Biotechnologie

Ähnlichkeitstheorie: physikalische Effekte im Labormaßstab auf den großen Maßstab in ähnlichen Zuständen zu übertragen — physikalischer Effekt soll im kleinen wie im großen Maßstab gleiche Bedeutung besitzen

— solche Effekte Strömung, Stofftransport (Folie)…

Ähnlichkeitstheorie stützt sich auf dimensionslose Kennzahlen

Wärmeübergangskoeffizient alpha

D charakteristische Länge

Wärmeleitfähigkeit

Kinematische viskosität

a Temperaturleitfähigkeit

W Strömungsgeschwindigkeit

D charakteristische Länge

v kinematische Viskosität

• beta = Stoffübergangskoeffizient

• d oder auch L= charakteristische Länge

• D = Diffusionskoeffizient.

• D = Diffusionskoeffizient

• v = kinematische Viskosität

Sc = n/ (p*D)

• eta (n) = dynamische Viskosität

• roh (p) = Dichte

• d oder L = charakteristische Länge

• w oder v = Geschwindigkeit

• D = Diffusionskoeffizient

Pe = Re*Sc

• D = Diffusionskoeffizient

• t = Zeit

• X = Richtung?

Ficksche Gesetze, das 1. Ficksche Gesetz besagt, daß sich ein in einem Gas oder in einer Flüssigkeit vorhandener diffundierender Stoff (Diffusion) aus Bereichen höherer Konzentration in solche mit geringerer ausbreitet (Dispersion). Diese Ausbreitung ist proportional dem räumlichen Gradienten der Stoffkonzentration. Die Proportionalitätskonstante ist der Diffusionskoeffizient in der Einheit Fläche pro Zeit. Die Beziehung zwischen der Konzentration c eines diffundierenden Stoffes und seiner Verlagerung mit der Zeit t in eine Richtung x wird durch das 2. Ficksche Gesetz dargestellt:

∂c/∂t = D·∂c2/∂x2.

Dabei steht D für den Diffusionskoeffizienten des Materials. Dieses Beziehung wird auch einfach als Ficksches Gesetz oder Diffusionsgleichung bezeichnet.

• a = Temperaturleitfähigkeit

• D = Diffusionskoeffizient

Bei der Wärme- und Stoffübertragung stellt sie das Verhältnis von Wärmeleitung zu Diffusion dar, ausgedrückt als Quotient aus Temperaturleitfähigkeit und Diffusionskoeffizient.

Die Lewis-Zahl setzt die Dicke der thermischen Grenzschicht ins Verhältnis zur Konzentrationsgrenzschicht[4]. Gemäß obiger Gleichung lässt sich die Temperaturleitfähigkeit aus der Wärmeleitfähigkeit �, der isobaren spezifischen Wärmekapazität �p und der Dichte � des Fluids berechnen.

Durch Erweitern mit der dynamischen Viskosität � lässt sich die Lewis-Zahl auch als Quotient von Schmidt-Zahl �� und Prandtl-Zahl �� darstellen:

• Masse kann nicht entstehen/ verschwinden =0

• Änderung Impuls über Systemgrenzen, Gravitaton, Druck

• Konvektion, thermische Energie, Arbeit zB Druck

• lokale Konzentrationsänderung mit Zeit, über Systemgrenzen, Umwandlung von einer Spezies in andere

Größe/ Bezugsgröße (zB charakteristische Länge)

Fehler drin mit rho - muss rho null sein

das Umkreiste ist links 1/Reynolds

l kleine Abstönde/System und L große - vl/vL = L/l

Bei Fr vl = Wurzel (vL^2*l)/L

Ergebnisse widersprechen sich — keine vollständige Ähnlichkeite — muss in Realität abschätzen, was bedeutsamer ist

keine Wärme/ Konzentrationsdifferenzen betrachtet — ausschließlich Diffusion bei 1 und 3

4: haupstsächlich Konvektion - überwiegen diffusiven Effekte deutlich

2, 6 Stoffübergangskoeffizienten betrachten

Zweifilmtheorie

Penetrationsmodell

Theorie der Oberflächenerneuerung

Teilchen aus Wand herausgerissen und wieder erneuert

horizontaler Strich c konstant, im Gleichgewicht

Sprung entnimmt man Henry Gesetz - Modellannahme

cgi cli nicht bekannt

cl Konz in Bulkphase der Flüssigkeitsphase

Gesamtstofftransportkoeffizient Kl

verschiedene Parameter gegeneinander abschätzen

Gleichgewichtkonzentration cl*

Konzentration in der Flüssigphase cl

qo2 ortsabhängig: Temp, gelöste Stoffe, … kann sehr inhomogen sein

OTR: Volumengemittel, gesamte lokale o2 Stromverteilung integriert über Volumen geteilt durch Gesamtvolumen

