Diagramm Rühr Intensität über Begasusngs Intensität
Reaktortypen
Rührkessel
Bubble column
Blasensäule
Airlift reactor
Membranreaktor
Festbettreaktor
Wirbelschichtreaktor
Mögliche verfahrenstechnische (nicht biologische) Kriterien zur Rührerbeurteilung
• Volumenspezifischer Leistungseintrag
• (volumetrischer) Stoffübergangskoeffizient K(LA)
• Scherbeanspruchung
• Mischzeitkennzahl
→ Alle Kriterien können meist nicht gleichzeitig optimiert werden
Mischzeitkennzahl
(‚theta‘) Θ = n ⋅tm
n = Drehzahl
tm = Mischzeit
Wie ist die Drehzahl n bei gleichem volumetrischen Leistungseintrag (P/VL) in größeren Reaktoren
So größer Reaktordurchmesser DR deste langsamer muss man rühren
Herleitung n~Dr^(-2/3)
Wie ist die Reynoldszahl Re bei gleichem volumetrischen Leistungseintrag in größeren Reaktoren ?
2 nah übereinander angebrachte Rührer erzeugen nicht den doppelten Leistungseintrag von einem Rührer
Wo ist die größte Newtonzahl ?
ug = Gasleerrohrgeschwindigkeit formel
(definiert als die Geschwindigkeit, mit der das Gas durch den Behälter strömen würde, wenn keine flüssige Phase vorhanden wäre)
Wie verändert sich der Leistungseintrags bei zunehmender Begasung ?
→ Stärkere Abnahme des Leistungseintrags bei zunehmender Begasung mit steigender Rührerdrehzahl
Flooding
Fluten
Gas steigt durch Rührer auf ohne verteilt zu werden
Propfenströmung
Gas wird durch Rührer verteilt, jedoch noch keine Gasrückvermischung
Gasrückvermischung
Aufsteigende Gasblasen werden in die Rührerzone zurückgezogen
Gasansaugen
Gas wird von der Flüssigkeitsoberfläche in den Reaktor eingezogen
Gas/liquid flow regimes for aerated stirred tanks
Wie beeinflusst der Maßstab die Strömungsverhältnisse und damit die Begasung?
Bei gleicher spezifischer Begasungsrate und gleichem begasten volumetrischen Leistungseintrag ist das Strömungsbild in größeren Reaktoren eher am Flooding.
Flooding Hysterese
Der Übergang vom Zustand "loading" zu "flooding" hat den Charakter einer Hysterese.
→ bei der Herabsetzung der zugeführten Gasmenge Q verschwindet der Effekt "flooding" bei einem geringeren Gasverbrauch, als er angefangen hat
Fluten Beobachtungen
große Fermenter fluten leichter
Kleine Rührer fluten leichter
beim scale-up aufpassen
Fluten kann durch die Rührerwahl beeinflusst werden
Effects of gas recirculation
Reduzierung der Leistungsaufnahme
Erhöhung des Gas-Hold-Ups und des Gesamtfüllstands im belüfteten Reaktor
Verringerung des durchschnittlichen O2-Konzentrationsgradienten über die Reaktorhöhe (Sauerstofftransfer Gasblasen – Flüssigkeit)
Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Blasenverteilung und des Sauerstofftransfers (insbesondere unterhalb des Bodenrührers)
Verringerung der Leistungsaufnahmeunterschiede zwischen der untersten und der oberen Rührerstufe bei mehrstufigen Rührern
Koaleszenz
Coalescence is the merging of two bubbles (or drops) to one larger bubble (or drop) after contact.
Ist das Zusammenlagern
Wo treten im Reaktor die Energiedissipationsspitzen Emax auf ?
nicht an den Schneidekanten der Rührerblätter
an den Kollisionspunkten der Ablösewirbel
Mit der Anzahl der Rührerstufen pro Rührerwelle ________ der Leistungseintrag bei gleicher Drehzahl.
steigt
Die Breite der Strombrecher (degree of baffling) beeinflusst je nach Rührer- zu Kesseldurchmesser-Verhältnis die ______-Zahl.
