Reaktionstechnik
RWTH WS21/22
RWTH WS21/22
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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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Cartes-fiches
-Batch, kont. Rührkesselkaskade oder Strömungsrohr
Zucker, Vitamine, Phosphor,Stickstoffverbindungen
- Kontaminationsgefahr steigt mit Betriebsdauer - Wahrscheinlichkeit von Rückmutationen und Plasmidverlust wächst mit Betriebsdauer - fährt bei hohen Produktkonzentrationen, die oft inhibierend wirken - in einem einstufigen kont. Prozess können Wachstum und Produktbildung nicht gleichzeitig stattfinden
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Stelle Konzentrationsverläufe einer Batch-Kultivierung für eine Reaktion 0.Ordnung, 1.Ordnung und 2. Ordnung auf.
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180,1559 g/mol
Nenne Formeln, Terme und Einheiten für Produktinhibierung.
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Alle Bereiche, in denen Biokatalysatoren (Enzyme, Mikroorganismen oder andere Zellen) zu Produktionszwecken in eine technische Umgebung gebracht und ihre Aktivitäten zu technischen Zwecken genutzt werden, gehören zum Aufgabengebiet der Bioverfahrenstechnik bzw. Bioprozesstechnik.
Die Bioverfahrenstechnik oder Bioprozesstechnik hat eine integrative Aufgabe zu erfüllen hat, um durch erfolgreiches Zusammenwirken von Biologie, Chemie und Ingenieurwesen zu neuen und verbesserten Produkten und Produktionsprozessen auf biologischer Basis zu gelangen.
Holz/Stroh (Hözerne Biomasse) Energiepflanzen,Mais,Elefantengras (grüne Biomasse)
Reaktion,Katalysator,Betriebsweise (Prozeß)
Katalysatoren: chem., biologisch (Isolierte Enzyme, Ganzzellbiokatalysatoren, Lebende Mikroorganismen Reaktionssysteme: einphasige, mehrphasige Reaktorsysteme: Rohrreaktor ohne Einbauten “ mit festen Einbauten “ mit beweglichen Einbauten Rührkessel, Wirbelschichtreaktor
Wie hängen Kosten und Selektivität bei Biokatalysatoren zusammen?
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Was sind typische Problemstellungen bei der Reaktionstechnik, was wird als bekannt vorausgesetzt?
Rohrreaktor ohne Einbauten Rohrreaktor mit festen Einbauten Rohrreaktor mit beweglichen Einbauten Rührkessel, Wirbelschichtreaktor
Nenne Reaktionstypen und dafür geeignete Reaktortypen
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Skizziere Vor-/Nachteile von chemischen/biokatalytischen Reaktionsschritte
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Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Können nicht durch Drehung Deckungsgleich gemacht werden.
Weil die Anzahl der Teilchen auf der linken Seite nicht gleich der Teilchen auf der rechten Seite sein muss
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Leite den Lineweaver-Burk-Plot her.
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Bakterien, Pilze, Algen
Monod, Tessier, Moser,Contois,Logistic Law
Doppel-Monod Roels
Wie berechnet sich die Verdopplungszeit einer Kultur?
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Eine Konti-Kultur frisst sich selbst in eine Substratlimitation, bis das System im GGW ist. -> Die Substratkonzentration ist dann im Bereich des Km-Wertes
Nenne Nachteile von mikrobiellen Batch-Prozessen
1) Geringe Produktivität (Biomasse, d.h. Katalysator muss erst anwachsen) 2) Rüstzeiten reduzieren Produktivität 3) Aufwendige Animpfkaskade und Sterilisationsprozeduren bei jedem Fermentationslauf
Nenne Nachteile von mikrobiellen kontinuierlichen Prozessen. -Unterscheide zwischen: Stammspezifisch, mit Kaskade vermeidbar, mit entsprechendem Aufwand lösbar.