Mit CO2 komplexer

wird gebildet / gebraucht / verschiedene Protonierungsformen (Algen Vorlieben für bestimmte Formen)

in VT in silico

Masse Impuls Energie

Anfangs und Endzustand - Entlang Prozess Randbedingungen die vorgegeben sind

will gleiches Endprodukt

wie korrigierend eingreifen

Theorie: Mathematik

Experiment und Therie enger Austausch

— Prozesse beherrschbar machen

biotische Größen bei biologischen Material - Funktionen mit integrieren

• nicht lineare Prozesse (zB Wachstumskinetiken, Stressreaktionen)

• teilweise irreversibel (Zelle geschädigt, kaputt)

• zeitlich abhängige Prozesse (mehr Zellen)

• starke zeitliche Abhängigkeiten

• und räumliche Abhängigkeiten, von einzelnem Molekül bis Längenscalen (in m)

• Wenn dann beziehung - kausale Zusammenhänge

Mit keiner Methode Zeit und Längenscalen abdecken, dementsprechend wählen

breite Fächerung der Scalen

ANN künstlich neuronale Netze

rein zeitliche

rein räumliche

oder räumlich und zeitliche Abhängigkeit

Kinetik setzt räumliche homogenität Voraus: Unreal, wird immer heterogen sein

Inaktivierung durch Hochdruck

Beschreibung einer Kinetik von einer Gesamtheit von MOs als Mittellung über die verschiedenen Populationen

Gleichung Konzentration bzw Zellzahl über Zeit

Abhängig von Zeit und höheren Ableitungen der Konz selbst

Inaktivierung in Hochdruck eines Enzyms

Inaktivierungskonstanten: Druck und Temp Kombinationen - versch Kombis gleiche inaktivierende Wirkung

Rein Zeit: Änderung Aktivität über der Zeit

n = Reaktionsordnung

Inhomogener Prozess: verschiedene kinetische Prozesse an verschiedenen Orten werden abgedeckt

typisch Wärmetauscher

geht von stationären vorgängen in Wärmetauschern aus, stationärer Betrieb

Gegenstrom, Gleichstrom Temperaturverläufe

partielle Differenzialgleichungen für die räumlichen Abhängigkeiten

Kontinuität, Moment, Energie, Transport

Gleichungen miteinander gekoppelt -Schwierigkeit

—> starke Vereinfachung/ numerische Lösung

Inhomogenes Erwärmen/ Absenken Temp

— verschieden stark inaktiviert

Sicherheit, Qualität Produkt beeinträchtigt

versch Enzyme reagieren unterschiedlich, innerhalb Reaktor unterschiedliche Reaktion —>Restaktivität

Tempverteilung mit Hilfe der partiellen Differenzialgleichungen in Abhängigkeit der Zeit an verschiedenen Orten bestimmt

Druckaufbau 1, Druckabbau 5 — erzwungene Konvektion

Temperhöhung/ Erniedrigung aufgrund adiabater Effekte berücksichtigt

restlicher Teil Prozess: entwickelt sich freie Konvektion aufgrund Tempunterschiede

Klingt wieder ab wenn treibende Kraft (Tempunterschiede) wieder ausgeglichen

Zeitlich und räumlich verschiedene Inhomogenitäten - nur mit Hilfe partieller Differenzialgleichungen auflösen könne — um zusammen mit Kinetiken lokal auszuwerten

Hochspannungimpulse kurze Dauer

räumliche entlang Kammer Temperaturverteilung entsteht (drastischer Temp Anstieg, linkes Diagramm)

Ohmsches Erhitzen unter Kontrolle halten, Prozessoptimierung

• Verweilzeitverteilungen

• Temp max: Stress des Produktes so

• Elektrische Felder: quantifizieren - Effektivität des Prozesses

—> Wikrung auf Enzyme/ MOs lokal quantifizieren

Viele Zusammenhänge die sich gleichungsbasierter Modellierung entziehen, schwer zu beschreiben

Prozessierung extrem schwierig, Aufwand Ressourcen

Wissen hauptsächlich linguistische Beschreibungen

messbare Größen beschränkt

Vermeidung Störungen im Prozess

Rohstoffmaterial, Energie…. für optimaler Prozess

minimaler Ressourcenbedarf — optimales Produkt

Walzentrockner in Bahnen getrocknet

verschiedene Fuzzy Parameter zuweisen

Verschlechterung, gleichbleibend und Verbesserung unterscheiden

Eingangsgrüßen: Luftfeuchtigkeit, Temperaturen der Trocknungszonen, Geschwindigkeit Fließbänder und Luft

