b l e f e e d s t o c k t h a t
t h e c e l l w i l l c o n v e r t i n t o p r o d u c t . T h e r e i s n o a d d i t i o n a l i n f l o w o f s u b s t r a t e a n d n u t r i e n t s
a n d n o o u t f l o w o f f e r m e n t a t i o n b r o t h . I n c a s e o f a n a e r o b i c p r o c e s s o x y g e n c a n b e s u p p l i e d
v i a t h e g a s p h a s e .
T h e s e g r a p h s r e p r e s e n t t h e a m o u n t o f b i o m a s s o n a l o g a r i t h m i c s c a l e a n d t h e g r o w t h r a t e
d u r i n g a t y p i c a l b a t c h p r o c e s s . B e f o r e s t a r t , t h e m e d i a a n d b i o r e a c t o r a r e p r e p a r e d a n d
s t e r i l i z e d . F e r m e n t a t i o n i s s t a r t e d b y a d d i n g a s m a l l a m o u n t o f c e l l s , c a l l e d t h e i n o c u l u m .
A f t e r a s h o r t a d a p t a t i o n p e r i o d , a l s o c a l l e d t h e l a g p h a s e , t h e y w i l l s t a r t t o c o n s u m e t h e
f e e d s t o c k a n d g r o w . B e c a u s e a l l t h e n u t r i e n t s a r e i n e x c e s s , t h e y w i l l g r o w a t t h e i r
m a x i m u m g r o w t h r a t e ¼m a x a n d i n t h e m e a n t i m e m a k e p r o d u c t . T h e r e i s n o s u p p l y o f
s u b s t r a t e s o a f t e r a c e r t a i n t i m e t h e s u b s t r a t e i s d e p l e t e d , o r a n o t h e r f a c t o r h a s b e c o m e
l i m i t i n g , f o r e x a m p l e t h e n i t r o g e n o r p h o s p h o r u s s o u r c e . G r o w t h s t o p s a n d t h e f e r m e n t a t i o n
e n t e r s a s t a t i o n a r y p h a s e . T h i s p o i n t d e t e r m i n e s t h e e n d o f t h e f e r m e n t a t i o n a n d i n p r a c t i c e
t h e p r o c e s s w i l l b e s t o p p e d . I f y o u c o n t i n u e , t h e c e l l s w i l l s t a r t t o d i e w h i c h i s c a l l e d t h e
d e a t h p h a s e r e s u l t i n g i n a d e c r e a s e i n b i o m a s s .
H e r e w e p l o t t e d t h e b i o m a s s a m o u n t o n a n o r m a l s c a l e a n d i n c l u d e d t h e a m o u n t o f
s u b s t r a t e a n d p r o d u c t i n d e f e r m e n t e r d u r i n g t h e b a t c h p r o c e s s .
I t i l l u s t r a t e s t h a t d u r i n g t h e e x p o n e n t i a l g r o w t h p h a s e t h e a c t u a l c o n v e r s i o n t o p r o d u c t c a n
t a k e p l a c e . T h i s i s l o g i c i f t h e c e l l s t h e m s e l v e s a r e t h e p r o d u c t , l i k e f o r e x a m p l e b a k e r s y e a s t
o r l a c t i c a c i d c u l t u r e s . B u t i t c o u l d a l s o b e a m e t a b o l i t e o r e n z y m e t h a t i s p r o d u c e d b y t h e
m i c r o b e s a n d e x c r e t e d .
A b i g a d v a n t a g e o f t h i s m o d e o f o p e r a t i o n i s t h a t i t s v e r y s i m p l e . Y o u h a v e a s t e r i l i z e d
r e a c t o r , a n d s t a r t b y e n t e r i n g f r e s h m i c r o b e s a n d t h e n y o u m o r e o r l e s s w a i t u n t i l t h e b a t c h
i s c o m p l e t e d . T h e c e l l s c a n g r o w w i t h h i g h s p e e d , i n a n e x p o n e n t i a l w a y , u s u a l l y u n d e r
o p t i m a l g r o w t h c o n d i t i o n s s o t h e p r o c e s s i s r e l a t i v e l y s h o r t a n d c a n b e c o m p l e t e d
( d e p e n d i n g o n t h e m i c r o o r g a n i s m t h a t y o u h a v e ) i n o n e d a y o r m a y b e a c o u p l e o f d a y s . T h e
d i s a d v a n t a g e i s t h a t y o u c a n n o t v e r y w e l l c o n t r o l t h e e n v i r o n m e n t o f t h e m i c r o b e s , e x c e p t
p H a n d t e m p e r a t u r e , a n d m a y b e t h e d i s s o l v e d o x y g e n c o n c e n t r a t i o n . T h e c o n c e n t r a t i o n s o f
c e l l s , s u b s t r a t e a n d p r o d u c t c h a n g e a l l t h e t i m e . F u r t h e r , t h e c e l l s u s u a l l y g r o w c l o s e t o t h e i r
m a x i m u m s p e e d a n d i t i s n o t a g i v e n t h a t t h e s e a r e a l s o t h e o p t i m a l c o n d i t i o n s f o r p r o d u c t
f o r m a t i o n . M o r e o v e r , t h i s i s v e r y o f t e n n o t t h e c a s e , a n d t h e k e y p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r s f o r
p r o d u c t f o r m a t i o n ( t i t e r , p r o d u c t i v i t y , y i e l d ) c a n b e p o o r .
