Aufgaben zur Bioreaktionstechnik: Für Studenten der Biotechnologie, der Lebensmitteltechnik, des Wasserwesens, der Abwasser- und Umwelttechnik

312 Pages·1994·22.02 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. K.-H. Wolf (auth.)

Biotechnologie
K.-H.Wolf
Aufgaben zur
Bioreaktionstechnik
Fur Studenten der Biotechnologie,
der Lebensmitteltechnik, des Wasserwesens,
der Abwasser- und Umwelttechnik
Mit 74 Abbildungen und 74 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dr.-Ing. K.-H. Wolf Fachhochschule Lausitz
Fa chbereich Chemieingenieurwesen / Verfahrenstechnik
GrofJenhainer StrafJe 57
01968 Senftenberg
vormals TU Dresden
Institut fUr Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik
BergstrafJe 120
01062 Dresden
ISBN-13 :978-3-540-57876-5
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Wolf, Karl-Heinz:
Aufgaben zur Bioreaktionstechnik:
fUr Studenten der Biotechnologie, der Lebensmitteltechnik, des Wasserwesens, der Abwasser-und Umwelttechnik
K.-H.Wolf.
Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1994
(Biotechnologie)
ISBN-13 :978-3-540-57876-5 e-ISBN-13 :978-3-642-78917-5
DOl: 10.1007/978-3-642-78917-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994
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Herstellung: PRODUserv Springer Produktions-Gesellschaft, Berlin
Satz: Fotosatz-Service Ktlhler, Wfirzburg
Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg
SPIN 10427602 213020-5432 I 0 Gedruckt auf sfiurefreiem Papier
Vorwort
In den vergangenen zwei J ahrzehnten erschien eine Reihe von Buchern, die sich
mit dem "Biochemical Engineering" und, bei unterschiedlicher Vertiefung, mit
der Bioreaktionstechnik auseinandersetzen [1 - 6].
Bei der Anwendung des dargelegten Theorien- und Methodenbestandes
stoBen Studenten und Absolventen jedoch haufig auf Probleme, die den Ein
stieg in Seminare, Praktika, die Diplomphase oder Forschung erschweren.
Wahrend es auf den Gebieten der Verfahrenstechnik, chemischen Verfah
renstechnik und Reaktionstechnik verschiedene Bucher mit Sammlungen von
Seminar- und Ubungsaufgaben gibt, liegen bisher nur sehr wenige Lehrwerke
zur Bioreaktionstechnik vor. Das vorliegende Werk beschaftigt sich mit ausge
wahlten Fragestellungen.
Die Zieistellung des vorliegenden Buches besteht darin, den Studenten der
Fach- und Vertiefungsrichtungen Bioverfahrenstechnik, Technische Mikrobio
logie oder Technische Chemie bzw. biotechnologisch orientierter Studiengange
der Lebensmitteltechnologie sowie Absolventen eine Aufgabensammlung von
Berechnungsbeispielen zur schnellen und erfolgreichen Einarbeitung in die
Hand zu geben.
Die 15 ausfUhrlich durchgerechneten Beispiele enthalten ausgewahlte Pro
biemstellungen zum Stofft ransport, zur Formalkinetik, Dynamik und Stabili
tat. Sie sind durch Abbildungen und TabeIlen, Kommentare und Hinweise ge
stUtzt, die ein Nacharbeiten mit Taschenrechner und/oder PC erlauben. 1m
Einzeifall muB auf Standardsoftware bzw. problemrelevante Softwarepakete
zuruckgegriffen werden.
AIle dargestellten Berechnungsbeispiele sind konkreten Ergebnissen aus
den Forschungsarbeiten des Autors entlehnt. Das Buch ist das Resultat einer
mehr als 15jahrigen Tatigkeit in der Lehre an der Humboldt-Universitat zu
Berlin und der Technischen Universitat Dresden. Es stellt eine Untersetzung
des Buches "Berechnungsbeispiele zur Bioverfahrenstechnik" des Autors [7]
fUr Seminare, Ubungen und Praktika dar. Der Versuch, moglichst verschiedene
Problemkreise gewichtet vorzustellen, wird durch die Auffassung des Verfas
sers gepragt.
Aus dies em Grunde ist der Autor zuganglich fUr jede forderliche Kritik, fUr
Hinweise und Verbesserungsvorschlage.
Besonderer Dank gilt meiner Frau fUr ihr Verstandnis wahrend der Erarbei
tung des Manuskriptes.
