Operation Fundamentals in Bioreactor Engineering_Medium Handling
- 2026
- Buch
- Verfasst von
- F. Xavier Malcata
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
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This textbook covers essentials of in situ and auxiliary operations necessary to operate a bioreactor where living cells are utilized as biocatalysts. Special focus is given to critical steps in preparing and managing the culture medium as support for processing, such as medium formulation, inoculum preparation, buffering, foaming, and sterilization.
A pragmatic and systematic approach is provided to all such topics, from the point of view of a biological engineer – illustrated by selected and carefully solved problems, proposed at the end of each section. Mathematical derivations are put forward that are easy to follow step-by-step – even by students holding only elementary mathematical and biochemical backgrounds; and are developed at a pace suitable for self-learning. Furthermore, the functional forms and meanings of the expressions produced are explored, and the final germane formulae are duly highlighted and graphically interpreted in dimensionless form – to facilitate perception of major trends and asymptotic behaviours. Therefore, this textbook offers a valuable resource for both instructors and undergraduate/graduate students – as an aid to understand and relate basic physicochemical concepts underlying the actual operation of bioreactors, rather than conveying mere descriptions and empirical correlations.
This textbook and the companion volumes “Fundamentals of Biocatalysts: Cell Structure and Function”, “Operation Fundamentals in Bioreactor Engineering – Fluid Dynamics”, and “Modelling Fundamentals in Bioreactor Engineering” fill the gap between qualitative approaches focused on biochemistry, on the one hand; and technological approaches resorting to correlations that hardly convey a fundamental understanding of first principles, on the other.
Inhaltsverzeichnis
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Introduction to Bioreactor Operation
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1. General Overview
F. Xavier MalcataDieses Kapitel vertieft die wesentlichen Aspekte der Bioreaktortechnik, mit besonderem Fokus auf die Handhabung von Medien. Zunächst wird der Zweck von Bioreaktoren erklärt, nämlich Biomasse oder bestimmte Metaboliten durch Reaktionen zu erzeugen, die durch Zellen oder Enzyme katalysiert werden. Der Text betont die Wichtigkeit der Herstellung eines geeigneten Mediums, das Sterilisation beinhaltet, um eine mikrobielle Kontamination und Impfung mit den gewünschten mikrobiellen Arten zu verhindern. In diesem Kapitel wird auch die entscheidende Rolle der Aufrechterhaltung optimaler Umweltbedingungen wie Temperatur und pH-Wert für die Aktivität von Biokatalysatoren diskutiert. Es erklärt, wie der pH-Wert den Ionisierungszustand von Enzymen und ihre dreidimensionale Konformation beeinflusst, was wiederum ihre Aktivität beeinflusst. Der Text unterstreicht auch die Bedeutung des Verständnisses von Schaumphänomenen und der Umsetzung von Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung übermäßiger Schaumbildung. Darüber hinaus werden praktische Beispiele für pH-Werte im Alltag gegeben, die die Relevanz des pH-Wertes in biologischen Systemen veranschaulichen. Insgesamt bietet dieses Kapitel einen umfassenden Überblick über die grundlegenden Aspekte der Bioreaktortechnik, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Handhabung des Mediums und der Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen für die Aktivität von Biokatalysatoren liegt.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractBioreactors are vessels designed to carry out reactions brought about by cells, or portions thereof (e.g., enzymes); their ultimate purpose is to generate extra biomass or specific metabolites for a number of practical applications—following harvest, separation, and purification of their contents. In either case, the biocatalyst must gain access to substrate(s)—which, in the case of living cells, also serve as nutrients for metabolism lato sensu; all such starting compounds are to be supplied in liquid form, usually dissolved in water—and even such gaseous substrates as O2 or CO2 can be taken up only if in solubilized form.
