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Bioreaktortechnik (Fach) / VL 20-22 (Lektion)

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• Was sind die zentralen Punkte des Scale-ups vom Schüttelkolben zum Fermenter? Rührerdrehzahl und Begasungsrate
• Was beeinflusst den Leistungseintrag NEGATIV bei Schüttelkolben ohne Stromstörer (System ist "in Phase") Erniedrigung der Schüttelfrequenz nErhöhung des Füllvolumens VLErniedrigung der Größe des Schüttelkolbens dErniedrigung der Viskosität
• Was ist "in Phase" und was ist "außer Phase" In Phase“Unter normalen Bedingungen rotiert die Flüssigkeit im Schüttelkolben „in Phase“, das heißt, sie bewegt sich synchron mit der Schüttelbewegung des Tablars. „Außer Phase“Unter bestimmten Bedingungen kann eine geschüttelte Kultur „außer Phase“ geraten. Dieser Zustand ist charakterisiert durch ein unkontrolliertes Schwappen der Flüssigkeit am Boden des Kolbens. Damit verbunden sind ein reduzierter Leistungseintrag, schlechte Durchmischung und verringerter Gas-Flüssigkeits-Stofftransfer.
• Wie erfolgt der Leistungseintrag im Schüttelkolben und wovon ist der Leistungseintrag dadurch abhängig? Der Leistungseintrag erfolgt durch Reibung zwischen der Glaswand und derrotierenden Flüssigkeit und ist damit von der Fläche abhängig Je kleiner das Füllvolumen gewählt wird, desto größer wird das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen Je niedriger das Füllvolumen, umso höher ist der spezifischer Leistungseintrag (P/VL)
• Wie beeinflusst der Schütteldurchmesser den Leistungseintrag eines Schüttelkolbens? Oberhalb einer bestimmten Grenze hat eine Erhöhung des Schütteldurchmesser keinen Einfluss auf den Leistungseintrag, es muss jedoch ein bestimmter kritischer Wert überschritten werden (ca.2,5 cm) Der Schütteldurchmesser ist ein Maß für die Zentrifugalkraft
• Wie kann die Phasenzahl beeinflusst werden? Die Phasenzahl gibt zusammen mit der axialen Froudezahl (Fra) Auskunftdarüber, ob sich ein System In- oder Außer-Phase befindet. Die Phasenzahl verändert sich je nach Schütteldurchmesser,Schüttelgeschwindigkeit und Füllvolumen. Für alle drei Parameter gilt: mit steigendem Wert nimmt die Phasenzahl zu
• Das System tendiert zu "in Phase", wenn a) die Viskosität ... ist b) der Schütteldurchmesser ... ist c) das Füllvolumen ... ist d) die Rührfrequenz ... ist e) der Kolbendurchmesser ... ist a) niedrig b) groß c) hoch d) hoch e) optimal
• Das System tendiert zu "außer Phase", wenn a) die Viskosität ... ist b) der Schütteldurchmesser ... ist c) das Füllvolumen ... ist d) die Rührfrequenz ... ist e) der Kolbendurchmesser ... ist a) hoch b) klein c) niedrig d) niedrig e) größer oder kleiner als das Optimum
• Wie kann bspw. Wasser abgesehen von dem Viskositäts-Phänomen noch außer Phase geraten? Außer-Phase-Phänomen durch eine hoheSchüttelfrequenz bei einem großen Kolben und gleichzeitig geringem Schütteldurchmesser Wird die Schüttelfrequenz auf über 110 rpm eingestellt, gerät das System außer Phase; Soll nun das System wieder in-Phase gebracht werden, muss die Schüttelfrequenz über 100 rpm hinaus reduziert werden!  Das Außer-Phase-Phänomen ist z.B. zu beobachten, wenn Schütteldurchmesser und Kolbengröße bzw. Füllvolumen nicht aufeinander abgestimmt sind.