L e t s h a v e a l o o k a t t h e b i o m a s s b a l a n c e d u r i n g t h e b a t c h p h a s e a s p r e s e n t e d b e f o r e i n t h e
s e c o n d w e e k b y S e f . H e r e y o u s e e i n m a t h e m a t i c a l t e r m s t h a t y o u c a n d e s c r i b e t h e g r o w t h
o f c e l l s o v e r t i m e v i a t h e c h a n g e t e r m a n d t h i s s h o u l d e q u a l t h e r e a c t i o n t e r m . T h e r e i s n o i n
a n d o u t f l o w t o t h e v e s s e l . Y o u c a n s o l v e t h i s e x p r e s s i o n a n d i t s a y s t h a t t h e a m o u n t o f
b i o m a s s i n c r e a s e s o v e r t i m e , d e p e n d i n g o n t h e i n i t i a l v a l u e a n d t h e m a x i m u m s p e c i f i c
g r o w t h r a t e , f o l l o w i n g a n e x p o n e n t i a l p r o f i l e . F o r p r o d u c t a s i m i l a r e x p r e s s i o n c a n b e s e t u p ,
u s i n g t h e p r o d u c t b a l a n c e .
N o w l e t s m o v e t o t h e c h e m o s t a t . T h i s i s a c o n t i n u o u s o p e r a t i o n c h a r a c t e r i z e d b y a c o n s t a n t
i n f l o w o f m e d i u m , c o n t a i n i n g n u t r i e n t s a n d f e e d s t o c k f o r t h e m i c r o o r g a n i s m . I n a
c o n t i n u o u s o p e r a t i o n m o d e t h e r e i s a l s o a f l o w g o i n g o u t o f t h e r e a c t o r c o n t a i n i n g
f e r m e n t a t i o n b r o t h . U n d e r i n d u s t r i a l c o n d i t i o n s , c e l l s a r e n o t a b l e t o g r o w a t m a x i m u m
g r o w t h r a t e b e c a u s e i t i s d e t e r m i n e d b y t h e d i l u t i o n r a t e a s I w i l l s h o w l a t e r i n t h i s u n i t .
T o s t a r t a c h e m o s t a t e x p e r i m e n t y o u b e g i n w i t h a b a t c h m o d e w i t h l i t t l e p r o d u c t f o r m a t i o n .
W h e n s u f f i c i e n t b i o m a s s i s f o r m e d , y o u s t a r t f e e d i n g a n d r e m o v i n g b r o t h w i t h a c e r t a i n
d i l u t i o n r a t e a n d s e t t h e g r o w t h a t t h e o p t i m u m f o r p r o d u c t f o r m a t i o n . T h i s i s t h e s t e a d y
s t a t e p h a s e a n d c a n l a s t u p t o a f e w w e e k s . I n t h i s p h a s e a l l t h e q r a t e s a n d a l l t h e
c o m p o u n d c o n c e n t r a t i o n s i n t h e f e r m e n t e r r e m a i n c o n s t a n t ! I n t h e l a s t p h a s e t y p i c a l l y t h e
m i c r o o r g a n i s m l o s e s i t s a b i l i t y t o m a k e p r o d u c t d u e t o d e g e n e r a t i o n o f t h e s t r a i n a n d t h e
p r o c e s s i s s t o p p e d .
