Runde 1
Kartei Details
| Karten | 35 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 07.09.2015 / 16.09.2015 |
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Zeichnen Sie für eine fed-batch-Kultivierung den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen an Zellen/Biomasse und Substrat sowie des Zulaufstromes.
Bild
Erklären Sie kurz den Zusammenhang zwischen Wachstumsrate und Verdünnungsrate für einen Chemostat-Prozess.
o stationärer Zustand: .
o max. Verdünnungsrate und . Bei höheren Durchflussraten können die MOs das Auswaschen nicht mehr durch die Proliferation kompensieren.
Zeichnen Sie für einen Chemostat-Prozess den Verlauf von Zell-/Biomassekonzentration, Substratkonzentration und Produktkonzentration als Funktion der Verdünnungsrate für “stationäre” Zustände. Erklären Sie den Begriff “Auswaschpunkt”.
Ab einem bestimmten Punkt (s. Skizze) sinkt die Biomasse-c bei weiterer Erhöhung der Durchflussrate stark ab; bei einem als „kritische Durchflussrate“ oder „Auswaschpunkt“ bezeichneten Wert bis auf null. Bei höheren Durchflussraten können die MOs das Auswaschen nicht mehr durch die Proliferation kompensieren.
Zur Bestimmung kinetischer Parameter (maximale Wachstumsrate, Monod-Konstante für Substatlimitierung) können Sie Batch- oder Chemostat-Experimente durchführen. Wofür würden Sie sich entscheiden? (Begründung)
o Ein Chemostat eignet sich sehr gut zur Bestimmung kinetischer Parameter, insbesondere zur Wachstumskinetik, da sich durch einfache Variation der Zu- und Abflussrate ganz gezielt eine bestimmte Wachstumsrate einstellen lässt. Insbesondere der kritische Bereich niedriger Wachstumsraten lässt sich durch den Chemostat sehr viel besser abbilden als durch einen Batch-Versuch. Zudem sind die aus stationären Zuständen ermittelten Daten verlässlicher.
Welcher Transportmechanismus liegt bei der Dialyse vor? Wie hängen Permeationskoeffizient und Molekulargewicht zusammen? Wofür steht der „cut off“-Wert für eine Dialysemembran?
o Die Dialyse ist definiert als der Transport einer gelösten Komponente von einer homogenen Phase durch eine Membran in eine andere homogene Phase unter der treibenden Kraft eines c-Gradienten.
o Analog zum 1. FICKschen Gesetz gilt ( ) mit N = Molenstrom, Pges = Permeationskoeffizient, A = Austauschfläche, Δc = c-Gradient. Bei const. Betriebsbedingungen nimmt Pges mit steigendem Molekulargewicht stark ab.
o Bei hohen Molekulargewichten kommt der Stoffstrom fast völlig zum Erliegen. Man spricht dann vom „cut off“ der Membran.
Skizzieren Sie schematisch einen gerührten Bioreaktor einschließlich der wesentlichen Bauelemente. Benennen Sie diese Elemente. Zur Temperaturregelung werden sowohl Heizung als auch Kühlung benötigt. Warum?
Beim Anfahren des Reaktors wird der gesamte Reaktorinhalt auf Betriebstemperatur geheizt respektive gewärmt. Teilweise erzeugen die kultivierten Organismen durch ihren Stoffwechsel so viel Abwärme, dass ab einer bestimmten Zell-c nur noch der Kühlkreislauf aktiv ist.
Beschreiben und skizzieren Sie das Funktionsprinzip von Blasensäulen.
o Blasensäulen
O2-Eintrag und Durchmischung erfolgen durch Begasung. Im Gegensatz zu gerührten Bioreaktoren werden keine mechanisch bewegten Teile benötigt.
Beschreiben und skizzieren Sie das Funktionsprinzip von Air-Lift-Reaktoren.
