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Bioreaktortechnik (Subject) / VL 6-13 (Lesson)

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• Wie verhält sich der Leistungseintrag unter Begasung bei Erhöhung der spezifische Begasungsrate? Je höher die Begasung ist, desto geringer wird der Leistungseintrag.
• Was passiert mit der Flüssigkeit, wenn man bei gleichbleibender Drehzahl die Begasung erhöht? Mit steigender Begasung bilden sich hinter dem Rührblatt zwei “Ablösewirbel” oder“Gaszöpfe” (Vortex cavitites),die sich bei weiterem Anstieg zusammenschließen (Clinging cavitites). Bei weiterer Erhöhung der Begasung ist zu erkennen, dass sich die Strömungsrichtung um das Rührblatt herum verändert und sich eine große Gasblase hinter dem Blatt bildet (Large cavitites). Da der Grad der Ausbildung dieser Gaspolster von der Rührerdrehzahl abhängt, ergibt sich somit auch eine Abhängigkeit des Leistungseintrags von der Größe und Art der gebildeten Gaspolster. Erst wenn alle Gaspolster vollständig ausgebildet sind, wird der strömungsgünstigste Zustand erreicht.
• Wichtige Aspekte bei einem mehrstufigen Rührkessel bei Begasung 1. Der untere Rührer agiert wie ein einstufiger Rührkessel. Er dispergiert und zerstreut das komplette Gas 2. Alle obere Rührer laufen unter anderen Bedingungen. Sie müssen nicht mit der kompletten Gasmenge hantieren, nur mit dem Teil, der zum zirkulierenden Fluss gehört 3. Nur der untere Rührer verhindert Koaleszenz 4. Der Leistungseintrg der oberen Rührer in die Flüssigkeit ist höher
• Was beschreibt die Koaleszenz? 3) Koaleszenz beschreibt die Neigung von Blasen/Tropfen sich zu größerenBlasen/Tropfen zu vereinen.
• Beschreibe die Strömungsregime in einem Fermenter bei Erhöhung der Drehzahl 1. Flooding = FlutenGas steigt durch Rührer auf ohne verteilt zu werden (schlechte Durchmischung undSauerstoffversorgung!) 2. Plug flow = PropfenströmungGas wird durch den Rührer verteilt, keine Gasrückvermischung. Es findet keine Abwärtsbewegung statt. 3. Gasrecirculation = GasrückvermischungNur im unteren Bereich kommt es zur Gasrückvermischung. Es kommt zur Zirkulation. 4. Komplette GasrückvermischungSowohl über- als auch unterhalb des Rührers erfolgt die Rezirkulation der Gasblasen. Für eine kalkulierbare und effiziente Begasung wird die vollständige Gasrezirkulation angestrebt. 5. Surface aeration = GasansaugenGas wird von der Flüssigkeitsoberfläche in den Reaktor eingesogen. Sorgt für undefinierbare Belüftungsverhältnisse.
• Wie verschiebt sich das Strömungaregime bei vergrößern des Reaktors? Was muss dementsprechend angepasst werden? Je größer der Fermenter wird,desto weiter verschiebt sich das Strömungsregime in Richtung Fluten. D.h. um das Regime der Gasrezirkulation zu erreichen, müssen der Leistungseintrag oder die Begasungsrate für größere Fermenter angepasst werden.
• Was kann durch die Gleichung nach Nienow über den Flutpunkt ausgesagt werden? VL2 F36 Anhand dieser Umformungen können allgemeine Aussagen abgeleitet werden.1.) große Fermenter Fluten früher als kleine 2.) kleine Rührer Fluten früher als große Rührer -je kleiner der Rührer, desto höher ist der Leistungseintrag, der erreicht werden muss, um Fluten zu verhindern.3.) Den spezifischen Leistungseintrag beim scale-up konstant zu halten,bedeutet nicht, dass das Fluten verhindert wird!
• Wie verhält sich die Oberflächenbegasung bei höheren Begasungsraten? Allgemein gitl, dass mit steigender Begasungsrate die Oberflächenbegasung erst bei höheren Rührerdrehzahlen einsetzt.
• Beschreibe den Einfluss der Ionenstärke auf den spezifischen Massentransferbereich durch Veränderung des Koaleszenzverhalten Steigt die Ionenstärke, so steigt auch die Oberfläche der Blasen. Das liegt daran, dass es nicht mehr so schnell/oft zur Koaleszenz kommt. Dadurch bleiben die Blasen kleiner und die gesamte Oberfläche aller Blasen größer (zwei kleine Blasen haben eine größere Oberfläche als eine größere Blase). Ab einer Ionenstärke von 0,4 mol/L kommt es zu einer Sättigung (vollständige Koaleszenthemmung).
• Welcher Wert beeinflusst die Koaleszenz eines Systems am stärksten? Ab wann gilt ein System als vollständig koaleszenzgehemmt? Ab einer Ionenstärke von 0,4 mol/L gilt ein System als vollständig koaleszenzgehemmt.
