Biotechnologie (Fach) / VL 6: Bioreaktortechnik (Lektion)

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• Definition Bioreaktor abgegrenzter Raum / Apparat, in dem unter Anwesenheit und Mitwirkung eines Biokatalysators eine Stoffumwandlung stattfindet
• kleinster Bioreaktor und Eigenschaften Zelle Abgegrenzt durch Zellwand, muss nicht abgeschlossen sein kurze Wege, keine Stofflimitierungen
• Bioreaktor in technischem Maßstab im Vergleich zur Zelle lokale Quellen und Senken, Dichteunterschiede bei mangelnder Durchmischung
• Zelle als Bioreaktor: 5 rein, 5 raus rein: N, C-Quelle, Vitamine, Spurenelemente, Sauerstoff raus:  Biomasse, Co2, Nebenprodukt, Produkt, Wärme
• Umwandlungen Substrat => MO => Produkt 7 Glucose => S. cerevisiae => Ethanol  Stärke => A. niger => Citronensäure Lactose => Lb => Milchsäure Melasse => Corynebacterium glutamicum => Glutaminsäure Glucose => Pseudomonas => Rhamnolipide C-Quelle => Xanthomonas => Xanthan L-Phenylalamin => Kluveromyces => Phenylethanol etc.
• 6 Typen Bioreaktoren -Festbett -Fließbett -Tropfkörper -Rührkessel -Airlift -Blasensäule
• Was muss berücksichtigt und ausgewählt werden bei Bioreaktoren? -Berücksichtigung Wachstums- und Prozessbedingungen -Auswahl Bioraktor und Betriebsweise
• 2 Herausforderungen Bioreaktortechnik -ausreichende Durchmischung und Begasung -Gestaltung und Dimensionierung Temperiersystem
• Warum / wobei hat die Wärmeübertragung Bedeutung? -Hitzesterilisation -exotherme Kultivierungsprozesse, Wärmefreisetzung -Temperaturabhängigkeit Biokatalysatoren
• Worauf hat die Wärmeübertragung Einfluss? 3 -Sauerstofflöslichkeit -Stoffübergang -physikalische Medieneigenschaften
• Wie erfolgt die Wärmeleitung in Bioreaktoren? 2 Arten -in gerührten Bioreaktoren über Mantelfläche -Temperierflüssigkeit durch Doppelmantel -ggf zusätzliche Rohre in Bioreaktor -doppelwandige Rührbehälter: zwei durch Wand getrennte Medien unterschiedlicher Temp aneinander vorbei
• Wärmedurchgang ebene Wand an der Flüssiggrenzschicht Allgemein: Von Kernströmung Heizmantel zu laminar Wand -innerhalb Grenzchicht mantel: Leitung  -Wand Bioreaktor: Leitung, linearer Abfall -Medium: laminare Grenzschicht  -Kulturmedium: Konvektion 
• 3 Einflussgrößen auf Wärmetransport und Details -Konstruktionsgrößen: Reaktorgröße, Form, Durchmesser, Stromstörer usw. -Betriebsgrößen: Rührerdrehzahl, Begasungsrate, Temperaturen, Rührgeschwindigkeiten -Medien, Wärmeträgereigeschaften: Viskosität, Dichte, Wärmeleitkoeffizient
• Was ist beim Sauerstoffeintrag zu beachten? -MO -Bedeutung -Vorhandensein -Regel -Mikroorganismen haben sehr unterschiedliche Sauerstoffansprüche -zentrale Bedeutung -niedrig im Medium -Eingetragene Menge größer als Bedarf
• Wovon hängt die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser ab? -Temperatur -Ionenkonzentration
• Was ist der Bunsenkoeffizient? Gasvolumen bei 0 °C und 1 bar wird von Volumeneinheit des Lösemittels bei einem Gasvolumenpartialdruck von 1 bar gelöst
• Mischen Definition möglichst gleichmäßiges Verteilen verschiedener Komponenten in abgegrenztem Volumen Komponenten unterscheiden sich in: -chemischer Zusammensetzung -physikalischer Eigenschaften -Morphologie
• 2 Ziele Mischen Erhöhung biologischer Umsatz unter Wahrung Produktquali Beschleunigung Stoff- und Wärmeübergang
• 4 Arten Sauerstoffeintrag -Oberflächenbegasung -Hohlrührer -Druckbegasung -blasenfreier Übergang
• Oberflächenbegasung Gas wird über Trombe eingebracht Eingebrachte Gasmenge ist gering
• Hohlwelle im technischen Maßstab zur Ansaugung großer Gasmengen nicht geeignet
• blasenfreie Begasung Methode, Pro und Contra -diffuser Sauerstoffeintrag Membranen -schonend, max. Sauerstoff begrenzt
• Druckbegasung wann Prinzip große Mengen -Menge beeinflusst durch Druck, Sauerstoffpartialdruck, Blasengröße -keramische Membranen mit kleinen Poren Blasenkoaleszenz
• Rührkesselbioreaktoren 6 Komponenten -Zylinderbehälter -ein oder mehr Rührer -Begaser -Stromstörer -Heizmantel -70-80 % Füllung
• Rührkesselreaktoren Merkmal Parameter wie bei verschiedenen wieso -Tradition chemische Industrie; Auslegung viele Biotech-Anwendungen -Schlankheitsgrad s = H /D 1: Chemie, 2-3 Biotech längere Verweilzeit,  bessere Thermostatierung Reaktorinhalt
