Aufgaben zur Bioreaktionstechnik

Im Rahmen der Weltwirtschaft sind die Zuwachsraten auf dem Gebiet moderner biotechnologischer Produktionen bedeutend. Wertemäßig dominieren Entwicklungen in der pharmazeutischen Industrie, die auf Grundlage des „genetic engineering“ völlig neue Wirkstoffe auf den Markt bringt. Als Beispiel seien α₁- und γ-Interferon, Interleucin II und Faktor VIII-Wirkstoff genannt.

Die Quantifizierung mikrobieller Prozesse erfolgt gegenwärtig auf Grundlage des makroskopischen Konzeptes, das nur zellexterne bzw. extrazelluläre Konzentrationen berücksichtigt, die mit ausreichender Genauigkeit meßbar sind. Sie gestatten es, die Formalkinetik mikrobieller Reaktionen zu beschreiben.

Für die Ermittlung kinetischer Gesetzmäßigkeiten aus experimentellen Konzentrations-Zeit Verläufen ist die näherungsweise Bestimmung intensiver Größen erforderlich, weil der exakte Zusammenhang unbekannt ist und ja erst bestimmt werden soll.

Gelingt es, einen nichtlinearen funktionellen Zusammenhang durch Variablentransformation (Koordinatentransformation) in Form einer Geraden darzustellen, bezeichnet man diese Vorgehensweise als Linearisierung. Linearisierte Abhängigkeiten sind für die Auswertung in vielfältiger Weise den nichtlinearen überlegen. Sie gestatten die einfache Bestimmung und Darstellung von Konstanten im transformierten Raum.

Das mikrobielle Wachstum — eine autokatalytische Reaktion — erfolgt formal nach der Geschwindigkeitsgleichung 1. Ordnung: .

Eine effektive Auswertung von Daten biochemischer und mikrobiologischer Abläufe ist mit Personalcomputern und geeigneter Software möglich. Auf dem Gebiet der Bioverfahrenstechnik bieten sich besonders die Softwaresysteme an, die sich in der zweiten Hälfte der 80er Jahre an Universitäten und Hochschulen und in den biotechnologischen Industriezweigen einführten.

Die grundlegende Voraussetzung zur Anwendung eines mathematischen Modelles ist seine ausreichende Adäquatheit, da sowohl qualitativ als auch quantitativ richtige Ergebnisse benötigt werden.

Alle eingesetzten Bioreaktoren sind nichtideale Reaktoren. Die Modellkonzepte des Stofftransports und der Kinetik beruhen jedoch ausnahmslos auf idealen Reaktormodellen oder modifizierten idealen Modellen mit begründeten, nichtidealen Erweiterungen (z. B. Diffusionsmodell). Inwieweit das reale Strömungsverhalten von diesen Reaktorkonzepten abweicht, wird durch die Transportphänomene für Stoff, Wärme und Impuls bestimmt. In der Regel gelingt es, Bioreaktoren für die Praxis so auszulegen, daß die angestrebten idealen Reaktormodelle für weitere Arbeiten zugrundegelegt werden können. Indem tatsächliche Reaktorgeometrie, Betriebsparameter und Stoffwerte bei der Auslegung Berücksichtigung finden, bleiben diese im idealen Reaktormodell weitgehend unberücksichtigt.

In einem 450-1-Rührerfermenter (d ₁ = 0,6 m, d ₂ = 0,2 m) mit Turbinenrührer (Scheibenrührer) wird bei 30 °C der Pilzstamm Diaporthe carpinicola diskontinuierlich in einem komplexen Nährmedium (v = 2,87·10⁻⁶ m² s⁻¹) kultiviert, um das Labenzym (Exoenzym) zu gewinnen. Die mittlere Dichte des Nährmediums im unbegasten Zustand beträgt ϱ = 1030 kg m⁻³. Etwa 70 Gerinnungseinheiten sind zu erreichen. Die ständige Belüftung beträgt \( {\dot V_G}/{V_L} = 6,25 \cdot {10^{ - 3}}m_G^3{m^{ - 3}}{s^{ - 1}} \) Das Füllvolumen (unbegast) beträgt V _L = 0,2 m³. Die Verteilung der Phasen Biomasse — Nährmedium — Luft wird über drei Rührflügel (z = 3), (d ₂ = 0,2 m), die auf einer Rührwelle aufgebracht sind, verwirklicht. Die Drehzahl beträgt n = 150 min ⁻¹.