Eingangsgrüßen: Produktdicke, -feuchtigkeit

Zwischenvariablen beschreiben Zustände des Produktes und während Trocknung

Daraus Bedingungen abgeleitet, um daraus Interventionen ableiten

Nach Defuzzifizierung:

In PID regler leiten/ Fliesßbandgeschwindigkeit oder Luftfeuchtigkeit verändern

Höhere Produktdicke trotzdem noch gleiche Feuchte

braucht mehr Zeit zum Trocknen

Vorhersage schwierig aufgrund von Formeln zu treffen

— Sensorikpanel für sensorische Eigenschaften

Hyprid - Beste aus jeder Methode

experimentell (physikalisch), mathematische numerisch, experimentell sensorische

kombiniert mit künstlich neuronalen Netzen/ Fuzzy logic

— objektive Vorhersage LMEigenschaften

Bsp.: Greisigkeit Joghurt mit Kombination gut vorhersagbar

Hybride: synergistische Kombination der Methoden

Gleichungs/ Cognitiv/ Anderes basiert

Bsp Numero-Fuzzy in Bezug auf Fouling

Vorheits, Halte, Abkühlzonen

Kann diese Verändern, muss aber Regularien für Sicherheit einhalten

Mathematische Gleichungen: Strömung, Temperaturfelder, Wärmeübergang, Einfluss Foulding auf Temp, Strömung und Wärmeübergang

Aus Praxis: Wie Fouling während Prozesszeit/ Wie verändert/ Wie verhält sich Fouling innerhalb Anlage

Kombi chemische und physikalische Prozesse

Mit Kombi durchrechnen, was Veränderung Prozess möglich, wie Standzeit verlängern

20% längere Standzeit durch Optimierung

Wärmekoeffizient mit dazu - Verlängerung Standzeit um 25%

MO Inaktivierung zeitlich und räumlich

Numerisch/ Kinetik of nur zeitlich abhängig

Experimente— Modelle Kinetik für Durck/Tempbedingungen

Thermofluiddynamische Experimente räumliche Vorhersage: Materialeig, Strömung, Temp

— Stützen numerische Simulationen — lokal Kinetiken anwenden

Inaktivierung MOs lokal aufintegrieren

Tempfeld mit Geschwindigkeitsfeld überlagert — lokale Vorhersage

modellierte und gemessene Daten stimmen sehr gut überein

Prozessmodellierung: In Prozess oder davor (zB Behälter) für optimierten Prozess/design

Fementation Bier: Hefe versch. WW

phsyikalisch, biolog, chemisch, mikrobilog

Konvektion kann Reaktor komplett umwälzen

verschiedene Druckschwankungen

chemisch CO2, Alkohol

Zell-Zellverbände, Sprossung, Kollisionen

—Einfluss auf Endprodukt, zB. im Aroma detektierbar

Schlimmster Fall: Hefe Autolysiert, starker Fehlgeschmack

Wärmetransport und Stofftransport in Behälter, strömungsbedingter Transport interessant

! Muss bei adaptiver (an Prozessbedingungen angepasste) Prozessgestaltung berücksichtig werden

— im gleichbleibende Produktqualität und verschiedene Optimierung-Kriterien erfüllen (Tankbelegung…)

! Bubbles auf Folie

Wachstum Hefe beschreiben:

adabtive Eigenschaften Hefe (fakultativ anaerob) passt sich an

Atmung: oxidativ

Gärung: fermentativ ohne Sauerstoff

Gleichung: Zellbestandteile im Zellinneren Hefe berücksichtigt

Ein- und Ausgangsgrößen: Ethanol nur im fermentativen Wachstum gebildet

Monod-Modell erst Anpassungsphase (lag), log, stat, Absterbephase - Fomel

Versch. Reaktionsraten mit und ohne Sauerstoff, Abhängigkeiten von Substrat, N-Quellen, weiter Parameter

versch. Konstanten gehen in Gleichung ein (stöchiometrische Vorfaktoren)

Reaktionsrate gleichbedeutend mit der Abnahme an Substrat, Sauerstoff, Stickstoffquelle, Zunahme Hefebiomasse und Co2 bzw. Ethanol im fermentativen Stoffwechsel

Kurven stellen das dar

— Prozess optimiere, auslegen, regeln, steuern

eine Größe stellvertretend für alle messen und auf Stoffwechsel rückschließen (oxidativ/ fermentativ) da Kurven charakteristisch