Newton-Zahl
Der Abstand der Rührerstufen pro Rührerwelle zueinander und der Abstand der untersten Rührerstufe zum Boden beeinflusst ________________ und _________________.
Strömungsbild & Leistungseintrag
Ein typischer volumetrischer Leistungseintrag bei mikrobiellen Fermentationen liegt in der Größenordnung von ______ kW/m3 (Zahl gefragt).
1 kW/m3
Ein typische Begasungsrate bei mikrobiellen Fermentationen liegt in der Größenordnung von ______ vvm (Zahl gefragt).
1 (max 2) vvm bei kleinen Fermentern
0,25 vvm bei großem
Bei einem unbegasten gerührten Bioreaktor wird die Begasung angestellt. Hierdurch ________ der Leistungseintrag.
sinkt
Erklären Sie die Kernaussage des folgenden Diagramms in Bezug auf die Probenahme
Durch das Anhalten des Schüttlers zur Probenahme tritt eine Sauerstofflimitierung ein, welche das folgende Wachstum der beiden Schüttelkolben unterschiedlich beeinflusst.
Setzt in der Praxis zuerst die Blasenzirkulation unten oder oben ein?
Erst unten, dann oben
Treten die unterschiedlichen Strömungsmuster bei gleicher spezifischer Begasungsrate in größeren Reaktoren bei geringeren oder höheren Leistungseinträgen als in kleinen Reaktoren auf?
Bei höheren
Eine hohe Ionenstärke ___________ die Blasenkoaleszenz. Eine hohe Ionenstärke ___________ die Tropfenkoaleszenz.
verringert die Blasenkoaleszenz
erhöht die Tropfenkoaleszenz
Sie möchten für ein Fermentationssystem die Maßstabsabhängigkeit der Tropfenkoaleszenz untersuchen. Der maximale volumenspezifische Leistungseintrag (P/V)max führe zur gleichen konstanten Intensität der Tropfenzerschlagung in allen Maßstäben.
Beschreiben Sie Ihr Vorgehen in 3 Schritten und das Entscheidungskriterium dafür, ob Tropfenkoaleszenz beachtet werden muss.
Berechnung der Umlaufzeit im großen Reaktor.
Versuch im kleinen Reaktor: Zunächst Rühren bei den geplanten Betriebsbedingungen, d. h. (P/V)max. Messung des mittleren Tropfendurchmessers.
Reduzierung der Rührgeschwindigkeit, um die Umlaufzeit auf den gleichen Wert wie im großen Reaktor einzustellen.
Entscheidungskriterium: Nimmt der mittlere Tropfendurchmesser nicht zu, muss die Koaleszenz nicht berücksichtigt werden.
Nennen Sie eine positive und eine negative Auswirkung der hydromechanischen Belastung in einem Fermentationsprozess!
+ Größenbeschränkung der Pelletbildung, Verhinderung von schlecht versorgten Zentren in den Pellets
- Zerscherung von Mikroorganismen
Füllen Sie aus mit "hoch, gering, groß, klein" (bzw. hoher etc.):
Das System neigt dazu, in Phase zu sein,
bei ______ Schüttelfrequenz
_______ Viskosität
_______ Füllvolumen
_______ Schütteldurchmesser
________ Schüttelkolbendurchmesser
bei hoher Schüttelfrequenz
geringe Viskosität
hohem Füllvolumen
großem Schütteldurchmesser
kleinem Schüttelkolbendurchmesser
Worin besteht der wesentliche Nachteil eines hydrophoben Plastikkolbens gegenüber einem hydrophilen Glaskolben? Begründen Sie stichwortartig
Geringere OTR wegen fehlendem Flüssigkeitsfilm auf sichelüberstrichener Kolbenoberfläche
Nennen Sie 4 Substanzen, die dem eigentlichen Basismedium im typischen Fall zuzusetzen sind:
Serum oder Serumersatz
L-Glutamin
zusätzliche Wachstumsfaktoren
Antibiotika
Nach welcher Formel berechnen Sie die Verdopplungszeit einer exponentiell wachsenden Kultur?