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Bioreactor Performance
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2. Medium Preparation
F. Xavier MalcataDas Kapitel vertieft sich in den komplizierten Prozess der Mediumaufbereitung für Bioreaktoren und betont die entscheidende Rolle des vor- und nachgelagerten Betriebs. Es untersucht die Bedeutung der Mittelzubereitung, einschließlich des Gleichgewichts von Nährstoffen und Umweltbedingungen, für die optimale Expansion von Biomasse und die Produktbildung. Der Text enthält eine detaillierte Analyse der Auswirkungen verschiedener Medienkomponenten auf die Leistung des Bioreaktors, die durch praktische Beispiele und Problemlösungsansätze gestützt wird. Darüber hinaus wird die Bedeutung der Überwachung und Steuerung von Schlüsselparametern wie Temperatur, pH-Wert und gelöstem Sauerstoff diskutiert, um den Erfolg biologischer Prozesse zu gewährleisten. Das Kapitel enthält auch spezifische Fallstudien wie den Einsatz von Gerstenmalz bei Brauprozessen und mathematische Modelle zur Veranschaulichung der theoretischen Konzepte. Darüber hinaus befasst sie sich mit den Herausforderungen der Impfstoffaufbereitung und der Rolle der Pufferung bei der Aufrechterhaltung der pH-Stabilität. Das Kapitel schließt mit einer Untersuchung des asymptotischen Verhaltens von Bioreaktorsystemen und der Bedingungen, die die Wachstumsraten steigern, und bietet wertvolle Erkenntnisse für Fachleute auf diesem Gebiet.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractBioreactors are normally used for a specific experiment or production run—which may last for hours, days, or even weeks in a row, depending on the utilized organism and intended product. Sequential steps of bioreactor preparation, medium formulation, and preculture/inoculation are required and, as a whole, they constitute upstream operations; cultivation proper comes next as onstream operation, involving physicochemical and mechanical tools; these are complemented by cell harvest, followed by extraction/separation/purification of cells or compounds—which together account for downstream operations. This book focuses on up- and onstream operations since they are crucial to functioning of any bioreactor and ultimately leverage or constrain its performance. -
3. Medium Sterilization
F. Xavier MalcataDieses Kapitel befasst sich mit dem wesentlichen Prozess der Sterilisierung flüssiger Medien, der für die Aufrechterhaltung mikrobiellenfreier Umgebungen bei der Bioprozession von entscheidender Bedeutung ist. Es umfasst verschiedene Sterilisationsmethoden, einschließlich Hitze, Chemikalien und Filtration, von denen jede ihre einzigartigen Vorteile und Anwendungen hat. Der Text untersucht die diesen Methoden zugrundeliegenden Prinzipien, wie den Einsatz von Dampf zur Hitzesterilisation und die Rolle der Filtration bei der Entfernung von Mikroorganismen. Er diskutiert auch die Bedeutung aseptischer Techniken und die Herausforderungen bei der Sterilisierung großer Mengen flüssiger Medien. Darüber hinaus bietet das Kapitel Einblicke in die mathematischen Modelle und Gleichungen, die diesen Prozessen zugrunde liegen, und bietet ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien. Der Text schließt mit praktischen Überlegungen zur Implementierung dieser Sterilisationstechniken in Bioreaktoren und Fermentationsprozesse, um die Produktion hochwertiger Bioprodukte sicherzustellen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractPrior to inoculation, sterile medium and sterile (parts of) equipment coming into contact therewith must be guaranteed; subsequent handling will require quantitative exclusion of unwanted or contaminating microorganisms, via implementation of aseptic techniques. Sterilization implies full destruction of all microorganisms, in both vegetative and spore forms—at the expense of heat, chemicals, radiation, or filtration.
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Backmatter
- Titel
- Operation Fundamentals in Bioreactor Engineering_Medium Handling
- Verfasst von
-
F. Xavier Malcata
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-032-03172-3
- Print ISBN
- 978-3-032-03171-6
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-032-03172-3
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