Online messbare Größen zB Gase (CO2)/ Zellzahlen

schwierig online zu messen: Ethanol und Glukose

Impuls - Energie - Stoff (Wechselwirkungen)

Belebtschlamm unstrukturiert, Flaum

Granulierter Belebtschlamm Flocken von einander abgrenzbar

sphärisch, setzten sich sehr gut ab — gute Abtrennung von frischem Wasser, durch hohe Dichte der Flocken, 5mm Durchmesser

Vorteil: aus mikrobiellem Ursprung, lagert sich nur zusammen bei minimum an mechanischer Belastung (dadurch Enstehen angetriggert, wenn zu hoch werden Flocken zerstrört), muss Optimum finden

Zu Beginn frei schwärmende MOs, treffen auf Partikel (Abwasserreinigung/ erste Aggregate)

Prä-Flocken, wachsen weiter — Zellen abgesondert, neue Flocken bilden

Reife Flocke verschiedene Bereiche: Kernzone tot (nicht lebendige Biomasse Abwasser oder abgestorbene Biomasse MOs kein Zugang mehr zu Nährstoffen)

Äußere Bereich weich, lebendige Zellen, Funktion Belebtschlamm

1. Physikalische Bewegung, Zell-Zell Kontakt, physikalische Kräfte transportieren und halten Zellen zusammen (hydrodynamisch, Gravitation, Zellmobilität), verhaken Oberfläche geometrisch sterische Abhängigkeit

2. - physikalische , - chemische (Ionenbindungen, Interpartikuläre Brückenbindungen) , -Biochemische Kräfte (Zellmembranfusion, Zelloberflächendehydratation)

3. Mikrobiologische Kräfte verstärken initiale Attraktion der MOs, EPS Cluster Zell-Zell-Interaktion

4. Stationäre 3D-Strukturen in Form mikrobieller Biofilme/ Aggregate, hydrod

• Umgebungsgeschwindigkeit: Leerrohrgeschwindigkeit (Geschwindigkeit zB aufgrund Begasung um Granula erzeugt wird)

  verschiedene Begasungsraten direkt korreliert mir Leerrohrgeschwindigkeit also Geschw. in Medium

• Substrattyp und Konzentration der enthaltenen Nährstoffkomponenten (zB hohe c Kohlenhydrate filamentöse Strukturen, Acetat Granula)

• Extrapolyimere Substanzen (MOs nach außen schützen)

• Bioreaktor Design/ Konfiguration, Einbauten, Begasung

• Mechanische Kräfte auf MOs ableitbar, Zell-Zell/ Zell-Reaktor/ hydrodynamische Kräfte.

  Kräfte zw Fluid Partikel, Parikel Wand, externe Kräfte

meist optisch basiert

Während Betrieb: in situ

Multiphasig: Gas, Flüssig, Feststoff(Granula)

Multiscalig: Mikroskopisch MOs, Makroskopisch gesamter Reaktor

Beides ausgewertet

Modellreaktor: Abwasser gefüllt, bei ausgeschalteter Begasung abgesetzte Flocken, temperierter und optisch zugänglicher Behälter, Zu-/Abfluss

Reaktor als Batch Betrieb, sequentiell (SBR)

Bioflocken vorgelegt, darauf Abwasser, Begasung an, mehrere Stunden, Ausschalten Begasung, Absetzen Flocken, Wasser oben biologisch gereinigt, Sauberes Wasser abziehen

MOs brauchen Ruhephase (Zellteilung, evtl. mechanische Schäden)

Vorteile SBR:

Alles in einem Reaktor durchgeführt, konventionell verschiedene Becken — einfaches Reaktordesign, wenig Platzbedarf, Absetzeigenschaften Flocken ausnutzen (kein zusätzlicher Tank)

andere Methode LDA

PIV Particle Image Velocimetry (Geschwindigkeitsmessung)

Reaktor mit Laser auf Lichtebene (Schnitt) beleuchtet

Kamera nimmt Partikel auf

Bildausschnitt zu verschiedenen Zeitpunkten verglichen

—Geschwindigkeit besimmen

Partikel klein: PIV

Partikel groß (zB Granulate): Particle tracking Velocimetry

benötigen Kamera, Beleuchtung, Computer

Auswertung: in verschiedenen tiefen des Reaktors

Limitierung, können durch Abschattung Flocken in tiefere Schnittebenen nicht mehr hineinsehen

LDA: Laser-Doppler-Anemometrie

zwei Laserstrahlen ausgesand, kreuzen sich an einem Ort

charakteristisches Interferenzmuster (Streifenmuster)

