Was ist die Michealis Menten Konstante?
- Beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit enzymatischer Reaktion in Abhängigkeit von der Substratkonzentration
- In vielen Fällen starke Abweichung in der Praxis, vor allem bei sehr niedrigen und sehr hohen Konzentrationen
- Wachstumsrate hängt von vielen Parametern ab:
o pH-Wert
o Temperatur
o Konzentration anderer Substrate
Was sind die grundsätzlichen Annahmen der Michaelis Menten Konstante?
- Grundlegende Annahme → Umwandlung eines Substrates in ein Produkt mit einem Enzym über die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes
- Substratkonzentration ist sehr viel höher als die Enzymkonzentration → es liegen dementsprechend keine freien Enzyme vor, sondern alle Enzymmoleküle sind in einem Enzym-Substrat-Komplex gebunden
- Keine Rückreaktion findet statt
Was ist die Wachstumsrate und wie wird diese limitiert?
- Konzept in der Biologie, um das Wachstum von Populationen oder Organismen zu beschreiben
- Hängt von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel Geburten- oder Sterberate sowie der Konkurrenz um Ressourcen
- Produktbildungsrate wird maximal, wenn alle Enzyme im Enzym-Substrat-Komplex vorliegen
- Beschreibung der Wachstumsgeschwindigkeit von Mikroorganismen unter der Annahme, dass nur ein Enzym die Wachstumsgeschwindigkeit bestimmt
- Dabei wird KM durch die Limitierungskonstante Ks ersetzt
o Ks gibt an, in welchem Bereich der Substratkonzentration gearbeitet werden kann
- µmax und Ks müssen für jeden Organismustyp experimentell bestimmt werden
Was ist die Geschwindigkeitskonstante?
- In CRT gibt diese die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion in Abhängigkeit von der Konzentration der Reaktanten an
- K ist dafür ein Maß, wie schnell die Reaktanten miteinander reagieren
Was haben die Michaelis Menten Konstante, die Wachstumsrate und die Geschwindigkeitskonstante gemeinsam?
- Mathematische Formeln sind ähnlich
- Mathematische Modelle, die die Geschwindigkeit von Prozessen in Abhängigkeit von bestimmten Parametern beschreibt
Wie wird die Anzahl der Zellen bestimmt?
Was sind Bioreaktoren?
- Apparat in dem Stoffumwandlungen mit Enzymen, Mikroorganismen oder Zellen stattfinden
Was sind die Aufgaben eines Bioreaktors?
Homogenisieren (Temperatur, pH-Wert, Substrat)
Suspendieren (Zellen, Substrat, Trägermaterialien)
Dispergieren (Gasphase, Öle, wässrige Phase mit Biokatalysator)
Energie (durch Rührorgan) - und Stoffaustausch
Gewährleistung der Sterilität
Was sind die Anforderungen einens Bioreaktors?
o Homogene Verteilung aller Reaktanden ohne mechanische Schädigung der Mikroorganismen
o Temperierung
o Hohe Sauerstoffübertragung (hohe Grenzflächen)
o Sicherstellung einer sterilen Prozessführung
o Vermeidung von Schaumbildung
o Scale-up bzw. Scale-down Fähigkeit
o Verhinderung von Fouling
o Eignung zur Durchmischung viskoser Medien
o Hohe Flexibilität für die Realisierung verschiedener Prozessführungen
Welche Phasen gibt es im Fermentationsprozess?