C o n t i n u o u s o p e r a t i o n i s i n t h e o r y t h e p r e f e r r e d w a y , b e c a u s e t h e r e i s a s t e a d y s t a t e , a t
w h i c h y o u o p e r a t e t h e p r o c e s s u n d e r o p t i m a l c o n d i t i o n s a n d y o u h a v e v e r y l i t t l e d i s t u r b i n g
d y n a m i c s . S o f r o m a c o n t r o l p e r s p e c t i v e t h i s i s v e r y b e n e f i c i a l : i t i s o p t i m a l a n d r e l a t i v e l y
s i m p l e . I n p a r t i c u l a r , y o u c a n s e t a n d o p t i m a l e n v i r o n m e n t f o r t h e c e l l s s o t h a t t h e y p r o d u c e
m o s t e f f i c i e n t l y t h e p r o d u c t t h a t y o u w a n t t o h a v e . A d i s a d v a n t a g e i s t h a t i t m a y t a k e a f e w
d a y s b e f o r e y o u a r r i v e a t t h e o p t i m a l w o r k i n g p o i n t w i t h o p t i m a l p e r f o r m a n c e . A n d w i t h t h e
c u r r e n t l y u s e d m i c r o o r g a n i s m s i t i s o f t e n o b s e r v e d t h a t t h e y a r e n o t c a p a b l e o f k e e p i n g t h a t
o p t i m a l a c t i v i t y f o r t o o l o n g , a n d u s u a l l y a f t e r o n e o r t w o w e e k s y o u w i l l h a v e t o s t o p t h e
f e r m e n t a t i o n , a n d r e s t a r t a f t e r w a r d s . I n a d d i t i o n , t h e r e a r e h i g h e r r i s k s o f c o n t a m i n a t i o n . S o
i n p r a c t i c e y o u w i l l n o t h a v e a l o n g t e r m c o n t i n u o u s o p e r a t i o n , a n d f o r t h i s r e a s o n t h i s
m o d e i s o n l y r a r e l y e n c o u n t e r e d i n i n d u s t r y .
F o r t h e m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n o f t h e c o n t i n u o u s p h a s e , t h e a c c u m u l a t i o n t e r m i n t h e
b i o m a s s b a l a n c e i s e q u a l t o z e r o , o r : t h e p r o c e s s i s i n s t e a d y s t a t e . W h e n s o l v i n g t h e b a l a n c e
y o u w i l l s e e t h a t u n d e r i d e a l c o n d i t i o n s t h e s p e c i f i c g r o w t h r a t e e q u a l s t h e o u t f l o w r a t e o f
b i o m a s s d i v i d e d b y t h e t o t a l a m o u n t o f c e l l s p r e s e n t . T h i s i s w h a t w e c a l l t h e d i l u t i o n r a t e , D .
T h i s r e l a t i o n c l e a r l y s h o w s t h a t t h e s p e c i f i c g r o w t h r a t e i n a c h e m o s t a t O N L Y d e p e n d s o n t h e
d i l u t i o n r a t e w h i c h y o u c a n s e t b y t u n i n g t h e o u t f l o w o f t h e f e r m e n t e r . T h i s m a k e s t h e
c h e m o s t a t a v e r y p o w e r f u l i n s t r u m e n t .
C o m b i n i n g t h e n e e d s f o r s i m p l i c i t y a n d h i g h p e r f o r m a n c e , a c o m p r o m i s e h a s e m e r g e d i n t h e
i n d u s t r y , w h i c h i s c a l l e d t h e f e d b a t c h m o d e o f o p e r a t i o n . A F e d b a t c h u s u a l l y s t a r t s w i t h a
b a t c h p h a s e w h e r e y o u t r y t o g r o w a n i n i t i a l , s u f f i c i e n t a m o u n t o f c e l l s . A f t e r t h e b a t c h
p h a s e y o u s t a r t f e e d i n g t h e l i m i t i n g s u b s t r a t e i n s u c h a w a y t h a t t h e c o n d i t i o n s f o r t h e
m i c r o b e s a r e a p p r o a c h i n g o p t i m a l i t y f o r p r o d u c t f o r m a t i o n . T h i s c a n a l s o t a k e a c o u p l e o f
d a y s o r e v e n w e e k s , a n d i t n e e d s t o b e s a i d t h a t a s t e a d y s t a t e i s n e v e r a c h i e v e d a n d
p r o d u c t f o r m a t i o n i s m o s t l y s u b o p t i m a l . T h e f e d b a t c h p r o c e s s i s r u n u n t i l t h e c a p a b i l i t y o f
c e l l s t o m a k e t h e p r o d u c t i s d e c r e a s i n g , j u s t l i k e i n a c o n t i n u o u s c u l t u r e . W h e n e v e r t h i s
o c c u r s o n e n e e d s t o s t o p t h e f e r m e n t a t i o n , e m p t y t h e t a n k , h a r v e s t t h e p r o d u c t v i a
d o w n s t r e a m p r o c e s s i n g a n d s t a r t t h e c y c l e a l l o v e r a g a i n .