Bei Durchtritt eines Partikels kann man aufblitzen detektieren (Kamera), Frequenz abhängig von Muster und Geschwindikeit des Partikels

Streifenabstand durch Laser festgelegt und bekannt

— Rückschluss auf Geschwindigkeit Partikel

LDA: lokal Strömungsgeschwindikeiten in Flüssigkeiten messbar

3.Messtechnik µPIV

mikroskopische Geschwindigkeit um MOs

ähnlich PIV, (Mikroskop-)Beleuchtung in einer Ebende, Partikel auf Objektträger

In Beleuchtungsebene Geschw. in mikroskopischem Maßstab bestimmt

Dimensionslos dargestellt — Auf Bezugsgrößen bezogen

Verschiedene Höhen im Reaktor

links: 25-40% maximaler Höhe

rechts oberer Teil des Reaktors

Geschwindigkeiten unterscheiden sich in Abhängigkeiten der Höhen

Können auch für verschiedene Partikelkonzentrationen anschauen

Nicht nur Granular sondern auch Geschwindigkeit Flüssigphase aufgetragen charakteristische Strömungsmuster

links: unterer Bereich Reaktor, mitte, rechts: oberer B.

unten größere Wirbelstrukturen, oben nur noch wenige bei kleinen Geschwindigkeiten

Können auch erkennen dass Reaktor stark instationär, Unterschiedliche Geschwindigkeiten und mechanische Belastungen

links: Beginn Prozess, rechts: späterer Zeitpunkt; andere Muster

Scher- und Dehnkräfte besonders relevant, können ausrechnen wie groß (aufgrund Strömungsmechanik); Bereiche mit höherer und nicht so hoher Belastung, wie bei Geschweindigkeit starke Schwankungen in mechanischer Belastung

Kann man auch in verschiedenen Tiefen anschauen: Umso weiter in Reaktor (im Inneren des Reaktors, umso höher mechanische Kräfte (Scherung, auch Dehnung)

Strömung durch sehr viele Verwirbelungen gekennzeichnet

Können auch laminare Wirbel entstehen, muss nicht immer turbulent sein, jedoch hier sehr hohe Geschwindigkeiten im Reaktor — turbulent

Turbulenz über Leistungsspektra beobachten, Energie von Großen auf kleine Strukturen übergeht — Energietransfer von großen auf kleine Strukturen mit Frequenz darstellbar

Frequenzdiagramm mit negativer Steigung (rot = Referenz)

Blau: deutlich abweichend, anderen turbulenten Effekt, untypisch wie die die man kennt — hochbeladenes dreiphysiges System weicht von klassischer Turbulenz ab

Impulstransport von klassischen einphasigen Effekten verschieden

Kräfte als Maß für WW: Partikel-Partikel, Partikel-Wand, Fluid-Partikel

größte Kräfte: Auftriebs-, Widerstands- und Kollisionskraft

• extern: Gravitationskraft (aufgrund externer Felder) bzw Auftriebskräft, typischweise größte Kräfte =1

• Parikel-Wand: VDW sehr klein -11

• Flüssikeit-Partikel: Trägheit, hält Partikel von Bewegung zurück

  Beschleunigungsvorgänge Basset

  virtuelle Massenkraft (Masse die künstlich mit Granula transportiert wird, Wasser, Grenzflächenschiht, zusätzliche Masse muss transportiert werden)

  Saffman, Magnus: zusätzliche Auftriebskräfte aufgrund Rotation, Geschwindigkeitsdifferenzen Umgebung Partikel/ mit Wand oder anderen Partikeln

• Rotation

Kollisiolnen quantifizieren - Abhängigkeit von Reaktorhöhe

Partikel-Partikel: Oben weniger Kollisionen wie unten, Konzentration Partikel unten höher

Partikel-Wand: auch leichte Abnachme nach oben

Zerstörung der Granula

Geschwindigkeit der Begasung: Leerrohrgeschwindigekeit- mechanische Belastung einstellbar

wenig: kompakt

mittel: Flocken, verlieren schon Fähigkeit abzusetzen

hoch: zerstörte Granula, Bruch nach überschreiten kritischen Wertes und mehrere unterkritische Belastungen führen irgendwann zur Ermüdung und Bruch

links: untere mechanische Belastungen, Flocke

mitte: mittlere Bel., aufgeraute Oberflächen

rechts: hohe mech. Bel., komplett zerfaserte Granula

auch Auswikrung auf Diversiät der MOs

Oberfläche Granula: Pantoffeltierchen/ Ziliaten große Bedeutung, mikroskopische Bewegung durch Ziliate (makroskopisch Strömung), Ciliate belegen Oberfläche und Cilien führen zur Aktiven Durchmischung des umgebenden Mediums: Art Symbiose, Aktive Nährstoffversorgung der ganzen Flocke

