Reaktionstechnik
RWTH WS21/22
RWTH WS21/22
Bild/Selbsterstellen
Was kann durch die Verweilzeit berücksichtigt werden?
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-Bei Totwasserzonen im Reaktor - Bei Kurzschlussströmung
Puls-und Stufenmarkierung
Das Dispersionsmodell eignet sich für die Beschreibung der Verweilzeitverteilung in Systemen, in denen nahezu Kolbenströmung vorliegt.
-Verbrennungsenthalpie -Bildungsenthalpie -Entropie
Energieerhaltungssatz
Entropie (S) ist eine physikalische Zustandsänderung (keine Stoffänderung wie bei Enthalpieänderungen). Jedem System kann eine Entropie zugewiesen werden. Diese ändert sich (�� (beispielsweise mit der Teilchenanzahl oder dem Volumen. Die Entropie wird auch als Grad der „Unordnung“ verstanden.
Die Berechnung der Reaktionsenthalpie ΔHR einer Reaktion ist von großer Bedeutung, da diese die entstehende Reaktionswärme entscheidend beeinflussen kann. Sie bestimmt daher maßgeblich, ob eine Reaktion beheizt oder gekühlt werden muss
Wie berechnet sich die Gibbsche-Energie unter realen Bedingungen?
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-Verdampfungsenthalpie -Lösungsenthalpie -Kristallisationsenthalpie bzw. Schmelzenthalpie
Gebe die Modellgleichung eines Rohrreaktors an.
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D=Volumenstrom/Volumen
Nenne Vorteile von Fed-Batch-Chemiereaktoren.
- Edukt konz. niedrig -> Nebenproduktreaktion wird unterdrückt
geht zu lasten der RZA
Wegen hoher Substratkonzentration wird Reaktion gehemmt
Welchen (kontinuierlichen) Prozess wählen Sie bei einer starken und einer schwachen Produktinhibierung?
starken Produktinhibierung -> 2 Stufe kaskade -> höhere RZA als 1 stufig
schwachen Produktinhibierung -> 1 Stufe kaskade -> höhere RZA als 2 stufig
Erläutere den Unterschied zwischen einer kompetitiven und einer nicht-kompetitiven Hemmung.
kompetitiv -> konkurriert mit Substrat um aktives Zentrum
µ=µmax*S/(S+Ks(1+I/Ki))
nicht kompetitiv -> bindet nicht an aktivem Zentrum, keine direkte konkurrenz mit Substrat
µ=µmax*S/S+Ks * Ki/Ki+I
Fehler-/Schwächen vor dem Aufbau der eigentlichen Anlage zu identifizieren, schnelle und einfache Prognose experimenteller Ergebnisse ohne Experimente
Wie ist die RZA vom 2. Reaktor in einer Kaskade definiert? (gleich große Reaktoren)
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Wie kann die Verweilzeit realer Reaktoren modelliert werden? Zeichne die Verläufe von Substrat, Produkt, Biomasse bei einer starken und einer schwachen Produktinhibierung in einem kontinuierlichem, einstufigen Prozess.