X/X0 = e(µ*t)
→ 2 = e(µ*t)
→ ln 2 = µ*t
→ t = ln 2 / µ
Worin besteht der Unterschied zwischen der Mischzeit und der Zirkulationszeit?
Die Mischzeit ist die Zeit bis zum vollständigen Einmischen einer (erzeugten) Änderung
die Zirkulationszeit die Zeit für eine vom Rührer erzeugte Zirkulation im Reaktor („vom Rührer weg zum Rührer hin“)
Was beschreibt die äquivalente Klärfläche?
Sie beschreibt, wie groß die Oberfläche eines Absetzbeckens unter Einwirkung der Schwerkraft sein müsste, um der Wirkung des Separators zu entsprechen
muss enthalten sein, sonst je 1 P Abzug:
Oberfläche, Absetzbecken, Einwirkung Schwerkraft, Entsprechung Wirkung Separator
Was nimmt mit steigender Temperatur zu - die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser oder der volumetrische Sauerstofftransportkoeffizient (kLa bzw. ßa), beides oder keins von beiden?
der volumetrische Sauerstofftransportkoeffizient
(kLa bzw. ßa)
Wodurch ist die Reaktionskinetik im fed-batch limitiert?
-> rel. Reaktionsrate durch Substratkonzentration limitiert
-> rel. Reaktionsrate durch Austauschfläche zwischen den beiden Flüssigphasen limitiert
Sauterdurchmesser
Kenngröße einer Partikelgrößenverteilung.
Würde das gesamte Volumen der Partikel (z.B. Tropfen) in gleichgroße Kugeln umgeformt werden, deren gesamte Oberfläche gleich der gesamten Oberfläche der Partikel ist, dann hätten diese Kugeln den Sauterdurchmesser als Durchmesser.
Möglichkeiten zur Bestimmung hydromechanischer Schäden an Mikroorganismen
Mit dem Auge unter dem Mikroskop (qualitativ)
Mithilfe von mikroskopischen Aufnahmen, Bildverarbeitungssystemen und statistischen Methoden
Durch Bestimmung der freigesetzten Nukleotide durch Auswertung der Extinktion des Überstands bei 260 nm
Durch Bestimmung des Proteingehalts im Überstand
Durch Bestimmung der Aktivität intrazellulärer Enzyme
Durch Ausplattieren und Bestimmung der koloniebildenden Einheiten
Durch Bestimmung der Respirationsrate in einer Sauerstoffmesszelle
-> Es können jedoch auch Veränderungen auftreten, die mit den genannten Methoden nicht nachweisbar sind. In diesen Fällen müssen Kultivierungen durchgeführt werden.
Verfahrenstechnische Parameter mit Einfluss auf die hydromechanische Beanspruchung
Bei konstanter spezifischer Leistungsaufnahme P/V steigt die hydromechanische Beanspruchung, wenn
das Verhältnis von Rührer zu Behälterdurchmesser (d/DR)
die Anzahl der Rührblätter (nbl)
das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des Rührers (h/d)
der Winkel der Rührblätter (α)
die Anzahl und der Grad der Strömungsstörer (DB)
abnehmen.