Air-Lift-Reaktoren
In Air-Lift-Reaktoren wird die Durchmischung ebenfalls ohne mechanische Bewegung lediglich durch die eingebrachten Gasblasen erzeugt. Im Gegensatz zu Blasensäulen wird bei diesen Reaktortypen durch spezielle Einbauten eine umlaufende Strömung erzwungen. Das Gas wird in einen Teil des Reaktors eingedüst, in dem dann die Flüssigkeit mit den Gasblasen auftseigt. Da die Dichte der Flüssigkeit im nicht begasten Teil höher ist als im begasten, kommt es hier zu einer abwärts gerichteten Strömung.
Beschreiben und skizzieren Sie das Funktionsprinzip von Festbett Reaktoren.
In Festbett-Reaktoren werden Biokatalysatoren auf oder in partikelförmigen Trägermaterialien immobilisiert. Das eingespeiste Medium bildet eine kontinuierliche Flüssigkeitsphase zw. den Partikeln. Die Abnutzung der Trägermaterialien aufgrund der hydrodynamischen Belastung ist in Festbetten deutlich niedriger als in gerührten Reaktoren mit suspendierten Biokatalysatoren oder in der Wirbelschicht. Der Stofftransport zw. dem strömenden Medium und dem festen Trägermaterial wird durch hohe Flüssigkeits-v verbessert.
Beschreiben und skizzieren Sie das Funktionsprinzip von Wirbelschicht- Reaktoren.
Von einer Wirbelschicht spricht man, wenn die Schüttung aus partikelförmigen Biokatalysatoren bei hohen Strömungs-v expandiert. Die Strömungs-v wird dabei so eingestellt, dass die Partikel in Schwebe gehalten, aber nicht aus dem Reaktor ausgetragen werden. Da keine Kanalbildung oder Verblockung, wie bei Festbett-Reaktoren, stattfinden kann, können hier erheblich kleinere Trägermaterialien verwendet werden.
Welche mathematische Gleichung wird benutzt, um den Sauerstoffeintrag OTR (oxygen transfer rate) in einen Bioreaktor zu beschreiben? Beschreiben Sie eine Methode zur Bestimmung des spezifischen, flüssigkeitsseitigen Stofftransportkoeffizienten kLa in dieser Gleichung.
o O2-Eintrag ( ) mit kLa = V-bezogener Stoffübergangskoeffizient, c*O2 = Gleichgewichts-c an O2, cO2 = Gelöstgas-c an O2.
o Sulfit-Methode
Der Bioreaktor wird ohne MOs gefahren. Dafür wird eine ca. 0,8 M Na2SO3-Lsg. vorgelegt, welche zusätzlich CuSO4 als Katalysator enthält. O2 oxidiert Na2SO3 zu Na2SO4. Zunächst wird ein Nullwert bestimmt, anschließend eine definierte t belüftet und letztendlich die c von Na2SO4 bestimmt. Dann gilt .
o Kontinuierliche Messung mit Sonden
Mittels eines O2-Sensors kann direkt die c des in Flüssigkeit gelösten O2 gemessen werden. Mit Hilfe der allg. Formel kann das Produkt kLa berechnet werden.
Benennen Sie drei Typen von Begasern.
o Frings-Turbine.
o EMJA-D injector.
o Jet tube.
o Slot injector.
o Radial flow nozzle.
Zeichnen Sie in die nachfolgenden Skizzen die Strömungsbilder bei steigender Begasungsrate bzw. Rührerdrehzahl ein.
Bild
Benennen Sie physikalische, chemische und biologische Parameter, die an einem Bioreaktor gemessen bzw. geregelt werden können (jeweils 2).
o physikalische
T
p
Reaktorgewicht
Flüssigkeitsniveau
Schaumniveau
Rührerdrehzahl
Leistungsbedarf
Gasdurchsatz
Pumprate für das Medium
Viskosität der Fermentationsbrühe
Gasgehalt
o chem.
pH
O2-c
CO2-c
Redoxpotential
Abgaszusammensetzung
Leitfähigkeit
c bestimmter Mediumkomponenten (Substrate, Metabolite, Ionen-c, etc.)
o biol.