µPIV: Geschwindigkeitsfelder: An Oberfläche Granula Ciliat erkennbarm die mit Hilfe von Wellenbewegungen Flüssigkeit in Bewegung setzen, direkt auf Schlund des MOs gerichtet, mikroskopische Strömung

Verhalten auf Umgebungsbedingungen: Hefezellen/ Milch beeinflusst Aktivität der MOs, Milch höhere Strömung durch Ciliat (natürliches Nahrungsmittel Ciliat)

höher konzentrierte Milch funktioniert am besten, höchste Geschwindigkeit (kinetische Energie auch bei konzentrierte Milch am höchsten)

Gibt auch Synergien wenn Ciliaten als Kolonie auftreten, Stroung miteinander, Steigerung der Geschwindigkeiten, Synergetischer Wirbel

Auch als kinetische Energie messbar, hier Synergiefaktor 1,7

Prozessführungsstrategie: Betrieb und Design

• charakteristische Strömungsmuster

• Einfluss auf Granula: Bildung und Zerstörung

• laminarer aber auch turbulete Strömung (nicht wie einphasen System, viel größere Impulsumverteilung in 3-phasigem System)

• Granulation nur bei best Strömungsbedingungen

• Normal und Scherdehnugnsraten haben Effekt

• Kräfte wichtig: Gewichts-, Auftriebs-, Widerstands-, Kollisionskräfte

• Zerstörung Granula meist nicht durch mechanische Belastung sondern durch biomechanischer Ermüdungseffekte

• Ciliaten wichtige Rolle Bildung

• und Versorgung Granula

• Synergie zwischen verschiedenen MOs, die sich in Impulsübertragung (Strömung) beeinflussen

Protein, AS Zusammensetzung,

sekundäre Stoffe,

Manche bilden auch viel Fett fettreiche Algen ungesättigte FS

Technofunktionalität, single cell protein, Untersuchungen

Prognose stetige Zunahme, aktuell noch nicht kommerzialisiertes Protein

hauptsächliche Limitierung Kosten: Biomasse verarbeiten, trocknen, Durchmischung Reaktor, kleine Mengen, Farbe grün Verbraucherakzeptanz

Bioraffinirieansätze anwenden: mehrere Produkte aus Alge gewinnen

Inokulum: Biomasse die ich am Anfang hinzufüge

Energie und Wasser möglichst effizient nutzen

Untersuchen ob nicht schlechter im Vergleich zu anderen Produkten, nachhaltig

Bis Algen großflächig nutzbar noch einiges zu klären

Alge nutzen sichtbares Licht

Nicht zu hell, nicht zu dunkel

Intensität=Energie pro Fläche und Zeiteinheit

Wellenlängenspezifisch

Richtungsabhängig

Strahlung die von Alge genutzt werden kann

an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich gute Absorption

grünes Licht kann nicht absorbiert werden, deswegen erscheinen Algen dann grün

Absorption Wellenlängenabhängig, wie effizient Optische Querschnittsfläche (pro Zelle/ kg Biomasse) - Absorptions/Streukoeffizienten, wie Wahrscheinlich dass Licht absorbiert/ gestreut wird

Lichtreaktion nur mit Licht, umso mehr Licht desto häufiger

Dunkelreaktiron Co2 genutzt und Kohlenhydrate gebildet werden

0 bis Compensation point: Abnahme Biomasse weil nicht genug Energie durch Photosynthese produzieren kann

saturation point: Nicht mehr alle Nettoprodukte verarbeitbar, da so schnelle Lichtreaktion und Dunkelreaktion nicht schneller geht, kann sogar zu Schädigungsprozessen kommen

Viele Modelle, muss man kalibrieren, I Inhibition, für richtige spezies beschreiben

Typ 1 ungenau

verwendet meist Typ 2 (viele Lichtintensitäten)

Nichtlinearer Zusammenhang von Intensität und Photosyntheserate

Typ 3: auch noch zeitabhängig: sehr aufwändig zu berechnen, ungeeignet für Praxis

Vereinfachung: Lambert-Beer

Wie stark Absorption im Vergleich zur Streuung Effekt hat: In meisten fällen Streuung nicht so wichtig

Helligkeitsgradient große Herausforderung

Mischungsverhalten damit mal im Dunkeln mal im Hellen

CO2 aus Gas in Flüssigkeit

hohe O2 schlecht wegen Rubisco (1. Schnitt CO2 Bindung)

sehr dünne Schichten Bioreaktoren

Open Pond (offen)