- mitteld kaskade zur modellierung der Verweilzeit in eine realen Reaktor mit unvollständiger Rückvermischung
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1. hohe Selektivität; 2. günstige Randbedingungen (1 bar, 25-60 Grad Celsius, wässriges Milieu); 3. Reinheit der Ausgangsstoffe wegen hoher Selektivität nicht sehr wichtig; 4. in der Regel keine giftigen oder gefährliche Komponenten; 5. Enatiomerenreine Produkte
1. Geringeres Reaktorvolumen (kein wässriges Milieu notwendig) 2. höhere Reaktionsgeschwindigkeit ( durch Druck und Temp. beeinflussbar) 3. deutlich geringere Sterilanforderungen 4. etabliertes Arbeitsfeld, erfahrene und qualifizierte Arbeiter
1. Hohe Kühlungskosten wegen niedrigem Temperaturniveau 2. Bei Fermentationsprozessen oft hohe organische Abwasserbelastung 3. Bei Fermentationsprozessen liegen die Wertprodukte oft in Mischungen mit Nebenprodukten der Mikroorganismen vor. (Aufwendige Reinigung)
1. Randbedingung von chem. Reaktionen oft sehr verschieden (keine Vielzweckanlagen möglich) 2. Teure Katalysatoren 3. Hohe Betriebskosten (hohe Temp. und Drücke)
Nenne 3 Betriebsweisen von Reaktoren und zeichne deren Produktverläufe und Füllstände
Bauch, kontinuierlich und fedbatch
a) 1) Reaktion 2. Ordnung Ra = -k1 * Ca * Cb Rb = -k1 * Ca * Cb Rp = 2 * k1 * Ca * Cb 2) Reaktion 2. Ordnung Ra = -2 * (k2 * Ca2 – k-2 * Cbp) Rbp= k2 * Ca2 – k-2 * Cbp b) Rp / Rbp = (2 * k1 * Ca * Cb)/( k2 * Ca2 – k-2 * Cbp) = (2 * k1 * Ca2 )/( k1 * Ca2 ) = 2
Temperatur: Eine exotherme Reaktion wird durch eine Temperaturerhöhung verlangsamt oder verhindert. Das Gleichgewicht wird sich auf die Seite der Edukte verschoben Druck: Bei einer Druckerhöhung wird die Reaktionsseite mit der geringeren Teilchenanzahl bevorzugt. Ammoniaksynthese Stoffmenge:Handelt es sich um ein reversibles System, erhöht sich durch die Zugabe von z.B. Edukten zwangsläufig die Konzentration von Produkten.
diskonti, da die mittlere Produktkonz. am geringsten ist
konti. , da die Substratkonz. konstant niedrig ist
fed-Batch oder kont. Rührkesselkaskade mit Zwischeneinspeisung, da diese Betriebsweisen es ermöglichen Substrat- und Produktkonz. im mittleren Bereich zu halten
Limitierung: Reaktionsabbruch aufgrund von Mangel and limitierter Komponente Inhibierung : Reaktionshemmung aufgrund von zu hoher Konz. der inhibierenden Komponente
Nenne Formel für Substratinhibierung. Benenne alle Terme und gebe ihre Einheiten an.
Substratinhibierung:
μ = μmax * S / (Ks + S + S^2 / Ki)
μ = Wachstumsrate [1/h]
μmax = maximale Wachstumsrate [1/h]
S = Substratkonzentration [g/L]
Ks = Monod-Konstante Substrat [g/L]
Ki = Inhibierungskonstante [g/L]
Nenne Formel der Gibbsenergie. Benenne alle Terme und gebe ihre Einheiten an.
Gibbs Energie:
ΔG = ΔH – TΔS
H = Enthalpie [J]
T = Temperatur [K]
S = Entropie [J/K]
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TS < H enhalpie getrieben TS > H entropie getrieben (Betragsmäßig)
) X,S-t-Diagramm für Substratinhibierte Reaktion. Ein Substratverlauf und Biomasseverlauf eingezeichnet für S0=80g/l und Endbiomassekonzentration=40 g/l. Zeichne für S0=60g/l und S0=100g/l den Verlauf von X/S unter Beachtung des Ausbeutekoeffizienten.
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A) Zeichne ein X,S-D-Diagramm und die RZA unter Berücksichtigung des Erhaltungsstoffwechsels. Berechne Dkrit und zeichne Dkrit ein. b) Zeichne das gleiche Diagramm ohne Erhaltungsstoffwechsel.
