Bioverfahren Mikroielle Reaktoren
Bioverfahrenstechnologie
Bioverfahrenstechnologie
Set of flashcards Details
| Flashcards | 34 |
|---|---|
| Language | Deutsch |
| Category | Biology |
| Level | University |
| Created / Updated | 23.06.2015 / 12.06.2020 |
| Weblink |
https://card2brain.ch/box/bioverfahren_mikroielle_reaktoren
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| Embed |
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Benennen Sie 3 Charakteristika biotechnologischer Prozesse.
1. Produktionsprozesse sind oft lange etabliert, optimiert und empirisch
entwickelt (hä?)
2. Besondere Apparate und Anlage werden benötigt, die nicht ohne
weiteres auf chemische Prozesse übertragen werden können
3. Biologische Abbaubarkeit erlaubt es, dass Produkte aus
biotechnologischen Prozessen einfacher in Materialzyklen
eingebunden werden; das macht sie nachhaltiger
4. Extreme Produktionsbedingungen (hohe Drücke, Temperaturen)
sind in biotechnologischen Prozessen unnötig; das macht sie
ebenfalls nachhaltiger
Benennen Sie 3 Vorteile biotechnologischer Prozesse im Vergleich zu
chemischen.
1. Biologisch abbaubare und daher weniger
problematische Abfallstoffe
2. Niedrigere Produktionskosten
3. ??? (manche Produkte sind NUR
biotechnologisch herstellbar)
Benennen Sie vier biologische Aspekte, die für die Auslegung eines
Produktionsprozesses relevant sind.
1. Typ von Mikroorganismus oder Zelle (z.B. primär vs. etabliert)
2. Sauerstoffaufnahmerate (aerob vs. Anaerob)
3. Produktivität in Abhängigkeit der Zellzahl oder des Zellvolumens
(Produktausbeute)
4. Wachstumsmedium (hä? Die Zusammensetzung?)
5. Zelleigenschaften (Größe, Membranstabilität, was noch?)
6. Wachstumscharakteristik (Wachstumsrate, Einzelzellen, Adhäsion,
Myzelien)
7. Physikalische Eigenschaften (optimale Temperatur, pH-Wert, Viskosität
usw.)
8. Produktbildung (wachstumsgekoppelt – ja/nein, Primärmetabolit,
Sekundärmetabolit, intra- oder extrazelluläres Produkt)
Wozu wird die Modellierung biotechnologischer Reaktionen benötigt? Geben Sie
drei Gründe an.
1. Berechnung optimaler Prozessbedingungen (Produktivität)
2. Konstruktion und Auslegung von Bioreaktoren (Volumen, Wärmetransport,
Katalysatormenge, Pumpen etc.) (Planung)
3. Anwendung von Scale-Up-Regeln (Industrie)
4. Entwicklung von Regelungsstrategien für optimale und sichere
Prozessführung (Betriebssicherheit)
5. Vorhersage momentaner Bedingungen, die real nicht bestimmbar sind
(Beobachtung)
Wie lauten die Definitionen für “wahre, stöchiometrische, theoretische Ausbeute” und “beobachtete oder scheinbare
Ausbeute”? Erklären Sie den Unterschied anhand einer mikrobiellen Reaktion.
Substrat
Biomasse
Produkt
Wahre, stöchiometrische, theoretische Ausbeute:
λ ges. Masse od. Mole an gebildetem Produkt
λ Masse od. Mole an verbr. Substrat, um das spezielle Produkt
zu bilden
Beobachtete oder scheinbare Ausbeute:
λ ges. Masse od. Mole an gebildetem Produkt
λ ges. Masse od. Mole an verbrauchtem Substrat
Geben Sie drei Beispiele für metabolische Ausbeutekoeffizienten.