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• Was beschreibt das Gas hold-up? Der Gas-hold-up beschreibt die Volumenänderung der Flüssigkeit aufgrund der Begasung und somit den Grad der ansteigenden Füllhöhe bei Begasung
• Wie verändert sich das Gas hold-up mit der Fermentergröße? Der Gas hold-up steigt mit der Fermentergröße
• Was kann bei einem höheren Leistungseintrag bei der Fermentation (im Bezug auf die DOT) erreicht werden? Für diese Fermentation kann angenommen werden, dass ein höherer Leistunsgeintrag für eine bessere Sauerstoffversorgung sorgt und damit die Produktausbeute erhöht
• Wie ist die OTR bei konstantem Leistungseintrag (relative Angabe) bei einem a) kleinen Rührer b) großen Rührer a) hochb) gering
• Was beschreibt die OTR, Kla-Wert, DOT, OUR,qo2, CWD Die OTR (Sauerstofftransferrate, engl.: oxygen transfer rate) beschreibt den Übergang des Sauerstoffs von der Gasblase ins Medium, wobei der kLa-Wert (volumetrischer Massentransferkoeffizient) als Maß für die Effizienz angesehenwerden kann. Die DOT (Gelöstsauerstoffkonzentration) beschreibt die gelöste Sauerstoffkonzentration im Medium. Die Aufnahme des gelösten Sauerstoffs durch den Mikroorganismus wird durch die OUR (Sauerstoffaufnahmerate, engl.: oxygen uptake rate) beschrieben. Die spezifische Sauerstoffaufnahmerate (qO2) berücksichtigt die vorhandene Biomasse (CDW:Zelltrockengewicht, engl.: cell dry weight).
• Wo findet man den maximalen Energieverteilungskoeffizienten? Der maximale Energieverteilungskoeffizient tritt an den Kollisionspunkten der Ablösewirbel auf.
• Wie verändert sich der maximale lokale Leistungseintrag bei kleiner werdendem Durchmesser? Je kleiner der Rührerdurchmesser, desto größer wird der maximale lokale Leistungseintrag.
• Wie ist der Hydromechanischer Stress bei konstantem Leistungseintrag (relative Angabe) bei einem a) kleinen Rührer b) großen Rührer a) großb) klein
• Wie verändert sich die hydromechanische Belastung im begasten Zustand im Vergleich zum unbegasten Zustand? Die hydromechanische Belastung im begasten Zustand im Vergleich zum unbegasten Zustand verringert. Dies liegt an der Turbulenzdämpfung durch Gasblasen.
• Was sind die 3 Bedingungen für Turbulenz? Re > 10^4 ∆f/dmax >10 (dmax hier = Tropfengröße) Je kleiner die Tropfen, desto höher der Leistungseintrag ∆f/Id >200 Abhängig von der Größe des Fermenters (maßgeblich für Scale-up; erst ab Reaktorvolumen > 50 L erfüllt)
• Welche Faktoren beeinfluss den Sauerstofftransport, bzw. die Sauerstoffversorgung? 1)Leistungseintrag (durch Rühren und Gasexpansion), Einfluss auf den kL- und a-Wert durch Generierung kleinerer Blasen 2)Veränderung im gas hold-up und dadurch auch der Massentransferbereich durch die Gasgeschwindigkeit 3)Abfall der Sauerstoffkonzentration in Blasen auf dem Weg durch den Reaktor 4)Sauerstoffkonzentration des Einlassgases 5)Druck (im Kopfraum, hydrostatischer Druck) 6)Temperatur (Beeinflusst durch den Diffusionskoeffizient, Löslichkeit, …) 7)Veränderung der Koaleszenz, charakterisiert die Fermentationsbrühe durch Bildung von Produkten 8)Einfluss von grenzflächenaktiver Stoffe und Antischaum mittel auf den kLa-Wert (kL-Werte werden normalerweise kleiner, a-Werte größer) 9)Veränderung der Sauerstofflöslichkeit durch Substratverbrauch oder Produktbildung 10)Veränderung des effektiven Diffusionskoeffizienten durch Substratverbrauch oder Produktbildung 11)Erhöhung der Viskosität durch Anreicherung von (filamentösen) Zellen oder polymeren Produkten 12)Bildung von schlecht durchmischten oder stagnierenden Zonen im Reaktor, wenn die Fermentationsbrühe eine nicht-newtonsche Flüssigkeit enthält 13)Bildung von Zellaggregaten und Pellets mit schlechter Versorgung in der Mitte 14)Vorhandensein von gelösten festen Partikeln (senkt den kLa-Wert bei Partikeln < 3mm, erhöht bei größeren Partikeln) 15)Vorhandensein einer zweiten (organischen) Phase mit einer höheren Sauerstofflöslichkeit

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