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Stelle dS/dt für ein Fed-batch auf, gebe alle Terme mit Einheiten an
dS/dt=-1/Y X/S *μ*X-F/V*S+F/V*S f
F=Füttervolumenstrom [L/s]
V=Gesamtvolumen [L]
S f =Substratkonzentration im Feed [g/L]
S=Substratkonzentration im Reaktor [g/L]
X=Biomassekonzentration im Reaktor [g/L]
Y X/S =Ausbeutekoeffizient [g Produkt /g Substrat ]
μ= Wachstumsrate [1/s]
dS=Änderung der Substratkonzentration [g/L]
dt=Änderung der Fermentationszeit [s]
S 0 = S l *V ae + S f (1-V ae ) (aus Vorlesung 6) gegeben: V e = 750 l, S f = 500 g/l, S l = 50 g/l S 0 = Gesamt umgesetzte Masse des Substrates( =150 kg)/V e = 200 g/l V a =((S f -S 0 )/(S f -S 1 ))*V e V a = 500 l
Diagramm Wachstumsrate über Substratkonzentration mit dem Verlauf der Wachstumsrate gegeben. Benenne 2 Größen die aus dem Diagramm abgelesen werden können. Einzeichnen und ablesen der 2 Größen. Gebe die Monod-Kinetik an.
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Lernkarten
1. hohe Selektivität; 2. günstige Randbedingungen (1 bar, 25-60 Grad Celsius, wässriges Milieu); 3. Reinheit der Ausgangsstoffe wegen hoher Selektivität nicht sehr wichtig; 4. in der Regel keine giftigen oder gefährliche Komponenten; 5. Enatiomerenreine Produkte
1. Geringeres Reaktorvolumen (kein wässriges Milieu notwendig) 2. höhere Reaktionsgeschwindigkeit ( durch Druck und Temp. beeinflussbar) 3. deutlich geringere Sterilanforderungen 4. etabliertes Arbeitsfeld, erfahrene und qualifizierte Arbeiter
1. Hohe Kühlungskosten wegen niedrigem Temperaturniveau 2. Bei Fermentationsprozessen oft hohe organische Abwasserbelastung 3. Bei Fermentationsprozessen liegen die Wertprodukte oft in Mischungen mit Nebenprodukten der Mikroorganismen vor. (Aufwendige Reinigung)
1. Randbedingung von chem. Reaktionen oft sehr verschieden (keine Vielzweckanlagen möglich) 2. Teure Katalysatoren 3. Hohe Betriebskosten (hohe Temp. und Drücke)
Nenne 3 Betriebsweisen von Reaktoren und zeichne deren Produktverläufe und Füllstände
Bauch, kontinuierlich und fedbatch
a) 1) Reaktion 2. Ordnung Ra = -k1 * Ca * Cb Rb = -k1 * Ca * Cb Rp = 2 * k1 * Ca * Cb 2) Reaktion 2. Ordnung Ra = -2 * (k2 * Ca2 – k-2 * Cbp) Rbp= k2 * Ca2 – k-2 * Cbp b) Rp / Rbp = (2 * k1 * Ca * Cb)/( k2 * Ca2 – k-2 * Cbp) = (2 * k1 * Ca2 )/( k1 * Ca2 ) = 2
Temperatur: Eine exotherme Reaktion wird durch eine Temperaturerhöhung verlangsamt oder verhindert. Das Gleichgewicht wird sich auf die Seite der Edukte verschoben Druck: Bei einer Druckerhöhung wird die Reaktionsseite mit der geringeren Teilchenanzahl bevorzugt. Ammoniaksynthese Stoffmenge:Handelt es sich um ein reversibles System, erhöht sich durch die Zugabe von z.B. Edukten zwangsläufig die Konzentration von Produkten.
diskonti, da die mittlere Produktkonz. am geringsten ist
konti. , da die Substratkonz. konstant niedrig ist
fed-Batch oder kont. Rührkesselkaskade mit Zwischeneinspeisung, da diese Betriebsweisen es ermöglichen Substrat- und Produktkonz. im mittleren Bereich zu halten
Limitierung: Reaktionsabbruch aufgrund von Mangel and limitierter Komponente Inhibierung : Reaktionshemmung aufgrund von zu hoher Konz. der inhibierenden Komponente
Nenne Formel für Substratinhibierung. Benenne alle Terme und gebe ihre Einheiten an.