Symbol Bedeutung
YXS
Masse an produzierter Biomasse pro Masse oder Molen an verbrauchtem
Substrat
(Beispiel: Escherichia coli, Substrat Glucose, YXS = 0,45 g/g
YPS
Masse oder Mole an gebildetem Produkt pro Masse oder Molen an
verbrauchtem Substrat
YPX
Masse oder Mole an gebildetem Produkt pro gebildeter Biomasse
YXO
gebildete Biomasse pro Masse oder Molen an verbrauchtem Sauerstoff
RQ Mole an gebildetem Kohlendioxid pro Mole an verbrauchtem Sauerstoff
(Respirationskoeffizient)
Heißt metabolisch vielleicht, dass YPS nicht dazu gehört?
Erklären Sie den Begriff “homogene Reaktion”?
Temperatur und alle Konzentrationen sind im Reaktionsraum 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).
siehe Bild
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
Wie lautet die Bilanzgleichung für die Zell-/Biomassekonzentration bei mikrobiellem
Wachstum in einer batch-Kultivierung (Änderung der Zell-/Biomassekonzentration mit der Zeit)?
Gilt bei Substratkonzentration [S] > KS [Konzentration des limitierenden
Substrats [S], bei der die halbmaximale Wachstumsrate [μmax/2] vorliegt]
2.8
Mathematische Beschreibung für mikrobielles Wachstum in einer Batch-Kultur:
Wie lautet die Bilanzgleichung für die Zell-/Biomassekonzentration bei mikrobiellem Wachstum in einer batch-Kultivierung (Änderung
der Zell-/Biomassekonzentration mit der Zeit)
Kann die Wachstumsrate μ in dieser Gleichung als konstant angesehen werden?
Geben Sie eine Gleichung an, die den Zusammenhang zwischen Wachstumsrate, Substratlimitierung und Substratinhibierung
beschreibt.
Die verschiedenen Wachstumsphasen
in der Batchkultur nach Animpfen
bis zum Ernten (Lag-Phase,
Beschleunigungsphase,
exponentielle Phase, limitierte
Phase, stationäre Phase und
Absterbephase) haben
unterschiedliche Wachstumsraten,
weshalb es keine konstante
Wachstumsrate geben kann.
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?
Lineweaver-Burk Plot
Auftragung 1/μ → 1/s;
Lineare Funktion mit Steigung: ks/μmax und
Y-Achsenabschnitt: 1/ μmax
→ Verstärkung der Fehler bezüglich μ bei
niedrigen s, inakkurate Ergebnisse
Langmuir Plot
Auftragung: s/μ → s
Lineare Funktion mit Steigung: 1/μmax und YAchsenabschnitt:
ks/μmax
→ beste Ergebnisse
Erklären Sie kurz zwei Mechanismen der Produktbildung bei Mikroorganismen.
a) Produktbildung, die direkt mit der Energiegewinnung
der Zellen verknüpft ist
(z.B Ethanol, Lactat, Aceton)
b) Produktbildung, die indirekt mit Energiegewinnung
der Zellen verknüpft ist (Aminosäuren, Zitronensäure,
Nukleotide)
Erklären Sie den Begriff “heterogene Reaktion” und geben Sie drei Beispiele für heterogene
biotechnologische Reaktionen.
es treten im Reaktionsraum Gradienten bezüglich Konzentrationen und / oder
Temperatur auf
• Makroskopische Flocken, Agglomerate oder Pellets, die natürlicherweise von
bestimmten Bakterien oder Pilzen gebildet werden.
• Myzelartige Pellets, typisch in der Antibiotikaproduktion.
• Zellwachstum als Biofilm auf Trägern oder Reaktorwänden.
• Pflanzenzellen in Suspension bilden Agglomerate.
• Mikroorganismen im Boden zum Schadstoffabbau.
• Tierische oder humane Zellen / Gewebe kultiviert in makroporösen
Trägermaterialien.
Skizzieren und beschreiben Sie schematisch den Konzentrationsverlauf einer
Komponente im Medium in einem kugeligen Biokatalysator sowie im umgebenden
flüssigen Medium.
Im den Katalysator umgebenden
Medium ist die Konzentration der
Komponente z.B. O2 höher als
im Biokatalysator. In der direkten
Phase um den Katalysator
herum nimmt die Konzentration
linear ab.