• Zeichne/Beschreibe und erkläre den Einfluss von Stromstörern in Schüttelkolben auf a) die Bildung eines Produktes, was unter anaeroben Bedingungen gebildet wird (Asparaginase) b) die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeit c) die Bildung eines Produktes, was unter aeroben Bedingungen gebildet wird (Antibiotika) StromgestörtIst das System stromgestört, so ist die Oberfläche unruhiger und welliger. Das bedeutet, die Oberfläche ist größer und somit kann mehr Sauerstoff eingetragen werden. Daher ist die ganze Zeit über Sauerstoff gelöst und wird nicht aufgebraucht. Die Prodigiosinkonzentration steigt, also ist die Produktion von Sauerstoff abhängig. Asparaginase dagegen wird kaum gebildet. Sie wird wahrscheinlich nur bei geringer/keiner Sauerstoffkonzentration bevorzugt gebildet. Nicht stromgestörtIst das System nicht stromgestört, so wird weniger Sauerstoff eingetragen. Die Sauerstoffzufuhr reicht nicht aus und es wird zu einem sauerstofflimitierten System. Da nur wenig Sauerstoff vorhanden ist, wird mehr Asparaginase gebildet. Prodigiosin dagegen wird nicht gebildet.
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• Warum wird bei einem Schüttelkolben eine modifizierte Powernumber verwendet? Der Leistungseintragende ist einem Rührkessel ist der Rührer. In einem Schüttelkolben ist es die Kesselwand, die in Kontakt mit der rotierenden Flüssigkeit kommt. Würde man die „konventionelle“ Powernumber nutzen, könnte man verschiedene Füllhöhen nicht in Zusammenhang bringen, denn die Kontaktfläche der Flüssigkeit ist unterschiedlich und die Kontaktfläche (Kolbenwand) ist der Leistungseintragende.Verwendung der modifizierten Powernumber sorgt dafür, dass man die Powernumber in Abhängigkeit von Re setzen kann
• Erhöhen Stromstörer in Schüttelkolben den Leistungseintrag? Der Einsatz von 2 kleinen Stromstörern am Kolbenboden führt unter denangegebenen Bedingungen (300ml Kolbenvolumen, 10ml Füllvolumen, 2,5 cm Schütteldurchmesser) zu einem erhöhten Leistungseintrag. Drei Stromstörer an der Kolbenwandseite dagegen begünstigen das AußerPhase-Phänomenund führen zu einem niedrigeren Leistungseintrag als bei einem Kolben ohne Stromstörer.
• Vorteile von Stromstörern in Schüttelkolben •Höherer Massentransfer bei geringer Schüttelfrequenz •[Höherer hydrodynamischer Stress bei identischer Schüttelfrequenz]
• Wie verändert sich die Biomassekonzentration bei erhöhter Schüttelfrequenz? sinkt
• Wann kann eine Stammentwicklung von Vorteil sein? Wenn z.B. der Wildstamm filamentös wächst, nimmt die Viskosität über die Kultivierungszeit zu. Bei einer Stammentwicklung weist der Produktionsstamm eine deutlich niedrigeren Viskosität auf als der Wildtypstamm, da dieser einzellig wächst und keine Filamente mehr bildet, die zueiner deutlich höheren Viskosität führen. 
• Wie beeinflusst das Füllvolumen die Sauerstofftransferrate im Schüttelkolben? Die maximale Sauerstofftransferkapazität (OTRmax) hängt stark vom Füllvolumen(VL) im Schüttelkolben ab. Je größer das Füllvolumen, desto kleiner die maximaleSauerstofftransferkapazität. Dies liegt am geringeren OberflächenVolumenverhältnisbei größeren Füllvolumina.
• Die OTRmax in Schüttelkolben ohne Stromstörer:  ... bei zunehmender Schüttelgeschwindigkeit  ... bei abnehmendem Füllvolumen Steigt Steigt
• Ist ein Plastikkolben oder ein Glaskolben besser? Plastik ist ein nicht benetzendes Material, Glas dagegen ist hydrophil. Die Fläche, die entscheidend zum Massentransfer beiträgt, ist neben der Flüssigkeitsoberfläche auch die Oberfläche des Flüssigkeitsfilms. Der Flüssigkeitsfilm bei einem Glaskolben ist größer. Da diese benetzte Fläche für die OTR entscheidend ist, ist für den Sauerstofftransfer ein Glaskolben besser geeignet.
• Wie verhält sich der Leistungseintrag und der kla-Wert bei Vergrößerung des Kolbendurchmessers? Bei steigendem Kolbendurchmesser lässt sich zum einen beobachten, dass derLeistungseintrag steigt. Dies ist bedingt durch den längeren Weg, den die Flüssigkeit im Kolben durchden erhöhten Durchmesser zurücklegen muss. Dagegen fällt der kLa-Wert aber ab, er verhält sich antiproportional zumKolbendurchmesser. Dies lässt sich auf das kleinere Oberflächen-Volumen-Verhältnis im größerenKolben zurückzuführen.