• ideal kontinuierlicher Rührkesselreaktor 2 Eigenschaften 3 wie wird es bewerkstelligt keine Konzentrationsänderung über Ort und Zeit => ideale Durchmischung => Energieeintrag mechanisch bewegte Elemente => kontiniurlicher Zulauf und Ablauf: Fließgleichgewicht
• ideal diskontinuierlicher Reaktor 2 Eigenschaften 2 Maßnahmen keine Änderung über Ort, aber Zeit => völlige Durchmischung, Energieeintrag durch mechanisch eingebrachte Elemente
• 3 Betriebsweisen Bioreaktoren und daraus folgender Ansatz -geschlossen => diskontinuierlicher Ansatz batch -offen => kontinuierlich -teiloffen => fed-batch
• Prozessmodell batch-Betrieb -Grundsatz -Zufuhr -Zeitentwicklung -Gewinnung -Reaktoren 1) Wachstum als Spontanprozess 2) am Anfang vorliegend, dann nicht mehr Ausnahmen: Gase, pH-Korrektur, Schaumbekämpfung, Analytikentnahme 3) Konzentationen ändern sich 4) am Ende 5) Kolben, Rührkessel
• 3 Betriebsweisen Bioreaktoren und daraus folgender Ansatz -geschlossen => diskontinuierlicher Ansatz batch -offen => kontinuierlich -teiloffen => fed-batch
• Allgemeine Bilanzgleichung Änderung Masse über Zeit = Zufuhr - Entnahme + mit Zeit umgesetzte Masse dm / dt = Fein * c ein -  Faus * c aus + rV
• Bilanzgleichung für den batch-Betrieb Akkumulation = Konsersation d.h. in der Zeit umgesetzte Masse dm / dt = rV
• kontinuierlicher Betrieb -Veränderung Medium -Volumen -Hauptcharakteristikum -es fließt Medium Zu und ab -Volumen konstant -Steady state
• n n
• Prozessmodell kontinuierlicher Betrieb 0 = Akkumulation = Zufuhr System - Entnahme System + Konversation 0 = Fein * cein - Faus * caus  + rV
• Durchfluss / Verdünnungsrate D = F / V  gibt an, wie oft Volumen im Mittel pro Zeit ersetzt wird 
• u = D Erkärung Ausgleich 3 Vorrausetzungen spezifische Wachstumsgeschwindigkeit (physiologisch) = kann mit Durchflussrate eingestellt werden (physikalische Größe) Auswaschverlust = Bakterienwachstum Vorrausetzungen: ideal kontinuierlich, steriler Zustrom, steady state
• Chemostat durch Einstellung der Fluss/Verdünnungsrate Dosierung Chemikalie => pseudostationärer Zustand
• XD-Diagramm Größen Ziel zwei Puunkte das Biomassewachstum gegen die Verdünnungsrate Dc: hier Auswaschung Dmax und Dc nah beieinander
• 3 -state -Chemostat: Einstellung über Substratzufuhr geringe D-Abhängigkeit  -Turbidostat: Online-Trübungsmessung starke D-Abhängigkeit steiler Anstieg -Nutrisat wie Turbidostat, nur Messung limitierendes Substrat
• Prozessmodell Fed-Batch-Ansatz Änderung der Masse der Komponente über Zeit = Massenzufuhr + in System umgesetzte Masse
• Fed-Batch-Betrieb Ziel Gründe konstant niedrige SUbstratkonzentrationen -niedrig geug Meidung Nebenprodukte -hoch genug um Substratinhhibierung zu vermeiden => Zulauf muss Verbrauch kompensieren
• 3 o -wegen metabolischer Inhibitiion ist Satzbetrieb mit hohen Konzentrationen nicht möglich -Nachteile Totzeiten wirtschaftlich nicht tragbar -Glucose-Effekt: aeob bei hohen Konz Ethanol
• idealer Rohrreaktor -Grundprinzip -wichtige Eigenschaft PFR Reaktorlösung fließt durch Rohr keine Rückvermischung Konzentration ändert sich nicht über Zeit, sondern über die Rohrlänge
• Airlift-Reaktor -Anwendung, Bsp -Gaseintrag -5 Vorteile 2x kein -scherempfindliche MO, bspw. Quorn -Gaseintrag Druckluft -Vorteile:kein Stagnieren, keine hohe Dissipation Stellen, gute Gasabtrennung Kopf, guter Wärmetransport, gute Maßstabübertragung
• Quorn Was Geschichte Mycoprotein als eiweißhaltiger Fleischersatz -Screening Fusarium ventarum => billig, hoher Proteingehalt, fleischähnlich -Freigabe GB, USA, Australien, DL
• Quorn -Kultivierung -Produkt -Nachbehandlung -Verarbeitung Blasensäulen 150000 l, geringe Scherrate, Traubenzucker, Pepton, Mineralien -aus 1 kg Zucker 136 g Protein -Temperaturbehandlung => Senkung RNA -Mischen mit Hühnereiweiß
• Blasensäulen -Unterschied zu Airlift -Luftzufuhr -kritischer Schritt -Ziel Bsp -Auftrieb, nicht erzwungene Strömung -Luftzufuhr Bodendüsen -kritischer Schritt: Bildung -Ziel: besserer Stofftransport Esteröle
• Veresterung Polyglycerol mit Laurinsäure Merkmal Reaktion 3 Ziele Gas Zunahme Viskosität x20 vierphasig: Stoffe nicht mischbar, immobilisierter Kata, Luft / Stickstoff Funktionen -Energieeintrag -Abtrennung Reaktionswasser -Viskosität niedriger
• Wirbelschichtreaktoren Prinzip Vorteil Fluidisierung von auf Partikeln fixierten Mikroorganismen Vorteil: Entkopplung Biomasseverweilzeit und Flüssigkeitsverweilzeit

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