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1993 | Buch

Fermentationsprozesse

Kinetik und Modelling

verfasst von: C. G. Sinclair, B. Kristiansen

herausgegeben von: J. D. Bu’Lock

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Biotechnologie

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Über dieses Buch

Kinetisches Modelling ist ein wesentliches Werkzeug in der biotechnologischen Forschung und Entwicklung. Die komplexen Systeme, die in einem Reaktionskessel während der Fermenta- tion mittels Zellkulturen entstehen, können unmöglich unter jeder nur denkbaren Kombination von Reaktionsbedingungen ge- testet werden. Hierzu werden das Wissen und die Anwendung der Reaktionskinetik sowie der zugehörigen mathematischen Techniken benötigt. Das vorliegende Lehrbuch gibt eine grundlegende, leicht verständliche Einführung in das Modelling der Fermentationskinetik. Der Leser kann im Selbststudium lernen, wie eine simple mathematische Beschreibung eines Prozesses konstruiert wird und wie geeignete Modelle ausgesucht, kombiniert und verändert werden können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Mathematische Modelle
Zusammenfassung
Ein Fermentationsmodell ist eine formale, verallgemeinernde Beschreibung wichtiger interessierender Gesichtspunkte eines Fermentationsprozesses. In der Regel — aber nicht notwendigerweise — wird man ein mathematisches Modell verwenden; oft, wenn auch nicht immer, wird es besonders die kinetischen Aspekte der Fermentation behandeln. Dieses Buch beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von mathematischen Modellen für Fermentationskinetik sowie deren Grenzen.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
2. Massenbilanzen
Zusammenfassung
Für alle wichtigen extensiven Eigenschaften eines Systems und für jede Kontrollregion müssen Bilanzgleichungen formuliert werden. Hierbei ist nur zu beachten, daß alle Gleichgewichte voneinander linear unabhängig sind.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
3. Gleichungen für die Reaktionskinetik
Zusammenfassung
Dieser Abschnitt beschränkt sich auf die Erläuterung der kinetischen Ausdrücke, die die Geschwindigkeiten der Erzeugung oder des Verbrauchs einer chemischen oder biologischen Spezies z.B. auf die Nährstoff-Konzentration in der Umgebung beziehen, sowie die Beschreibung des physikalischen Zustands dieser Umgebung. Die grundlegenden kinetischen Ausdrücke, die in den Gleichgewichten verwendet werden, haben entweder die Form
  • einer spezifischen Geschwindigkeit auf der Basis der Zellmasse, multipliziert mit der Zellkonzentration in der Kontrollregion
  • oder einer stöchiometrischen Konstanten, multipliziert mit einem Geschwindigkeitsausdruck
  • oder einer Linearkombination beider.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
4. Lösung der Modellgleichung
Zusammenfassung
Wir schreiben immer eine Bilanzgleichung für jede extensive Eigenschaft und spezifizieren die Art, wie sich diese Eigenschaft zeitlich ändert.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
5. Diskontinuierliche Kultur
Zusammenfassung
Vor der Anwendung der in den Kap. 2 und 3 entwickelten allgemeinen Modelle auf spezielle Fermentationen, wird es hilfreich sein, die verschiedenen Variablen und Parameter noch einmal aufzulisten und zu klassifizieren.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
6. Kontinuierliche Kultur
Zusammenfassung
Der klassische Chemostat ist dasjenige System, auf das sich die meisten Daten einer „kontinuierlichen Kultur“ beziehen oder dem sie entsprechen sollen. Im Bereich der Forschung ist er ein wichtiges Hilfsmittel, das es erlaubt, Daten von den Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und ihrer Umgebung im stationären Zustand zu erhalten. Im industriellen Bereich handelt es sich um das effizienteste System für spezielle praktische Aufgaben, wenn auch sicher nicht für alle.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
7. Zulauf-Prozesse (variables Volumen)
Zusammenfassung
Bei einer Prozeßführung mit variablem Volumen ändert sich das Volumen des Mediums, weil der Zulauf nicht gleich dem Ablauf ist. In den meisten praktischen Fällen, man spricht dann von „Fed batch-“ oder „Zulauf-Betrieb“, steigt V, oft ist der Ablauf gleich Null (bis die Charge abgeerntet wird). Zulauf-Prozesse haben einen weiten praktischen Anwendungsbereich. Der Zulauf-Betrieb ist als eine praktische Verbesserung bestehender, im Chargenbetrieb arbeitender Prozesse, verglichen mit vollständig kontinuierlichen Prozessen oft leichter einzuführen, in einigen Fällen ist die Technik sogar notwendig. Während eine kontinuierliche Fermentation einen kontinuierlichen Austrag erzeugt, führt der Zulaufbetrieb zu einem einzigen, abschließenden Austrag, der in derselben Weise wie der Austrag aus dem Chargenbetrieb behandelt werden kann.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
8. Der Chemostat mit Recycling
Zusammenfassung
Aus den Gleichungen für einen einfachen Chemostaten folgt, daß die maximal verwendbare Verdünnungsrate auf einen Wert beschränkt ist, der geringfügig unter der maximalen spezifischen Wachstumsrate µm liegen muß. Dieser Wert wird als kritische Verdünnungsrate, Dc, bezeichnet.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
9. Sauerstoff Transport
Zusammenfassung
Wir sind bereits, zumindest in qualitativen Ausdrücken, einem Problem begegnet, das aus der Limitierung durch den Massentransport erwachsen ist, als wir im vorangehenden Abschnitt die Prozesse mit Zulauf behandelt haben. Dies war das Problem der ausreichenden Dispersion einer konzentrierten Substratlösung, die einen Misch-Fermenter beliefern soll. Ein ähnliches Problem, welches bei der Behandlung von Abwasser wesentlich wird, stellen limitierte Diffusionsraten für Substrate und Produkte in bzw. aus Mycel-Pelets, Pilzmatten, Bakterienfilmen oder Schlamm dar. Jedoch ist für nahezu alle aeroben Fermentationen das allgemeinste dieser Probleme der eingeschränkte Sauerstoff-Transport, theoretisch aus der Gasphase in die Zellen, in der Praxis durch die Phasengrenze zwischen Gas und Flüssigkeit.
C. G. Sinclair, B. Kristiansen, J. D. Bu’Lock
Backmatter
Metadaten
Titel
Fermentationsprozesse
verfasst von
C. G. Sinclair
B. Kristiansen
herausgegeben von
J. D. Bu’Lock
Copyright-Jahr
1993
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-77914-5
Print ISBN
978-3-540-56170-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-77914-5