VL 1-5

Question 1

Core activity fields of biochemical engineering

Accepted Answer

-Mathematical modelling and optimization of biological reactions-Material and energetic balancing of bioprocesses-Dealing with metabolic parameters that can only be quantified by taking the related mass transfer phenomena (e.g. O2 and CO2) into account-Characterization and design of bioreactors-Development of process control strategies (feeding strategies, continuous processes)-Scale-up-Identification of cost determining steps of bioprocesses (costs of raw materials, production costs or downstream processing costs)

Question 2

Einflüsse Microorganismus / Gasblase benennen (Inputs/Outpus)

Accepted Answer

Siehe Folie 27 und Fragebogen

Question 3

Was für Ursachen kann der limitierende Schritt haben? Was sind häufige Beispiele für limitierende Schritte?

Accepted Answer

• Der limitierende Schritt des Prozesses kann sowohl biologische als auch physikalische Ursachen haben• Häufig ist der Transfer von Sauerstoff aus der Gasphase in die Flüssigphase der limitierende Schritt• Ein anderer möglicher limitierender Schritt ist die Produktsynthese/-sekretion

Question 4

Was sind die limitierenden Schritte in einem Bioprozess?

Accepted Answer

Biologische Parameter- Wachstumsrate- Rate der Substrataufnahme- Produktsynthese- Produktsekretion Physikalische Parameter- Gas-Flüssigkeit-Sauerstofftransfer- Diffusion in mycellischen Flocken- Inhomogenität (schlechtes Durchmischen / vor allem bei großen Fermentern)- Hydromechanischer Stress

Question 5

Nenne 10 charakteristische Bioprozessparameter! Welche sind biologische Sensoren, welche nicht?

Accepted Answer

1. O2-Zufuhr2. CO2-Entfernung3. Emulgieren einer 2. flüssigen Phase4. Mischintensität5. Hydromechanischer Stress / Aufbruch der Zellen6. Suspension von Feststoffen7. Verdunstung von Wasser8. Schaum9. Wärmeentfernung10. Spezifischer Leistungseintrag 1.- 9.: biologischer Sensor10: kein biologischer Sensor

Question 6

Was muss beim Scale-up bezüglich des limitierenden Schritts beachtet werden?

Accepted Answer

Limitierender Schritt kann unter Umständen im kleinen Maßstab ein anderer sein als im großen Maßstab, zB kann er im kleinen Maßstab auf Seite der Biologie liegen (zB metabolische Limitation) und im großen Maßstab auf der Seite des Prozesses (zB O2-Limitation)• Das bedeutet, dass ein im kleinem Maßstab optimierter Prozess möglicherweise im großen Maßstab im Bezug auf andere Parameter erneut optimiert werden muss-> Unbedingt beim Scale-up beachten!

Question 7

Welche Parameter beeinflussen den Bioprozess in der a) Mikrobiologie b) Verfahrenstechnik? (Zeichnung)

Accepted Answer

a) Mikrobiologie - C-Quelle (z.B. Glucose) - N-Quelle - Vitamine - Spurenelemente b) Verfahrenstechnik - pO2 - pCO2 - Verdunstung - Schaum - hydromechanisher Stress - Emulsionsbildung

Question 8

Erläutere die folgenden Bioprozessparameter genauer, im Hinblick darauf wann sie von Bedeutung für den Prozess sind: Sauerstoffeintrag, Entfernung gasförmiger Komponenten, Homogenität der Mischung, Hydromechanischer Stress, Schaumbildung, Emulgieren einer zweiten Flüssigkeit, Suspension von Feststoffen, Wärmeableitung, Leistungseintrag