• Welchen Einfluss haben Stromstörer im Kolben auf den OTR? In Kolben ohne Stromstörer ist die Abnahme der OTRmax mit Anstieg des Füllvolumens linear, in Kolben mit Stromstörern (oft Schikanekolben genannt)dagegen nicht- In Schikanekolben können zum Teil deutlich höhere OTRmax-Werte erreicht werden
• Beschreibe die Auswirkung von Schaum auf den Gas-Flüssigkeits-Massentransfer Der Schaum wirkt zunächst positiv auf den Sauerstofftransfer aus. • der Schaum befindet sich direkt auf der Massentransferfläche. Man würde erwarten, dass der Sauerstofftransfer dadurch sinkt, das Gegenteil ist jedoch der Fall:• Die Flüssigkeit im Schaum reichert sich an und wirkt sich auf denSauertstofftransfer aus Somit erhöht sich der Sauerstofftransfer in Schüttelkolben durch moderateSchaumbildung Ist allerdings zu viel Schaum da, so wird der Sauerstofftransfer inhibiert. Er kommt nicht mehr durch den Schaum. Allgemein ist die Sauerstofftransferrate bei Schaum sehr undefiniert.
• Nachteile von Stromstörern in Schüttelkolben •Stromstörer werden normalerweise mit der Hand hergestellt. Daher sind sie immer unterschiedlich groß und das führt zu signifikanten Unterschieden im Sauerstofftransfer. •Zu große Stromstörer können die Zirkulation der Flüssigkeit stören und das System gerät „außer Phase“ •Komplizierte und chaotische Strömungsregime können entstehen, was nicht mechanisch modelliert werden kann. Massentransfer kann nicht berechnet werden, wie in nichtstromgestörten Kolben, da sich Blasen und Tröpfchen bilden können •Das System reagiert sehr empfindlich auf oberflächenaktiven Stoffe; Schaum. Eine dünne Schaumschicht erhöht den Massentransferbereich. Eine dickte stagnierende Schaumschicht verhält sich wie eine zusätzliche Diffusionsbarriere •Wenn der Deckel durch Spritzen nass wird, kann der Gastransfer limitiert werden •Starkes Wachstum an der Wand durch Spritzen •Hitzeentfernung ist schwierig
• Wo liegen die Schwierigkeiten des Massentransfers in Schüttelkolben (mit Sterilbarriere)? Der Massentranfer des Sauerstoffs muss zusätzlich eine Sterilbarriere passieren Massentransfer:1.Durch den Wattestopfen2.Gas/Flüssigkeitsmassentransfer Man kennt zum Beispiel die genaue Sauerstoffkonzentration im Kolben nicht.
• Man möchte ein Experiment im Schüttelkolben durchführen, was viel Sauerstoff benötigt. Zur Auswahl hat man einen Schüttelkolben mit breitem Hals (Glas), einen Schüttelkolben mit breitem Hals (Plastik), einen Schüttelkolben mit engem Hals (Glas), einen Schüttelkolben mit engem Hals (Plastik) Aluminiumdeckel Wattestopfen Mit welchem Kolben und Deckel erwartest du die besten Ergebnisse und warum? Glaskolben sind allgemein besser als Plastikolben, da Glas benetzend ist und somit die Massentransferfläche größer ist. Es wird mehr Sauerstoff aufgenommen. Ein Kolben mit breitem Hals ist besser als mit einem engen Hals,da der Sauerstoffeintrag nur durch den Hals geschieht. Je breiter der Hals, desto mehr Sauerstoff kann in den Kolben diffundieren.Beim Verschließen mit Aluminium kann es leicht zu Verunreinigungen kommen, daher ist ein Wattestopfen besser. Bei einem Kolben mit Aluminiumkappe ist der gemessene Sauerstofftransferdeutlich besser als der berechnete Grund dafür ist ein konvektiver Fluss, der dazu führt, dass Luft unter derSterilkappe hindurch in den Kolben gelangt Sterilität ist dadurch fraglich
• Warum sollten Screening-Versuche immer unter sauerstoffunlimitierten Bedingungen erfolgen? Um keinen falschen Selektionsdruck auf die Mikroorgansimen auszuüben.

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