Substratinhibierung:
μ = μmax * S / (Ks + S + S^2 / Ki)
μ = Wachstumsrate [1/h]
μmax = maximale Wachstumsrate [1/h]
S = Substratkonzentration [g/L]
Ks = Monod-Konstante Substrat [g/L]
Ki = Inhibierungskonstante [g/L]
Nenne Formel der Gibbsenergie. Benenne alle Terme und gebe ihre Einheiten an.
Gibbs Energie:
ΔG = ΔH – TΔS
H = Enthalpie [J]
T = Temperatur [K]
S = Entropie [J/K]
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TS < H enhalpie getrieben TS > H entropie getrieben (Betragsmäßig)
) X,S-t-Diagramm für Substratinhibierte Reaktion. Ein Substratverlauf und Biomasseverlauf eingezeichnet für S0=80g/l und Endbiomassekonzentration=40 g/l. Zeichne für S0=60g/l und S0=100g/l den Verlauf von X/S unter Beachtung des Ausbeutekoeffizienten.
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A) Zeichne ein X,S-D-Diagramm und die RZA unter Berücksichtigung des Erhaltungsstoffwechsels. Berechne Dkrit und zeichne Dkrit ein. b) Zeichne das gleiche Diagramm ohne Erhaltungsstoffwechsel.
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Stelle dS/dt für ein Fed-batch auf, gebe alle Terme mit Einheiten an
dS/dt=-1/Y X/S *μ*X-F/V*S+F/V*S f
F=Füttervolumenstrom [L/s]
V=Gesamtvolumen [L]
S f =Substratkonzentration im Feed [g/L]
S=Substratkonzentration im Reaktor [g/L]
X=Biomassekonzentration im Reaktor [g/L]
Y X/S =Ausbeutekoeffizient [g Produkt /g Substrat ]
μ= Wachstumsrate [1/s]
dS=Änderung der Substratkonzentration [g/L]
dt=Änderung der Fermentationszeit [s]
S 0 = S l *V ae + S f (1-V ae ) (aus Vorlesung 6) gegeben: V e = 750 l, S f = 500 g/l, S l = 50 g/l S 0 = Gesamt umgesetzte Masse des Substrates( =150 kg)/V e = 200 g/l V a =((S f -S 0 )/(S f -S 1 ))*V e V a = 500 l
Diagramm Wachstumsrate über Substratkonzentration mit dem Verlauf der Wachstumsrate gegeben. Benenne 2 Größen die aus dem Diagramm abgelesen werden können. Einzeichnen und ablesen der 2 Größen. Gebe die Monod-Kinetik an.
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a) dX/dt= μ*X-D*X b) stationär c) μ=D
Steuerung: Die Stellgröße wird dem System aufgeprägt, welches sich dann auf diese einstellt und Selbstreguliert. Beispiel: Chemostat für D zwischen den Randbereichen im Bereich von D=0 und D krit , D als Stellgröße wird festgelegt und das System stellt sich auf diese größe selbstregulierend ein. Regelung : Einstellung der Stellgröße zur Einstellung einer bestimmten Messgröße (Rückkopplung der Messgröße) Turbidostat für sehr kleine D im Bereich von D=0 und sehr große D im Bereich von D krit über optische Dichtemessung, Regelung von D zur Erhaltung einer bestimmten optischen Dichte
Enzyme, Ganzzellbiokatalysatoren und lebende Mikroorganismen
Batch, Fed-Batch, Konti
Kultur unter Produktinhibierung. Fed-Batch-Verlauf einzeichnen mit linearem Feed. S, X, PVerläufe zeichnen. Zeitpunkt markieren an dem Feed gestartet wird. Volumenverlauf einzeichnen.