(geschlossen):

Flachplattenbioreaktoren

Rohrreaktoren

Fermenterartige

Benchtop (Labor)

(zB. Spirulina pH10, wächst nicht anderes mehr)

Aus Glas oft

2.Folie links oben statische Mischer

Indoor und outdoor Kultivierung

Konzentrationsgradienten (CO2, O2, Produktivität)

Aus Glas/ Plastik

oft Rohre länglich übereinander, da sonst schon zu viel Sonnenlicht

Rührkessel/ Blasensäulen

keine große Rolle, heterotrophe Fermentation (zB Zucker als CO2 Quelle, keine limitierung durch Licht, Biomasse farblos)

einfacheres upscaling

rot markierte werden eher überwacht als die anderen

pH steigt durch Photosynthese

durch CO2 Zugabe neutraler pH

Lichtintensität bei Sonne nicht steuerbar

Temperaturentwicklung Problem, mit Wasser kühlen

Luft CO2 Konz zu gering

Biomasselimitierung

stationäre Phase 1-10 g Trockenmasse pro Liter (99,9% Wasser)

Je dünner Schicht, desto höher Biomasse, aber geringes Reaktorvolumen

(Hefereaktor 10-15 mal mehr Biomasse wie bei Alge)

Halbkontinuierlich am wichtigsten in Praxis

konstante chemische Bedingungen durch konstante Verdünnungsrate = Chemostat

Da Lichtabhängig (Sonne geht unter) meist keine stationären Bedingungen trotz konstantem Feed — deswegen nächste Folie:

TURBIDOSTAT

Turbidity = Trübung konstant bei Turbidostat

Regler kann auch Fehlinterpretation in Nacht haben

Wirkungsgrad auch Effizienz Reaktor

Turbidostat versucht optimum zu erreichen

Über Zeit hinweg wird sich Intensität und damit Wachstum Biomasse verschieben und so simulieren

Mit Lichtprofil in Wachstumsmodell

I0 wichtig für Wachstum, Limitierung

möglichst wenig Wasser (Extraktion,.. alle Folgeschritte müsste man Wasser ja auch erhitzen usw. teuer) - aufkonzentrieren Zellen und Wasserrückgewinnung

funktioniert besser bei höheren pH Werten

pH Wert abhängig wie viel flokkulieren kann, Effizienz (oberes Diagramm)

kompaktere Flocken höhere Dichte, schneller sedimentieren (unteres Diagramm)

besser als Flokkulation, möglicherweise auch in Kombination Flokkulation vorgeschaltet

Nachteil: Zentrifugen teuer, hoher Energiebedarf

Zellkonzentrierung wesentliche Kosten bei Algenproduktion

Trommelfilter günstig und technisch einfach, Kuchen aus Algen schon relativ verdickte Biomasse

Filtration: gibts Batch und kontinuierlich

muss man nicht unbedingt durchführen, geläufigste Form getrocknet als Pulver (gibt auch Paste/ gefroren)

gibt schonendere und weniger schonend, Sprühtrocknung so in Mitte

Für Extraktion davor trocknen, dass Wasser Extraktion nicht beeinflusst

Trocknung erhöht Zugänglichkeit durch stückweise Schädigung (Chlorella zB sehr widerstandsfähige Zellwand)

Stoffe die wir aus Zelle wollen rausholen

nur normale Zelle bis Metabolite austreten, bei wässriger Extraktion würde da nichts passieren

deswegen Zellaufschluss

Kugeln aus Metall/ Glas

mechanische Energie beim Stoß auch auf Zellen übertragen

! Energiezufuhr, Erwärmung - berücksichtigen bei thermosensitiven Produkten

sehr kleine Trümmer schwer abzutrennen

hohe Biomasse hohe effektive Viskosität, kann Energei umwandeln (dissipieren)

neueres Verfahren, noch nicht so etabliert in Praxis

Ultraschallgenerator mit Piezoelementen, schwingt hoch und runter

Amplitudden 50-100 µm

Überträgt Druckwellen auf Medium - kompression und Dekompression

Dekompresion: Verdampfung Flüssigkeit: Gasblasen wachsen an: Unter und Überdruckbereiche: Ab kritischer Größe implodieren Gasblasen (bis nicht mehr komprimierbar durch hohen Druck) schlagartige Ausbreitung Gas - sehr starke Druckwellen —> diese führen zur Zerstörung der Zellen