In einem stehenden, zylinderkonischen Tank von 250 m³ erfolgt die diskontinuierliche Gärung und Reifung von Bier. Die Verteilung der flüssigen, festen und gasförmigen Phasen im Reaktor entspricht einem idealen Rührkessel. Die Anfangstemperatur beträgt 9 °C und die Anfangskonzentration an Bierhefe c_No = 27,8·10⁶ Z/ml. Die Würzekonzentration (Anfangskonzentration des Substrates) beträgt für das Vollbier Hell 11,3% Stammwürze (≙ einer vergärbaren Substratkonzentration von c_so = 62 g/1). Gleich nach Beginn der Gärung fällt die Kühlung aus. Der Reaktor selbst ist so gut isoliert, daß praktisch keine Wärme an die Umwelt abgegeben wird (Schaumpolystyrol: s = 80 mm, λ = 0,031 kg m² s⁻³/(mK)). Wie hoch steigt die Temperatur im Reaktor und wie lange dauert es, bis das Wachstum der Hefe abgeschlossen ist bzw. das Substrat vollständig umgesetzt wurde?

Auf der Grundlage des Beispiels 4 soll eine polytrope Prozeßführung betrachtet werden. Der Prozeßverlauf unterscheidet sich dahingehend, daß bei sonst gleichen kinetischen Bedingungen des Zellwachstums Gl. (4.1, 4.2), der kinetischen und thermischen Angaben v′_max, E, (−Δ_RH^(x)) und der angegebenen Stoffwerte c_p, ϱ die Kühlung des laufenden Prozesses gestört ist. Das im Bypass-Betrieb zirkulierende Reaktionsmedium wird im Plattenwärmeübertrager (Kühler) nur teilweise heruntergekühlt, weil die Platten erheblich verschmutzt sind. Die Wärmedurchgangszahl verringert sich von k = 2100 W/(m² K) unter ungestörten Verhältnissen auf k = 1000 W/(m² K). Dadurch fällt die Effektivität der Kühlung beträchtlich ab, und das Jungbier erwärmt sich abweichend von der vorgegebenen Temperaturführung. Die Angaben zur Kühlung lauten:

Berechnen Sie das Temperatur-Umsatz-Zeit-Verhalten bis zum Umsatz von U_ges ≈ 0,90 des Substrates (Endvergärung), d. h. bis die maximale Zellzahl erreicht wurde.

Auf der Basis von diskontinuierlichen Laborversuchen wurde die Kinetik eines Systems vergärbarer Zucker und Bierhefe bei 20°C untersucht. Das kinetische Modell nach Monod [6.1] erwies sich als problemrelevant für die Beschreibung der Wachstumskinetik

Das Verfahrensprinzip der Solid-State-Fermentation ist zur mykologischen Modifizierung von stückigen Holzpartikeln geeignet. Dadurch kommt es in der weiteren Verarbeitung zur Energieeinsparung beim Zerkleinern und zur Bindemittelreduzierung durch Aktivierung holzeigener Bindekräfte.

Eine großtechnische Rührkesselkaskade [8.5] soll angefahren werden. Erst bei stationären Verhältnissen im Propagationsbioreaktor wird der Prozeß beherrscht.

Ein großtechnischer Bioreaktor (V = 115 m³) mit partieller Biomasserezirkulation arbeitet kontinuierlich. Das Übergangsverhalten bei kleinen Störungen ist zu analysieren.

In einem Zellkulturreaktor wird eine kontinuierliche Fermentation von CHO-Zellen (Chinese Hamster Ovarion Cells) realisiert. Bei den CHO-Zellen handelt es sich um adhärente Zellen, die auf Mikrocarriern (z. B. kleine Dextrankugeln d ≈ 10⁻⁴ m) haften und sich dort vermehren. Diese Mikrocarrier sind erforderlich, weil tierische Zellen nur eine empfindliche Zellmembran besitzen, aber ohne Schutz einer außen aufgelagerten Zellwand sind. Die Zellen benötigen die Oberfläche des Mikrocarriers zum Wachstum. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Zellen gegenüber hydrodynamischen Effekten (Scherung durch Mikrowirbel, Kollision der Mikrocarrier, Schaumbildung, Zerplatzen der Luftbläschen) verwendet man Zellkulturreaktoren mit blasenfreier Begasung und mäßiger Medienbewegung. Die blasenfreie Begasung erfolgt über offenporige, hydrophobe Polypropylenschläuche (Membranbegaser), die ähnlich einem Kollektor gewickelt sind, um eine hohe Oberfläche zu realisieren. Die Begasungseinheit besteht aus mehreren Membransegmenten, die in einem Membrankorb befestigt sind, der im Reaktorraum linear hin und her bewegt wird. Abb. 10.1 zeigt ein Reaktorschema.

Zahlreiche naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeiten werden durch gewöhnliche Differentialgleichungen 1. oder 2. Ordnung beschrieben.

In Abb. 14.1 ist das Schema der Pilotanlage zur kontinuierlichen Gärung und Reifung von Bier dargestellt.

In Abb. 14.1 ist das Schema einer Pilotanlage zur kontinuierlichen Gärung und Reifung von Bier mittlerer Qualität dargestellt.