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Pmax ist die maximal erreichbare Produktkonz. einer Produktinhibierung. Bei Pmax stoppt der Wachstum der Biomasse und des Produkts.
Stelle Reaktionsgeschwindigkeit für alle beteiligten Komponenten auf. a) 2A -> P(Hin=k1) b) A + 2B -> 3P (Hin=k2) c) A + 3B -> 2P + 4Q (Hin=k3)
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Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Edukte.
Reaktionsordnung
Einzeichnen in Diagramm Tau/Ca0 (proportionale Fläche) bei einem Konti-Rührreaktor. (Kehrwert von R gegen Umsatz X). Dann einzeichnen für auf zwei Reaktoren aufgeteiltes Volumen bei gleichem Umsatz. Ist das nun besser oder schlechter?
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Berechne den Kostenfaktor für zwei 5L Reaktoren im Gegensatz zu einem 10L Reaktor. mit f= 0,65 In/I=1,275
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Für Eine Kultur mit Anfangssubstratkonzentration an Glukose von 15g/l wird bei verschiedenen NH4-Konzentrationen die Endbiomasse ermittelt. (Diagramm gegeben: Erst linearer Verlauf von X gegen NH4, dann Plateau erreicht bei 5g/l Biomasse, ~ ab 1,2g/l NH4.) Wieviel Glukose und NH4CL muss man einwiegen um auf eine Biomasse von 20g/l zu kommen? (Gegeben: Mn, Mh, Mcl)
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Die Anwesenheit eines bestimmten Katabolites hemmt die Genexpression für einen bestimmten Promotor, so dass das dahinterliegende Protein bzw Enzym nicht gebildet werden kann. Beispielsweise können einige Stoffe die Repression der Gene bewirken, welche für die Enzyme codieren, welche für die Entstehung des jeweiliges Stoffes verantwortlich sind. Auch hemmt Beispielsweise Glukose den lac-Promotor, so dass in Anwesenheit von Glukose keine Lactase ausgeschüttet und somit keine Lactose verstoffwechselt wird
Nenne Gründe für eine lange Verzögerungsphase
1) Unerkannte Limitierung durch ein gelöstes Substrat
2) Substrat (z.B. Glucose) muß erst durch enzymatische Hydrolyse aus einem Polymer (Polysaccharid) gewonnen werden
3) O2 – Limitierung
4) Diffusionsbarrieren durch Pellet – Wachstum
5) (Neben-) Produkt – Inhibierung
6) pH - shift durch die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen
7) Spurenelemente sind beim Sterilisieren ausgefallen oder müssen erst aus einer komplexen Matrix rückgelöst werden.
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Bild/Selbsterstellen
Stelle Reaktionsgeschwindigkeit für alle Komponenten der Reaktion auf. 2A + B <-> P + 2Q (Hin=khin, Rück=krück)
RA=-2*khin*CA^2*CB+2*krück*CP*CQ^2
RB=-khin*CA^2*CB+CP*CQ^2
RP=khin*CA^2*CB-CP*CQ^2
RQ=2*khin*CA^2*CB-2*CP*CQ^2
Substratinhibierung
Selbsterstellen
Sf : Substratkonzentration im Feed beim Konti und Fed-Batch [g/L] F : Füttervolumenstrom beim Fed-Batch [L/h] V: Volumen [L] Y: Ausbeutungsgrad [-] μ: Wachstumsrate [1/h]
In Kläranlagen wird häufig eine besonders niedrige Durchflussrate gewählt. Bei niedrigenDurchflussraten sind sowohl die Substrat- als auch die Biomassekonzentration im “Reaktor”bzw. Klärwerk niedrig. Das Ziel eines Klärwerks ist, möglichst viel des eingeführtenSchmutzes (Stickstoff z.B.), welches hier als Substrat fungiert abzubauen, um möglichstwenig davon im Ausfluss zu haben und gleichzeitig möglichst wenig Biomasse zuproduzieren und in die Umwelt abzuführen.
