Bioreaktortechnik (Fach) / VL 14-15 (Lektion)

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• Warum gibt es Bioprozesse mit einer zusätzlichen organischen flüssigen Phase? Was sind Beispiele? •Höhere Alkane als C-Quelle •Pflanzenöl als C-Quelle•Mikrobielle oder enzymatische Umsetzung mit wasserunlöslichen organischen Edukten•Fermentationen mit in-situ Produktextraktion
• Woraus resultiert der Tropfendurchmesser der zweiten organischen Phase? und wodurch wird dieser beeinflusst? Der Tropfendurchmesser resultiert aus dem dynamischen Gleichgewicht von Koaleszenz und Auseinanderbrechen. Bei nicht-koaleszierenden Systemen unabhängig vom Maßstab -> koaleszierende Systeme: maßstabsabhängig Je höher die maximale lokale Energieverteilungsdichte ist, desto kleiner werdendie Tropfen.
• Es wird in einem Öl-Wasser-Gemisch einmal ein Salz und einmal ein Emulgator hinzugegeben. Wie wird der Durchmesser der Öl-Tropfen beeinflusst? Wie verändert sich der Tropfendurchmesser bei Veränderung der Drehzahl? Je höher die Drehzahl, desto höher der Leistungseintrag und desto kleiner sind die Tropfen (rote Kurve).  Durch eine erhöhte Ionenstärke (Salzzugabe) steigt der mittlere Tropfendurchmesser aufgrund der Tropfenkoaleszenz  Zur Trennung der Tropfen muss die Oberflächenspannung überwunden werden. Durch die Zugabe von Emulgatoren sinkt die Oberflächenspannung σ und damit der mittlere Tropfendurchmesser, da weniger Spannung überwunden werden muss.
• Es wird in einem Öl-Wasser-Gemisch einmal ein Salz und einmal ein Emulgator hinzugegeben. Wird die Koaleszenz beeinflusst und wenn wie? Die Köpfe der Fettsäuren sind negativ geladen. Dadurch stoßen sich die einzelnen Öltröpfchen ab und verbinden sich nicht. Gibt man nun Salz dazu, sind Kationen vorhanden. Die Fette sind nun nicht mehr negativ geladen und können sich näher kommen und somit auch verschmelzen. Die Koaleszenz steigt also und die Öltröpfchen werden großer. Gibt man einen Emulgator dazu, sorgt dieser dafür, dass die Öltröpfchen feiner verteilt werden, sich aber nicht verbinden. Die Oberflächenspannung sinkt durch die Emulgatoren und die Tröpfchen halten sich nicht mehr zusammen. Die Koaleszenz sinkt und die Bläschen werden kleiner.
• Hyromechanischer Stress zerstört Mikroorganismen, aber trotzdem muss er nicht nur negativ sein. Warum nicht? Wenn die Mikroorganismen dazu neigen große Pellets zu bilden (z.B. Aspergillus niger), so werden die Zellen im Inneren keine Nährstoffe bekommen. Es entstehen tote Zonen. Der hydromechanischer Stress sorgt also dafür, dass die Pellets nicht zu groß werden.
• Inwiefern hat der spezifische Leistungseintrag Einfluss von Hyphenlängen eines Pilzes? Der Leistungseintrag steigt, wenn die Rührgeschwindigkeit steigt. Steigt diese, so steigen die hydromechanischen Beanspruchungen und die Pellets, bzw. die Hyphen werden kleiner.
• Was kann man während der Kultivierung tun, damit die Hyphen eines Pilzes nicht zu groß werden? In einer kontinuierlichen Kultur werden die Substrate (z.B. Glucose) nur in geringen Mengen dazugegeben. Der Pilz wächst nicht so schnell und dadurch werden die Hyphen allgemein nicht so lang.