Die Konzentration im
Biokatalysator nimmt
exponentiell ab mit Abstand vom
Mittelpunkt des Katalysators.
Erklären Sie den Begriff “Thiele Modulus”?
Für einen Biofilm auf einer flachen Platte, der sich durch eine Kinetik 0. Ordnung beschreiben lässt,
wird ein Thiele-Modulus größer 1 bestimmt. Was bedeutet das in Bezug auf den
Stofftransportwiderstand?
Definition Thiele Modulus:
Φ ist eine dimensionslose Kennzahl, deren Quadrat dem Verhältnis eines
Stoffstroms (Senke) entspricht.
Bei einem kleinen spezifischen Verbrauch und einem großen
Diffusionskoeffizienten ist Φ klein.
→ Bei kleinen Φ ist offenbar das Pellet/der Biofilm besser versorgt als bei
großen.
Wenn der Thiele Modulus größer ist als 1, dann wird der Effektivitätsfaktor sehr
gering. Also gibt es einen starken Sauerstoffgradienten und demnach auch
einen hohen Stofftransportwiderstand.
Wie ist der interne Effektivitätsfaktor für eine heterogene Reaktion definert?
kein Antwort
Für einen Biofilm auf einer flachen Platte, der sich durch eine Kinetik 0. Ordnung beschreiben lässt, wird ein Thiele-
Modulus zwischen null und 1 bestimmt.
Was bedeutet das in Bezug auf den Stofftransportwiderstand? Wie groß ist in diesem Fall der interne
Effektivitätsfaktor?
Ein Thiele-Modulus zwischen null und 1 bedeutet, dass eine niedrige
Reaktionsrate und ein hoher Stofftransport vorliegen. Die Kinetik/
Reaktionsrate im Biokatalysator limitiert die Reaktion; der
Stofftransportwiderstand ist gering. Der interne Effektivitätsfaktor ηi0 beträgt in
diesem Fall (flache Platte, Reaktion 0. Ordnung, 0 < Φ < 1) 1.
Benennen Sie drei Möglichkeiten zur Minimierung von internen Stofftransport-
Effekten.
Interner Stofftransport
Reduzierung der beobachteten Reaktionsrate rA,obs
Reduzierung der Trägergröße (Stofftransportstrecke kürzer machen, also den
Trägerradius verringern)
Erhöhung des effektiven Diffusionskoeffizienten Dae (Temperatur erhöhen)
Erhöhung der Substratkonzentration an der Oberfläche cAS
Zeichnen Sie für eine fed-batch-Kultivierung den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen
an Zellen/Biomasse und Substrat sowie des Zulaufstromes.
siehe Bild
Erklären Sie kurz den Zusammenhang zwischen Wachstumsrate und Verdünnungsrate für einen
Chemostat-Prozess.
In einem idealen Chemostatbetrieb ist die Zellzahl dadurch konstant gehalten,
dass Verdünnung durch Ablauf und Wachstumsrate der Zellen gleich groß
sind.
Um die Zellzahl konstant zu halten, muss die Verdünnungsrate D
(Volumenstrom/Volumen des Reaktors) gleich der Wachstumsrate sein:
Ist F größer μ, dann verringert sich die Zellzahl.
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”.
Im idealen Chemostatprozess ist die Verdünnungsrate im Reaktor gleich der
Wachstumsrate an Zellen bzw. Umsatzrate von Produkt. Übersteigt die
Verdünnungsrate die kritische Verdünnungsrate Dkrit, dann werden mehr
Zellen ausgewaschen, als durch Wachstum entstehen. Dieser Zustand wird
als „wash-out“ bezeichnet.
Je näher D an Dkrit
kommt, desto empfindlicher
reagiert das
System auf Schwankungen
von D.