Biomasse-c
Enzym-c
Biomassezusammensetzung (DNA, RNA, Proteine, ATP-Gehalt, etc.)
Lebendanteil
Morphologie
Benennen Sie vier scale-up-Kriterien für die Auslegung von Bioreaktoren.
o geometrische Ähnlichkeit der Reaktorkonstruktionen - wird allg. vorausgesetzt.
o const. V-spezifischer Leistungseintrag.
o const. O2-Transferrate (kLa).
o const. Rührerumfangs-v.
o const. Misch-t.
o const. dimensionslose Kennzahlen (Reynolds-Zahl Re, etc.).
Benennen Sie 3 Charakteristika biotechnologischer Prozesse.
o Viele biotechnologische Prozesse werden seit langem hergestellt, oftmals unter Anwendung klassischer, empirisch entwickelter und optimierter Produktionsprozesse.
o Für biotechnologische Prozesse sind spezielle Apparate und Anlagen erforderlich. In den meisten Fällen können Anlagenkonzepte für chem. Prozesse nicht übertragen werden.
o Produkte und Abfallstoffe können besser in Materialzyklen integriert werden als bei viele chem. Prozessen, da sie meist biol. abbaubar sind.
o Aggressive LM sowie extreme Bedingungen (T, p) sind nicht erforderlich -> weniger problematische Abfallstoffe und niedrigere Produktionskosten.
Benennen Sie 3 Vorteile biotechnologischer Prozesse im Vergleich zu chemischen.
o Bei chem. Verfahren sind teilweise extreme Bedingungen (T, p) und giftige Chemikalien notwendig. Biol. Prozesse laufen unter weniger extremen Bedingungen ab und können verschiedene chem. Verfahren wegen ökonomischer und ökologischer Vorteile ersetzen.
o Manche Verbindungen sind nicht mit chem. Methoden synthetisierbar, können jedoch biotechnologisch hergestellt werden.
o Vor allem bei pharmazeutischen Anwendungen kann es notwendig sein, nur eine Variante von chiralen Verbindungen einzusetzen. Bei biotechnologischer Produktion ist nur eine Variante vorhanden, bei chem. Herstellung dagegen meistens beide.
Benennen Sie vier biologische Aspekte, die für die Auslegung eines Produktionsprozesses relevant sind.
o Typ von MO oder Zellen (Stammentwicklung, rekombinante MOs).
o anaerob oder aerob (O2-Aufnahmerate).
o zellspezifische oder volumenspezifische Produktivität (Produktausbeute).
o Wachstumsmedium.
o Zelleigenschaften (Größe, Membranstabilität, etc.).
o Wachstumscharakteristik (Wachstumsrate/Verdopplungs-t, Einzelzellen, Myzelien, adhärentes Wachstum).
o physikalische Eigenschaften (opt. T, opt. pH, Viskosität, etc.).
o Produktbildung (Wachstumskopplung, Primärmetabolit, Sekundärmetabolit, intra- oder extrazelluläres Produkt).
Wozu wird die Modellierung biotechnologischer Reaktionen benötigt? Geben Sie drei Gründe an.
o Ziel ist die math. Beschreibung biotechnologischer Rkt. in Bezug auf die WW zw. Reaktanden, Stofftransportphänomenen, Mischproben, etc. für
Konstruktion und Auslegung von Bioreaktoren (V, Wärmetransport, Katalysatormenge, Pumpen, etc.).
Scale-up-Regeln.
Berechnung opt. Prozessbedingungen.
Auslegung von Regelungsstrategien für opt. und sichere Operation des Prozesses.
Beobachtung des momentanen Zustandes einer Fermentation mittels math. Modelle.