• Beschreibe die verschiedenen Bereiche eines filamentösen MO. Von Außen nach Innen: L1: dichte und feine Filamente. Es besteht ein vollkommenender Kontakt zur Außenwelt L2/L3: dichtere Filamente. Weniger Kontakt zur Außenwelt. Weniger Substrate gelangen zu den Zellen. L4: Tote Zone. Keine Nährstoffe gelangen in das Innere. Das Pellet wird hohl, die Hülle wird immer dünner bricht irgendwann auseinander (abhängig von der hydromechanischer Belastung). Bei filamentös wachsenden Mikroorganismen in Pelletform bildet sich ein mit Nährstoffen und v.a. Sauerstoff schlecht versorgtes, schließlich lysierendes Zentrum (Pellet wird innen hohl). Dies geschieht dadurch, dass die Diffusionsresistenz mit zunehmendem Partikeldurchmesser zunimmt (L1-L4 entspricht verschiedenen Zonen der Versorgung) Zerstörung der Partikel durch hydromechanische Kräfte kann vorteilhaft sein,da die Versorgung mit Sauerstoff/Nährstoffen besser wird
• Wie kann man hydromechanischen Schaden erkennen? Nenne 7 Techniken und beschreibe sie grob von der gröbsten zur feinsten Technik. Grobe Technik 1.Mikroskopieren (qualitativ) 2.Mikroskopische Bilder anfertigen und mittels statistischer Methoden und Bildverarbeitungsprogrammen auswerten3.Untersuchung der Freisetzung von Nukleotiden bei 240nm4.Proteinbestimmung des Überstands : durch Absorbanzmessung bei 280 nm (nur bei Organismen, die keine Proteine sekretieren) 5.Aktivitätsmessung der intrazellulären Enzyme im Überstand (nicht bei sekretierenden Organismen)6.Atmungsrate in O2-Messzellen bestimmen7.Ausplattieren und koloniebildende Einheiten bestimmenFeine Technik
• Warum werden Bakterien nicht durch den hydromechanischen Stress beeinflusst? Die kleinen Wirbel, die bei starken Rühren entstehen, sind größer als die Bakterien selber. Da die Wirbel nur für MOs gefährlich sind, die größer als die Wirbel selbst sind, sind diese für das Bakterium nicht gefährlich
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• Welcher Parameter bestimmt die hydromechanische Belastung? Der maximale lokale Leistungseintrag (P/V)max
• Wie verändert sich der Flockendurchmesser bei konstantem spezifischen Leistungseintrag, wenn a) die Rührergröße abnimmt b) die Anzahl der Rührer abnimmt c) die Höhe des Blattrühres abnimmt d) der Winkel des Rührers abnimmt e) man ohne Stromstörer fährt a)Je kleiner das Verhältnis von Rührer zu Kesseldurchmesser wird, desto höherist die hydromechanische Belastung. Flockendurchmesser nimmt ab. b)Variation der Anzahl der RührerWeniger Rührer müssen sich schneller drehen für den gleichen Leistungseintrag. Es kommt zu hohen Spitzeneinträgen. Der Flockungsdurchmesser nimmt ab. c)Variation der Höhe der BlattrührerIst die Höhe geringer, haben die Rührer weniger „Griff“. Sie müssen schneller drehen und es kommt zu einer höheren Belastung. Der Flockungsdurchmesser nimmt ab. d)Variation des Winkels des RühresJe flacher der Winkel wird, desto weniger Leistung wird eingetragen und desto größer wird die hydromechanische Belastung e)Variation ob mit oder ohne StromstörerOhne Stromstörer müssen die Rührer schneller drehen und es kommt zu einer höheren Belastung. Der Flockungsdurchmesser nimmt ab.
• Was muss bei der Darstellung des Einflusses von hydromechanischen Stress auf lebende Organismen in sehr großen Reaktorvolumina oder beim Scale up oft beachtet werden? Für lebende Organismen ergibt sich erst eine Korrelationsgerade beiunterschiedlichen Reaktorgrößen, wenn die Energieverteilung geteilt durch dieZirkulationszeit aufgetragen wird. Je länger die Zirkulationszeit, desto mehr Zeit für die Reaggregation und destogrößer sind die Pellets, bevor sie durch den Rührer zerkleinert werden Bei Pellets kommt es zur Agglomeration und somit zur Vergrößerung der Projektionsfläche im großen Maßstab  Scheinbar ist die hydromechanische Belastung geringer, obwohl dies lediglich auf die längere Zirkulationszeit zurückzuführen ist
• Welche Auswirkung hat hydromechanischer Stress auf die Sauerstoffversorgung und den kla Wert? Die gleichen Kräfte, die Mikroorganismen schädigen, zerkleinern auch Tropfenund Blasen und sorgen dabei durch eine größere Stofftransferfläche für einebessere Durchmischung und Sauerstoffversorgung  Beides ist nicht getrenntvoneinander zu kontrollieren
• Beschreibe kurz die Normale und die Membranbegasung Normale Blasenbegasung:• Möglichst niedrige Begasungsrate, damit möglichst keine kleinen Blasenentstehen• Je länger die Zellen schon in Kultur gezüchtet wurden, desto wahrscheinlicherhalten sie der hydromechanischen Belastung stand (Probleme v.a. bei neuenZellinien) Membranbegasung:• Gaspermeable Membranen mit so kleinen Poren, dass die Flüssigkeit nichteindringen kann• Durch den Überdruck an der Grenzfläche geht der Sauerstoff in die Flüssigkeitüber  keine Blasen im Reaktor
• Wie verhält sich der Flockungsdurchmesser bei erhöhter Energiedissipation? Je höher εmax, desto kleiner werden die Flocken

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