Stammspezifisch: 1) Wahrscheinlichkeit von Rückmutationen oder Plasmidverlust wächst mit der Fermentationsdauer. mit Kaskade vermeidbar: 1) Aufgrund der Aufarbeitungskosten werden i. d. R. hohe Produktendkonzentrationen angestrebt, die oft inhibierend wirken. Ein einstufiger kontinuierlicher Prozess würde dauernd unter diesen unvorteilhaften Bedingungen laufen, ein (Fed-) Batch-Prozess nur am Ende 2) Produktbildung (z.B. Sekundärmetabolite) erfolgt oft wachstumsunabhängig (zweiphasig). In einem einstufigen kontinuierlichen Prozess können Wachstum und Produktbildung nicht gleichzeitig erfolgen. 3) Bei hohen KM-Werten für die C-Quelle oder für einen zu transformierenden Ausgangsstoff Verlust an diesen Edukten. mit entsprechendem Aufwand lösbar: 1) Kontaminationsgefahr wächst mit Fermentationsdauer 2) Apparativer Aufwand (Zusätzlicher Anmaischbehälter mit Sterilisationsmöglichkeit und meist Auffangbehälter, Mess- und Regeltechnik) höher als beim Batch-Betrieb 3) Zu unflexibel für die Nutzung in Mehrzweckanlagen für kleine Produktmengen 4) Großer zusätzlicher Zeitbedarf für Forschung und Prozessentwicklung (u.a. sehr lange Wartezeiten bis zur Einstellung der Fließgleichgewichte, z.B. mindestens 14 Tage für nur fünf Messpunkte) 5) Produktstrom nach Umschalten auf kontinuierliche Fahrweise bis zur Einstellung des Fließgleichgewichtes entspricht nicht den Spezifikationen
In einem kontinuierlichen Prozess ist die stationäre Eduktkonzentration permanent relativ niedrig. Daher kann die unerwünschte Nebenreaktion zurück gedrängt werden, da diese in diesem Beispiel zweiter Ordnung ist und daher bei hohen Eduktkonzentrationen relativ schnell abläuft. -Bei niedrigen Verdünnungsraten (hoher Verweilzeit) ist die Eduktausnutzung besonders hoch und die Nebenproduktbildung relativ gering. Allerdings geht das auf Kosten der Raum-ZeitAusbeute
1) Prozessen, die zwar vom Grundsätzlichen her kontinuierlich sinnvoll betrieben werden könnten, aber aus irgendwelchen Gründen nicht kontinuierlich betrieben werden sollen (in einer Vielzweckanlage sollen nacheinander mehrere Produkte produziert werden, Gefahr einer Kontamination oder Rückmutation bei Fermentationsprozessen) 2) Edukt- bzw. Substrat-überschussinhibierter Chemie- oder Fermentationsprozess 3) Prozessen, bei denen der eingesetzte Reaktor die entstehende Wärme nicht mehr abführen kann 4) Fermentationsprozessen, bei den der O2-Bedarf einer mikrobiellen Kultur nicht gedeckt werden kann, aber eine O2- Limitierungen wegen sonst einsetzender Nebenproduktbildung ( z.B. auch pH-Abfall) vermieden werden soll
-Oberer Rührer sollte zu Prozessbeginn nicht in der Luft rühren (Schaumprobleme) -Evtl. muss die Drehzahl dem veränderlichen Füllvolumen (Hydrodynamik, Leistungseintrag) nachgefahren werden. Teurer Frequenzumrichter -Sonden dürfen zu Beginn des Prozesses nicht in der Luft hängen!
-In einem Fed-batch Prozess kann die Eduktkonzentration in der Feed-Phase grundsätzlich permanent relativ niedrig gehalten werden. Daher kann, wie in einem kontinuierlichen Prozess, die unerwünschte Nebenreaktion begrenzt werden -Die Wahl geeigneter Betriebsparameter ist recht schwierig, da verschiedenste Stellgrößen möglichst optimal aufeinander abgestimmt werden müssen. -Mit der Fed-batch Betriebsweise lässt sich ein Chargenbetrieb in einer Mehrprodukteanlage realisieren (wie beim Batch Betrieb), aber ohne dass die Nebenproduktbildung Überhand nimmt.
Welche Parameter stehen allgemein in den unterschiedlichen Betriebsweisen für Reaktoren zur Verfügung? Welche lassen sich zur Optimierung der Prozesse nutzen?
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Vergleiche die Verläufe eines Rohrreaktors und einer kontinuierlichen Kaskade.
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- Bei einer Aufteilung des Reaktorvolumens in 2 oder mehr vollständig durchmischte Reaktoren, wird der Nachteil gegenüber einem Strömungsrohr geringer - Die größte Verbesserung pro Stufenerhöhung lässt sich beim Übergang vom einstufigen zum zweistufigen System feststellen - Die Verbesserung (bei einem zweistufigen System) ist größer je höher die Reaktionsordnung. - Bei unendlich vielen Rührkesseln hat man exakt das Verhalten eines Strömungsrohrs. - Dem reaktionstechnischen Vorteil steht allerdings ein Nachteil bei den Investitionskosten gegenüber. Beachte: Alle die oben angeführten Aspekte gelten für Chemiereaktoren, bei denen die katalytische Aktivität im Reaktor nicht von der Verweilzeit bzw. der Durchflussrate abhängt (kein Auswaschen des Katalysators) !
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Was kann durch die Verweilzeit berücksichtigt werden?
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-Bei Totwasserzonen im Reaktor - Bei Kurzschlussströmung