Accepted Answer

1. Sauerstoffeintrag: Wichtig bei schnell wachsenden, aeroben Mikroorganismen 2. Entfernung gasförmiger Komponenten („Stripping“) beachten, da sie zu Konzentrationsänderungen führen. Zum Beispiel kann CO2 zum Wachstum benötigt werden oder inhibierend wirken.3. Homogenität der Mischung: Im großen Maßstab ist ein gradientenfreies System nicht möglich 4. Hydromechanischer Stress: Beschädigung von Zellen besonders bei Säugetierzellen unerwünscht. Kann aber auch erwünscht sein, wenn Organismen beispielsweise in Mycelien wachsen.5. Schaumbildung: Unter anderem wichtig beider Reaktorauslegung (Änderung der Füllhöhe!); Veränderung des Sauerstofftransfers6. Emulgierung einer zweiten Flüssigphase ->Tropfengröße hängt von weiteren Parametern (z.B. Rührintensität) ab7. Suspension von Feststoffen ->möglichst homogen 8. Wärmeableitung ->Auslegung Temperiermantel9. Spezifischer (durchschnittlicher) Leistungseintrag-> Maß für den Energieeintrag in den Reaktor

Question 9

Was sind die 2 Hauptparameter eines Rührreaktors?

Accepted Answer

1. Rührintensität2. Begasungsintensität

Question 10

Zeichne das Betriebsfenster und beschrifte es. Welche der Punkte gibt es bei gram-positiven-Bakterien NICHT?

Accepted Answer

Das Bild: VL1 F33- Y-Achse: Rührintensität- X-Achse: Besagungsintensität- Beschriftung 1 - 6 von oben links bis unten links (im Uhrzeigersinn) 1) Schaden der Zelle2) Kosten3) Schaum4) zu geringes Rühren5) Sauerstofflimitation6) CO2-Hemmung 1) gibt es bei gram-positiven Bakterien nicht

Question 11

Nenne Bioreaktortypen (es gibt 12)

Accepted Answer

RührreaktorOverflow reactorSelf inducing reactorRecycle reactorDriving jet reactorRamjet reactorBubble columnAirlift reactorTrickle bed reactorMammoth loop columnPerforated tray reactorPaddle wheel reactor

Question 12

Nenne die 4 Gruppen von Bioreaktoren bezogen darauf, wie der Energieeintrag stattfindet:

Accepted Answer

1. Rührer (mechanischer Antrieb im Reaktor)2. Externe Pumpen3. Gaskompression 4. Weitere Methoden

Question 13

Welche sind die drei Bioreaktoren, die am häufigsten verwendeten werden? Kurze Skizze der drei Reaktoren

Accepted Answer

VL1 F34, Notizen der Rührkessel (1), die Blasensäule (7, nächste Folie) und der Trickle Bed Reaktor (9, nächste Folie)

Question 14

Zeichne einen Rührkessel mit einem Rührer und nenne die geometrischen Sandards

Accepted Answer

HL = DRd = DR/3Baffle: 0,1 DRL = d Rührer:Höhe des Rührerblattes: d/5Breite des Rührblattes: d/4

Question 15

Zeichne einen Rührkessel mit 3 Rührern und nenne die geometrischen Standards

Accepted Answer

HR/DR = 3HL/DR = 2dL/DR = 0,75L1/DR = 0,375 Rührer:Höhe des Rührerblattes: d/5Breite des Rührblattes: d/4

Question 16

Zähle bekannte Rührertypen auf

Accepted Answer

1. Propellor-Rührtyp2. Schaufelrührer3. Scheibenrührer4. MIG-Rührer / INTERMIG5. Ekato Mizer-disc6. Wendelrührer

Question 17

Erkläre/Beschreibe/Nenne folgendes bei einem Scheibenrührer: a) d/DR b) h/d c) Flüssigkeitsströmung d) Spitzengeschwindigkeit e) Strömungsbild f) Powernumber g) Viskosität h) Einsatz

Accepted Answer

a) 0,33b) 0,2c) radiald) 3 - 7 m/se) turbulentf) 4,6g) <10h) Flüssig/Flüssig Dispersion, Belüftung (ohne Scherkräfte)

Question 18

Erkläre/Beschreibe/Nenne folgendes bei einem Scheibenrührer: a) d/DR b) h/d c) Flüssigkeitsströmung d) Spitzengeschwindigkeit e) Strömungsbild f) Powernumber g) Viskosität h) Einsatz

Accepted Answer

a) 0,33b) 0,2c) radiald) 3 - 7 m/se) turbulentf) 4,9g) <10h) Flüssig/Flüssig Dispersion, Belüftung (ohne Scherkräfte)

Question 19

Was bedeutet CFD und was stellt es dar?