Zur Bestimmung kinetischer Parameter (maximale Wachstumsrate, Monod-Konstante für
Substatlimitierung) können Sie Batch- oder Chemostat-Experimente durchführen. Wofür
würden Sie sich entscheiden? (Begründung)
Chemostat
Weil:
- durch μ = D und D = F/V kann zuverlässig die Wachstumsrate bestimmt
werden und durch die bekannte Substratkonzentration auch die
abhängigen Parameter wie Ks
- im Batch sind die Werte bei niedrigen Substratkonzentrationen
schlechter aufgelöst. Für eine genaue Bestimmung im Monod-Modell
(μ = μmax * S/(ks + S)) sind aber auch diese Werte wichtig
Welcher Transportmechanismus liegt bei der Dialyse vor?
Wie hängen Permeationskoeffizient und Molekulargewicht zusammen?
Wofür steht der „cut off“-Wert für eine Dialysemembran?
Stoffstrom über eine Membran durch einen Konzentrationsgradienten,
der über die Membran vorliegt → ist das nicht Diffusion bzw. Osmose?
Der Permeationskoeffizient nimmt logarithmisch ab bei ansteigendem
Molekulargewicht → MW ↑ = P ↓
Größe, ab der Moleküle von der Membran zurückgehalten werden
Skizzieren Sie schematisch einen gerührten Bioreaktor einschließlich der wesentlichen
Bauelemente. Benennen Sie diese Elemente.
Zur Temperaturregelung werden sowohl Heizung als auch Kühlung benötigt. Warum?
Die Temperatur des Reaktors muss
konstant gehalten werden;
erwärmt um den Wärmeverlust
an die Umgebung auszugleichen
und gekühlt, um die von den
Zellen produzierte Wärme zu
kompensieren.
Beschreiben und skizzieren Sie das Funktionsprinzip von Blasensäulen und Air-Lift-
Reaktoren.
Durchmischung des Mediums
durch die aufsteigenden Blasen
und nicht durch mechanisches
Rühren
→ geringerer Energieeintrag
angewandt v.a. In Kläranlagen
und Hefereaktoren
Air-Lift-Reaktoren
Begasung aus
Begasern(n) wird
an festen
Strukturen im
Reaktor
abgelenkt, so
dass Kreisläufe
aus Gasbläschen
entstehen, die
zur
Durchmischung
des
Reaktorvolumens
führen
Beschreiben und skizzieren Sie das Funktionsprinzip von Festbett- und Wirbelschicht-
Reaktoren.
Zellen oder Enzyme sind auf
dicht angeordneten (porösen)
Trägern immobilisiert, und
werden von Medium umspült
und dadurch mit Nahrung
bzw. Substrat versorgt
Wirbelschicht
Zellen auf Trägern (oder
immobilisierte Biokatalysatoren)
werden im Medium durch
dauerhaftes Durchmischen des
Mediums suspendiert.
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.
Dynamische Methode zur Bestimmung von
KLa: Im Reaktor wird nach Sauerstoffzufuhr
diese abrupt beendet, wodurch cO2 auf 0
absinkt. In der Auftragung c → t kann die
Steigung beim Absinken bestimmt werden.
Sie entspricht q+
O2 * x; beim Wiederanstieg von
cO2 wird die Sauerstoffkonzentration an zwei
Stellen gemessen und daraus der kLa-Wert
berechnet.
Benennen Sie drei Typen von Begasern.
Begasungsrohr oder -ring
Microsparger
Membranbegaser
Zeichnen Sie in die nachfolgenden Skizzen die Strömungsbilder bei steigender
Begasungsrate bzw. Rührerdrehzahl ein.
siehe Bild
Benennen Sie physikalische, chemische und biologische Parameter, die an einem Bioreaktor
gemessen bzw. geregelt werden können (jeweils 2).
siehe bild
Benennen Sie vier scale-up-Kriterien für die Auslegung von Bioreaktoren.
- geometrische Ähnlichkeit der Reaktorkonstruktionen – wird allgemein
vorausgesetzt
- gleicher volumenspezifischer Leistungseintrag
- konstante Sauerstofftransferrate (kLa)
- konstante Rührerumfangsgeschwindigkeit
- gleiche dimensionslose Kennzahlen (z.B. Reynolds-Zahl Re oder Newton-
Zahl Ne)