L e t u s t a k e a l o o k a t t h e b i o m a s s g r o w t h i n t h e f e d b a t c h p r o c e s s . F i r s t t h e r e i s a b a t c h
p h a s e , d u r i n g w h i c h t h e g r o w t h r a t e i s m a x i m a l . A s s o o n a s t h e s u b s t r a t e i s d e p l e t e d , t h e
f e e d w i l l b e s t a r t e d . T h i s r e s u l t s i n a m u c h l o w e r s p e c i f i c g r o w t h r a t e , u s u a l l y l o w e r t h a n
0 . 0 2 p e r h o u r , w h i c h i s m a i n t a i n e d b y a n e x p o n e n t i a l l y i n c r e a s i n g f e e d r a t e . H o w e v e r , s o o n
t h e s u b s t r a t e c o n v e r s i o n r a t e w i l l b e c o m e l i m i t e d b y a t r a n s p o r t s t e p , f o r e x a m p l e o x y g e n
t r a n s f e r , r e m o v a l o f C O 2 , c o o l i n g o r s u b s t r a t e m i x i n g . A s a r e s u l t , t h e f e e d r a t e c a n n o t b e
i n c r e a s e d f u r t h e r , a n d t h e s p e c i f i c g r o w t h r a t e w i l l d r o p , d o w n t o v a l u e s w h e r e p r o d u c t
f o r m a t i o n w i l l b e c o m e t o o l o w t o c o n t i n u e .
T h e f e d b a t c h i s a v e r y c o n v e n i e n t m o d e o f o p e r a t i o n a n d w i l l r e s u l t i n h i g h e r p r o d u c t i v i t i e s ,
b i o m a s s c o n c e n t r a t i o n s a n d p r o d u c t t i t e r s t h a n a b a t c h p r o c e s s , a n d n o t s o m u c h b e l o w t h e
o p t i m a l c o n d i t i o n s i n a n i d e a l c o n t i n u o u s p r o c e s s . F o r t h e s e r e a s o n s , t h i s h a s b e e n t h e
p r e f e r r e d m o d e o f o p e r a t i o n i n i n d u s t r y s o f a r . M o r e t h a n 8 0 % o f t h e i n d u s t r i a l p r o c e s s e s
a r e o p e r a t e d i n t h i s w a y . I w i l l n o t s h o w t h e b i o m a s s b a l a n c e f o r t h e f e d b a t c h . T h i s i s m o r e
c o m p l e x a n d b e y o n d t h e s c o p e o f t h i s c o u r s e , b u t c a n b e s o l v e d w e l l w i t h c o m p u t e r
s i m u l a t i o n p r o g r a m s .
I n c o n c l u s i o n , w h e n y o u c o m p a r e t h e d i f f e r e n t m o d e s o f o p e r a t i o n y o u c a n a g a i n r e c o g n i z e
a n u m b e r o f p r o s a n d c o n s . I m p o r t a n t a s p e c t s o f o p e r a t i o n m o d e a r e f e r m e n t a t i o n t i m e ,
p r o d u c t t i t e r , p r o d u c t i v i t y , e a s e o f o p e r a t i o n a n d m a i n t a i n i n g s t e r i l i t y . T h e s e a r e d i f f e r e n t
c r i t e r i a t h a t y o u c a n u s e t o m a k e t h e b e s t c h o i c e f o r y o u r s y s t e m . B u t a l l d e p e n d o n t h e
m i c r o o r g a n i s m a n d t h e p r o d u c t t h a t y o u w a n t t o m a k e . F o r t h e P D O c a s e w e h a v e c h o s e n
c o n t i n u o u s o p e r a t i o n , b e c a u s e t h a t i s t h e b e s t m o d e o f o p e r a t i o n o n c e y o u h a v e o p t i m i z e d
t h e m i c r o b e . A n d , i t a l s o s i m p l i f i e s t h e m a t h e m a t i c s f o r t h e d e s i g n .
T h a t s a l l f o r n o w . S e e y o u n e x t u n i t !
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