Formel aus Fläche A zu Durchmesser d
Powernumber / Newtonnumber
Po = P / (p n3 d5)
Reynoldszahl
Re = (n d2 p) / η
Gründe für Bioprozesse mit zusätzlicher organischer Flüssigphase
Höhere Alkane als mikrobielle Kohlenstoffquelle
Pflanzenöle als mikrobielle Kohlenstoffquelle
Mikrobielle oder enzymatische Biotransformationen mit wasserunlöslichen organischen Edukten
Fermentationen mit In-situ-Produktextraktion
Beispiele für Ersatzsysteme zur Bestimmung der Scherbeanspruchung
Artificial clay mineral/polymer flocs
Silicone oil/water/surfactant
PenG-Acylase on OC1050
Formel OTR bzw. kLa
Definition kLa
Erklären sie inwiefern das Substrat Sauerstoff bei aeroben biologischen Prozessen problematisch ist.
sehr geringe Sauerstofflöslichkeit
vergleichsweise hoher Sauerstoffbedarf
Skizzoere den Weg des 02 von Gasblase zum Mikroorganismus.
Welcher ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ?
Wie ist die Sauerstofftransferrate (OTR = Oxygen Transfer Rate) definiert (Text + Formel)?
Was ist die Voraussetzung für Sauerstofftransfer?
Die OTR ist die Menge an Sauerstoff [gebräuchlich: mol, g], welche
pro Volumen Flüssigkeit [gebräuchlich: L] und
pro Zeit [gebräuchlich: h]
von der Gasphase in die flüssige Phase gelangt.
OTR = kLa * (c(o2*) - c(o2,L))
Ein Sauerstofftransfer kann nur dann beobachtet werden, wenn zwischen Gasphase und flüssiger Phase kein Sauerstoffgleichgewicht herrscht.
Beide Integrale sind gleich groß
RQ respiratio quotient by steady state gas balance
RQ = CTR / OTR
OTR
Begasung Formel
V L Formel
Pi/4 Dr^2 HL
tm = Zeit bis zum Einmischen einer Änderung (zB Farbumschlag)
Welchen Vorteil hat ein Massendurchflussmesser gegenüber allen weiteren im Versuch verwendeten Durchfluss- bzw. Volumenmessern?
misst direkt die Masse pro Zeiteinheit und ist dadurch unabhängig von Druck-, Temperatur- und Dichteschwankungen. Er liefert präzisere Werte für Stoffbilanzen, ohne dass Volumenströme erst umgerechnet werden müssen.
Skizzieren Sie qualitativ die Kennlinie für eine zwangsfördernde Pumpe und die Kennlinie für eine nicht zwangsfördernde Pumpe (2 P).
Beschriften Sie, welche Kennlinie welche ist. Beschriften Sie die Achsen jeweils mit der zugehörigen Größe (2 P)
Bei der Bestimmung der Parameter zur Anpassung eines PID-Regelkreises nach Ziegler und Nichols wird folgender x-t-Schrieb erhalten:
Welches Verhalten des Regelkreises wurde hier untersucht?
Das Stabilitätsverhalten des Regelkreises im Grenzfall der Stabilität (kritische Schwingung) wurde untersucht.
Ab welcher Re-Zahl ist im Allgemeinen der turbulente Bereich in einem Rührkessel erreicht?
Im Rührkessel gilt allgemein:
laminar: Re<10
Übergangsbereich: 10<Re<10^4
turbulent: 10^4
👉 Also: Ab einer Reynoldszahl von ca. 10^4 ist der turbulente Bereich erreicht.
Durch welche Maßnahmen lässt sich der volumetrische Stofftransportkoeffizient kLa von Sauerstoff in Wasser verbessern?
Erhöhung der Rührerdrehzahl → bessere Durchmischung, kleinere Gasblasen, größere Grenzfläche.
Höhere Begasungsrate → mehr Gasblasen im System.
Einsatz von feineren Gasverteilern (Sparger) → kleinere Blasengröße, größere Oberfläche.
Erhöhung des Systemdrucks → höhere Sauerstofflöslichkeit.
Reduktion der Viskosität des Mediums (z. B. durch Temperatur oder Verdünnung) → schnellere Blasenbewegung und Stoffübergang.
Verwendung geeigneter Rührertypen (z. B. Rushton-Turbinen) zur Blasendispersion.
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