Wie lauten die Definitionen für “wahre, stöchiometrische, theoretische Ausbeute” und “beobachtete oder scheinbare Ausbeute”? Erklären Sie den Unterschied anhand einer mikrobiellen Reaktion.
o wahre, stöchiometrische, theoretische Ausbeute = gesamte Masse oder Mole an gebildetem Produkt (Masse oder Mole an verbrauchtem Substrat, um das spezielle Produkt zu bilden)-1.
o beobachtete oder scheinbare Ausbeute = gesamte Masse oder Mole an gebildetem Produkt (gesamte Masse oder Mole an verbrauchtem Substrat)-1.
o Es lässt sich bei einer mikrobiellen Rkt. nicht aufschlüsseln, welcher Anteil des Substrats direkt zur Bildung der Biomasse verbraucht respektive zur Energiegewinnung oder zur Bildung weiterer Metabolite verwendet wurde.
Geben Sie drei Beispiele für metabolische Ausbeutekoeffizienten.
o YXS: Masse an produzierter Biomasse pro Masse oder Molen an verbrauchtem Substrat.
o YPS: Masse oder Mole an gebildetem Produkt pro Masse oder Molen an verbrauchtem Substrat.
o YPX: Masse oder Mole an gebildetem Produkt pro gebildeter Biomasse.
o YXO: gebildete Biomasse pro Masse oder Molen an verbrauchtem O2.
o RQ: Mole an gebildetem CO2 pro Mole an verbrauchtem O2 (Respirationskoeffizient).
Erklären Sie den Begriff “homogene Reaktion”.
o T und alle c sind im Rkt.-Raum örtlich gleich.
– Benennen Sie drei kinetische Reaktionsgleichungen für enzymatische Reaktionen. Geben Sie für jede die Gleichung für die Reaktionsrate rA einer Komponente A als Funktion der Konzentration cA an und zeichnen Sie diese in der Form rA = f(cA).
Rkt. 0. Ordnung: ( )
o Rkt. 1. Ordnung:
o Michaelis-Menten
Zeichnen Sie für eine batch-Kultivierung den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen an Zellen/Biomasse, Substrat und Produkt und benennen Sie die verschiedenen Phasen.
siehe bild
Mathematische Beschreibung für mikrobielles Wachstum in einer Batch-Kultur: a) Wie lautet die Bilanzgleichung für die Zell-/Biomassekonzentrationen bei mikrobiellem Wachstum in einer batch-Kultivierung (Änderung der Zell-/Biomassekonzentration mit der Zeit)
Gleichung
Kann die Wachstumsrate μ in dieser Gleichung als konstant angesehen werden?
o für die exp. Phase.
c) Geben Sie eine Gleichung an, die den Zusammenhang zwischen Wachstumsrate, Substratlimitierung und Substratinhibierung beschreibt.
Gleichung
Wie lautet die mathematische Gleichung für eine Monod-Kinetik (mikrobielles Wachstum, Zusammenhang zwischen Wachstumsrate und Substratkonzentration). Benennen Sie zwei Methoden, um die kinetischen Parameter in einer Monod-Kinetik aus einem Datensatz zu bestimmen. Welche würden Sie hinsichtlich Genauigkeit bevorzugen?
o Lineweaver-Burk-Plot und bevorzugt Langmuir-Plot.
Erklären Sie kurz zwei Mechanismen der Produktbildung bei Mikroorganismen.
o Primärmetaboliten: wachstumsassoziiert als Teil des Energiestoffwechsels.
o Sekundärmetaboliten: nicht assoziiert, während der stationären Phase oder bei starker Substratlimitierung (Penicillin).
Erklären Sie den Begriff “heterogene Reaktion” und geben Sie drei Beispiele für heterogene biotechnologische Reaktionen.
o Es treten im Reaktionsraum Gradienten bzgl. c und/oder T auf.
o makroskopische Flocken, Agglomerate oder Pellets, die natürlicherweise von bestimmten Bakys oder Pilzen gebildet werden.
o Myzelartige Pellets, typisch in der AB-Produktion.
o Zellwachstum als Biofilm auf Trägern oder Reaktorwänden.
o Pflanzenzellen in Suspension bilden Agglomerate.
o MOs im Boden zum Schadstoffabbau.
o tierische oder humane Zellen/Gewebe kultiviert in makroporösen Trägermaterialien
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