Drei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten bei der Prozessführung:
1) Kontinuierlich (Chemostat)
o Relativ selten
o Turbidostat (wenn Trübungsmessungen zur Regelung herangezogen)
2) Semikontinuierlich (Fed-batch (Zulaufverfahren), Produkt-Entnahme)
o Übliche Prozessführung
o Fed-batch: Substratzugabe
o Produktentnahme z.B. Über Membrane (auch inhibierende Substanzen)
3) Diskontinuierlich (Chargen- / Batch-Prozess)
o Relativ selten, meist müssen Nährstoffe zugegeben werden
o Zugabe von Sauerstoff und Lauge / Säure häufig notwendig
1. Lagphase
o Nach dem Animpfen
o Entspricht einer Totzeit in RT
o Stoffwechsel stellt sich um
o Mikroorganismen gewöhnen sich an die an die neuen Umweltbedingungen
2. Exponentielle Phase
o Optimale Bedingungen für das Wachstum der Mikroorganismen
o Relative Wachstumsrate ist maximal
o Organismus hat sich optimal auf seine Umweltbedingungen eingestellt (Temperatur, pH-Wert, Nährstoffe)
3. Übergangsphase
o Wachstum wird gebremst
o Maximales Wachstum ist nicht mehr möglich
o Gründe z.B. Substratlimitierung (z.B. Sauerstoff) oder Produktinhibierung, -hemmung
o Substratlimitierung ist technisch ein Problem des Stofftransports
4. Stationäre Phase
o Dichte der Biomasse ändert sich nicht
o Wachstums- und Sterberate stehen im GGW
5. Absterbephase
o Sterberate überwiegt gegenüber der Entstehung neuer Zellen
Drei verschiedene Betriebszustände werden beobachtet:
1. Homogene Blasenströmung
o Niedriger Gasvolumenstrom
o Gasblasen kugelförmig, annähernd gleich groß
o Nahezu einheitliche Blasenaufstiegsgeschwindigkeit
2. Heterogene Blasenströmung
o Zunehmende Aggregation von Blasen
o Große Gasblasen im inneren steigen sehr viel schneller auf
o Mittlere VWZ der Gasblasen in der Blasensäule verringert sich stark
o Umsetzgeschwindigkeiten fast immer geringer als bei homogener Blasenströmung
3. Gaskolbenströmung
o Gasblasen treten über den gesamten Querschnitt auf
o Muss unbedingt vermieden werden
Wovon hängt die Lage der Übergangsbereiche ab?
1. Koaleszenzeigenschaften des Mediums
2. Art der Gasverteilung
- Ist eine vereinfachte Theorie, um den Stoffübergang zwischen zwei Phasen zu beschreiben
- Annahmen:
o An der Phasengrenzfläche befindet sich beidseitig eine laminare Grenzschicht
o Außerhalb der Grenzschicht sehr schneller Stofftransport aufgrund von Turbulenz
o An der Phasengrenzfläche liegt ein GGW vor
o In der laminaren Grenzschicht findet ausschließlich Diffusion statt
- Solange Xi und Yi im GGW sind, findet kein Stoffdurchgang statt
- Konzentrationsverlauf, wenn vollständiges GGW erreicht wäre:
- Im GGW sind die Konzentrationen an der Phasengrenzfläche wegen dem Henryschen Gesetz auf der Flüssigkeitsseite und auf der Gasseite unterschiedlich
- Treibende Konzentrationsdifferenz:
- Netto-Stofftransport (Konzentrationsausgleich) findet also nur statt wenn gilt:
- volumenbezogener Stoffübergangskoeffizient beschreibt die Effizienz des Stoffaustausches zwischen einer Gasphase und einer Flüssigkeitsphase
- dafür dient als Grundlage die Zwei-Film-Theorie
- kLA-Wert spielt eine große Bedeutung, um eine Aussage über die Effizienz des Belüftungssystems
Beispiel: Sauerstoff im Fermenter:
Was hat der kLA-Wert mit der Zweifilmtheorie zu tun? Was ist die Henry-Konstante?
Wie läuft die Dynamische Methode ab?
- Bei der dynamischen Methode zur Bestimmung des kLa-Wertes wird während der stationären Phase kurzzeitig die Sauerstoffzufuhr gestoppt
- erste Phase: Sauerstoffkonzentration konstant bleibt und über die ganze Phase keine zeitliche Veränderung auftritt
- Wenn in Phase 2 der Sättigungswert von 40% erreicht oder unterschritten wird, wird die Sauerstoffzufuhr wieder eingeschaltet und von diesem Moment an beginnt Phase 3. Es ist darauf zu achten, dass der Sättigungswert nicht zu weit absinkt, da die Mikroorganismen auf Grund des Sauerstoffmangels sonst sehr gestresst werden und ein chaotischer Zustand eintritt. Nach dem Einschalten steigt der O2-Gehalt wieder auf einen konstanten Wert. Dies geschieht allerdings nicht linear wie in der obigen Abbildung zu erkennen ist. Um den Verlauf linear beschreiben zu können, gibt es zwei verschiedene Methoden.