Accepted Answer

CFD = Computational Fluid Dynamics: Berechnung von lokalenGeschwindigkeitsvektorenDarstellung der Richtung über PfeileDarstellung der Geschwindigkeit über Länge der Pfeile

Question 20

Welche Methoden zur Messung des Leistungseintrags gibt es? Erkläre kurz

Accepted Answer

Messung des elektrischen Stromverbrauchs des Motors. Diese Methode ist relativ einfach durchzuführen, allerdings werden mit dieser Methode auch alle auftretenden Verluste (Verlust am Motor, Antriebsriemen, Getriebe, Gleitringdichtung) mitgemessen, so dassdas Ergebnis ungenau wird.Drehmomentmessung an der Antriebswelle (außerhalb des Reaktors, im Reaktor/in der Rührewelle). Diese Messmethode ist genauer als die obige Methode, da weniger Verluste mitgemessen werden. Spezielle die Messung des Drehmomentsan der Antriebswelle innerhalb des Reaktors ist sehr genau, da hier die Verluste an der Antriebseinheit sowie an der Gleitringdichtung nicht mitgemessen werden. Drehmomentmessung am Reaktorgehäuse. Hierbei wird die Kraft gemessen, die notwendig ist, um einen drehbar gelagerten Reaktor zu halten. Die Methode ist relativ einfach experimentell durchzuführen und liefert genaue Ergebnisse. Der Reaktor muss dazu allerdings drehbar gelagert werden. Bei sehr großen Reaktoren ist dieser Methode daher schwierig zu realisieren.Messung der Wärmeentwicklung. Die Methode ist sehr genau, sie erfordert aber entsprechende Ausstattung an Messtechnik (teuer, oftmals nicht vorhanden)

Question 21

Zeichne das P/Re Diagramm und seine 3 Bereiche

Accepted Answer

Diagramm ist allgemeingültig (unabhängig von der Kesselgröße)x-Achse: Reynoldszahl (dimensionslos)y-Achse: Power number = Newtonzahl (ebenfalls dimensionslos) n = Drehzahl [1/s]d = Rührerdurchmesser [m]ρ= Dichte der Flüssigkeit [kg/m3]η= Viskosität [üblich: Pa·s; SI: kg/m/s]1: Laminare Strömung2: Übergangsbereich3: Turbulente StrömungZiel ist immer eine turbulente StrömungFür einen Scheibenrührer (unbegast) gilt im turbulenten Bereich (Re > 104) eine Power number von 4,9

Question 22

Wie verändert sich der spezifische Leistungseintrag bei steigendem Reaktorvolumen?

Accepted Answer

Der spezifische Leistungseintrag wird in der Praxis oft mit steigendem Reaktorvolumen nicht konstant gehalten, sondern leicht zurückgenommen.

Question 23

Hat der Rührerabstand einen Einfluss auf die Vermischung? Zeichne den unbegasten Leistungseintrag für die drei Fälle

Accepted Answer

Rührer direkt übereinander: wirkt, wie ein großer Rührer und nur an einer Stelle kommt es zu einer Vermischung kleiner Abstand: Wirbel überschneiden sich stark, größeres Mischgebiet aber nicht an den äußeren Stellen (oben/unten) großer Abstand: Wirbel überschneiden sich gar nicht, nur unten und oben Durchmischung Leistungseintrag verdoppelt sich im Vgl. Zu einer RührstufeProblem: Durchmischung erfolgt nur innerhalb der Primärströmungszonen, nicht dazwischen -> Wirbel sollten sich etwas überschneiden, damit es zu einer idealen Durchmischung kommt

Bioreaktortechnik (Subject) / VL 1-5 (Lesson)