Funktioniert sehr gut

Nachteil: wird auch sehr warm, thermische Schädigugn (stückweit bei allen Zellaufschlussverfahren propertional zu Energieeintrag)

weniger mechanisch

gepulstes Hochspannungsfeld - sehr hohe Wellen

sehr hohes Transmembranpotential —> Zellen perfuriert (Poren durch die Stoffe diffundieren - Stofftransportwiderstand reduziert)

Diagramm: hohe Feldstärke schon schnell fast alle Zellen perfuriert

spezifischer Energieeintrag umso höher desto länger Pulse

mit Parametern Zellaufschluss steuern

In Behandlungskammer liegt Strom an, Elektrisches Feld erzeugt, Zellen werden durchgepumpt

Elektrischer Energieeintrag: auch Erwärmung aber relativ energieeffizient also auch nicht so starke Erwärmung

wie gut funktioniert hängt von: Feldstärke, desto höher Frequenz desto höher Pulse, höhere Temp mach Membran fluider - leichterer Aufschluss

Muss an zu extrahierende Moleküle anpassen

organische Lösungsmittel für unpolare Moleküle

wässrig polare Moleküle

Astaxanthin roter Farbstoff mit hohem antioxidativen Potential, BetaCarotinoid - hoher Marktwert

oben rechts Bioraffinerieansatz, Restbiomasse noch verwenden

häufigsten und meist Nahrungsergänzungsmittel

open pond, v.a. in Asien

Biomasse ernten, konzentrieren, trocknen

recht hohe Verkaufspreise

Protein (viel bei Spirulina)

Fette (meist nur unter Wachstumslimitierenden Bedingungen gebildet), Spezies abhängig, meist dann wenig Protein

Bioverfügbarkeit:

Vitamin B12 (!nicht zwangsläufig für Menschen verwertbar zB Spirulina, aber bei Chlorella verwertbar)

Protein efficiency ration (wie gut wird verwendet), Casein Goldstandard, Chklorella getrocknet schon besser wie unprozessiert - Zellwandabhängig usw. sehr verschieden Algen

Theoretisches Risiko - noch keine bekannten Fälle

Metalle: Oberflächenladungen zu tun

typisch: Nudeln, Kekse, Brot, Getränke

Herausforderungen beachten: besser als konventionelles Produkt

Biomasseanteil klein 1-4%

kann sein dass Fehlaromen eine Rolle spielen: Fettox/ durch Kultivierung Off-Flavour

Rezeptur verändert - sollte nicht zu hohen Einfluss haben

heterotroph Statt Sonne und CO2 - Kohlenhydrat

gelbe Pulver

LM Industrie aufgrund technischer Einfachheit eher in die Richtung, aber Nachhaltigkeit noch fragwürdig

Pigmente anitoxidativ wirksam, Lipide eher vor oxidation geschützt wenn phototroph nicht heterotroph kultiviert

Farbstoffe müssen natürlich phototroph hergestellt werden

v.a. Phycobiliproteine

Phycocyanin blau aus Spirulina - in LM einsetzbar

(davor Azofarbstoffe wurden von Markt verdrängt)

pH stabilität limitiert Einsatzbereich 4-6

Hitzeempfindlich: Protein nicht denaturieren - auch bei Alkohol

Ergänzung - nicht so wichtig

Proteinextrakte / Single cell protein will LM Industrie

Struktur/ funktionelle Eigenschaften

je alkalischer desto besser

unlösliche von löslicher Fraktion trennen

unlösliche Fraktion nicht so funktionell, aber kann daraus noch Hydrolysate herstellen

IE Fällung, Filtration aufreinigen

Noch keine Produkte zu kaufen, Forschung

Spezies beeinflusst: Proteinart - novel food zulassung interessant

pH Abhängigkeit Löslichkeit

Emulgierfähigkeit: IEP Fällung tendentiell schlechter

Gel: Temp, Konz

Schaum: nicht so stark bildend, aber stabil

schon kommerziell angeboten und produziert

heterotroph: Schleimpilz der oft zu Algen klassifiziert wird

! Stabilität der Produkte, phototroph höherer Oxidationsschutz, aber geringere Ausbeute?

eher potentiell, kleine Produktionsmengen, Prognose gut, Protein, hohe Flächenproduktivität mit Licht als Energiequelle

Herausforderungen: Licht Gradient in Reaktor und Wetterabhängig, hoher Wasserverbrauch, downstream möglichst effizient Zellaufschluss energiereichster Schritt, auf effizienz optimieren, Kosten und Energie senken, etablierte Produkte durch Maßstab viel höhere Mengen deutlich günstiger, macht konkurrenzfähigkeit schwer

va. Farbstoffe und PUFAs schon eingesetzt