Bei Methode 1, wird die Sauerstoffkonzentrationsänderung über die Konzentrationsdifferenz aufgetragen. Somit kann mit Hilfe einer Trendlinie im linearen Bereich gearbeitet werden.
Bei Methode 2 dagegen, wird die Gelöstsauerstoff-Konzentration über der Änderungsrate und dem Verbrauch Mikroorganismen aufgetragen.
Wofür wird Messtechnik in der Biologischen Verfahrenstechnik genutzt?
Können in vier Gruppen unterteilt werden:
1. Zustandsgrößen (Messgrößen)
2. Gütegrößen (Optimierungsgrößen = Ausgangsgrößen, meist nicht direkt messbar, aber berechenbar)
- Prozessgrößen, die von außen vorgegeben werden können
- Können unabhängig vom Prozess eingestellt werden
- Massenströme, Dosierströme, Drehzahl etc.
- Mit ihnen kann der Prozess manipuliert werden
- Meist in einen Regelkreis integriert
Was sind Charakterisierungsgrößen (Parameter)?
- Beschreiben Korrelation der Prozessgrößen
- Liefern keine neuen Informationen, erleichtern aber die Prozessanalyse
- z.B. kLa-Wert, dimensionale Kennzahlen
- Messsysteme bestehen aus folgenden Elementen:
o Sensor zur Erfassung der Messgröße
o Verstärkung
o Umwandlung in ein elektrisches Signal
Wie können Messsysteme unterschieden werden?
- Unterscheidung nach Ort der Messung:
o in situ-Sensoren
müssen sterilisierbar sein
Foulingeffekte können Ansprechzeiten und Sensitivität verändern
- ex situ-Sensoren
im Probenstrom außerhalb des Reaktors lokalisiert
Probennahme aus dem Reaktor erfolgt über Filtration-
- Nachteile:
Zusätzliche Verzögerung des Sensorsignals
Gewährleistung einer repräsentativen Probenahme
- Vorteile:
Sensor kann problemlos ausgetauscht
Wie können die einzelnen Sensorsysteme unterteilt werden (ex-situ)?
- Temperatur
- Drehzahl
- Druck
- Durchfluss Luftzufuhr
- pH-Wert
- Gelöstsauerstoffmessung
- Sauerstoffkonzentration Abgas
- Kohlenstoffdioxidkonzentration Abgas
Was ist die Definition von Downstreaming Processing?
1. Abtrennung der Zellen aus der Kulturbrühe
2. Zellaufschluss
3. Abtrennung der unlöslichen Zelltrümmer
4. Produktanreicherung
5. Feinreinigung
6. Konzentrierung
- Zusätzlich: Möglichst Rückgewinnung von Nährstoffen und Nebenprodukten
Übersicht über die Verfahren zum Zellaufschluss (physikalisch, chemisch, biologisch):
Wie werden Produkte angereichertt (Produktanreicherung)?
Was ist Präzipitation (Fällung)?
Wleche Kriterien gibt es zur Auswahl eines Fällungsmittels?
- Kosten
- Möglichkeiten zur Rückgewinnung (Recycling)
- Leichte Handhabbarkeit (z.B. organische Lösungsmittel erfordern besondere Verkehrungen)
- Zulassung für das Produkt (Lebensmittel, Pharmazeutika)
- Produktstabilität (Denaturierung durch Fällungsmittel)
- Eignung für einen kontinuierlichen Prozess
- Auswirkungen auf nachfolgende Aufbereitungsschritte
Welche Methoden gibt es zur Proteinfällung?
Änderung der Eigenschaft des Lösungsmittels (Solvent)
Änderung der Proteineigenschaft (Ausfällung am isoelektrischen Punkt)
Affinitätspräzipitation
Wie wird die Eigenschaft des Lösungsmittels geändert (Solvent)?
Wie werden die Proteineigenschaften geändert (Ausfällung am isoelektrischen Punkt)?
Was ist die Affinitätspräzipitation?
Was ist Sterilisation?
Was ist Kontamination=
Welche Methoden gibt es zur sterilen Arbeit?
Welche Sterilitätsbereiche gibt es bei einer Fermentation?
Was ist die Sterilisation durch Autoklavieren?
Wie werden Bioreaktoren sterilisiert?
Welche Maßnahmen gibt es für die leichte Reinigbarkeit?
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