Garlitz (NeiBe), im Herbst 1994 Karl-Heinz Wolf
Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis ............................................. XI
Tell I - Grundlagen - Grundlagen zur Durcharbeitung
der Berechnungsbeispiele
1 Einfiihrung ............................................. 3
2 Quantifizierung mikrobieller Prozesse ...................... 4
3 Bilanzen und Reaktormodelle ............................. 9
3.1 Bilanzgleichungen und Eigenschaften turbulenter Stromungen 9
3.2 Das ideale Mischer-Modell (idealer Riihrkessel) ............. 19
3.3 Das eindimensionale Diffusionsmodell ..................... 24
3.4 Weitere Reaktorkonfigurationen ........................... 27
4 Differenzenverfahren zur Berechnung
von GeschwindigkeitsgroBen (Differenzenapproximation) 29
5 Linearisierung, Formen und Probleme ..................... 32
6 Aufstellung des formalkinetischen Modelles aus experimentel-
len Ergebnissen ......................................... 34
6.1 Modellierung des mikrobiellen Wachstums
und des Substratabbaues ................................. 34
6.2 Formalkinetische Modellierung von Produktsynthesen ....... 42
7 Modellanpassung und Simulation ......................... 47
7.1 Nutzung von Softwaresystemen ........................... 47
7.2 GroBenordnung der Startwerte einiger ausgewahlter
Modellparameter ........................................ 50
8 Bewertung der Anpassung von Modellen ................... 54
9 Auslegungsgleichungen zur Hydrodynamik, zum Stoff
und Warmeiibergang und Scale-up von Riihrfermentern
und Blasensaulen ....................................... 57
9.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.2 Definition der dimensioslosen Kennzahlen .................. 58
VIn Inhaltsverzeichnis
9.3 Auslegungsgleichungen .................................. . 58
9.3.1 Hydrodynamik im Rtihrkessel ............................ . 58
9.3.2 Stofftibergang im begasten Rtihrkessel .................... . 61
9.3.3 Warmetibergang im Rtihrkessel und in der Blasensaule ...... . 62
9.3.4 Hydrodynamik in der Blasensaule ........................ . 63
9.3.5 Stofftibergang in der Blasensaule ......................... . 64
9.3.6 Hydrodynamik im Schlaufenfermenter .................... . 64
Literatur - Teil I ............................................. 65
Anhang 1 .................................................... 69
Teil II - Aufgaben und LOsungen -
kLa-Wert nach der dynamischen Methode 77
2 Formalkinetische Analyse des mikrobiellen Wachstums
im Kreislaufreaktor ...................................... 99
3 Rheologische Zustandsgleichung eines Fermentationsmediums. 115
4 Diskontinuierlicher adiabater idealer Rtihrreaktor ........... 124
5 Diskontinuierlicher polytroper idealer Rtihrreaktor .......... 132
6 Stationarer und instationarer isothermer kontinuierlicher
Rtihrreaktor mit Biomassezirkulation ...................... 141
7 Solid-State-Fermentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8 Instationarer kontinuierlicher polytroper idealer Rtihrreaktor
mit Biomassezirkulation ................................. 166
9 Stabilitatsverhalten des kontinuierlichen Rtihrkesselreaktors ... 184
10 Blasenfreie Begasung .................................... 201
11 EinfluB verschiedener Differenzenquotienten
auf Parameterbestimmung beim Monod-Modell 214
12 Integrierte Produktabtrennung
durch einen Kapillarmembran-Modul 232
13 Temperaturabhangigkeit des Wachstums von Pediococcus
acidilactici ............................................. 242
Inhaltsverzeichnis IX
14 Dimensionsanalyse zur Ableitung eines Kennzahlenansatzes
fUr die axiale Riickvermischung im segmentierten
Tower-Type-Fermenter .................................... 252
15 Minimale ProzeBdauer in der Reaktorkombination
idealer Riihrreaktor und nichtlinearer Turmfermenter 265
Anhang 2 .................................................... 295
Sachverzeichnis ............................................... 297
Symbolverzeichnis
Symbole ErkHirung Einheit
A Ausbeute -, 070
AL Flache einer auBermittigen Bohrung im m2
Segmentboden eines Turmfermenters
AR freie Durchgangsflache durch den m2
Segmentboden
AR = n(d~ -d;)/4
Aw wirksame Austauschflache bei Warme- und m2
Stoffubergang
a spezifische Austauschoberflache m2m-3
al Abstand der neutralen Faser des Strombre- m
chers von der Behalterwandung
B BestimmtheitsmaB
B* korrigiertes BestimmtheitsmaB
b Breite eines Strombrechers m
l
c Konzentration kgm-3
c* Sattigungskonzentration des Sauerstoffes in kgm-3
0
der Flussigkeit
cp Spezifische Warmekapazitat bei konstantem J kg-1 K-1
Druck
Cw Widerstandsbeiwert
- fur Strombrecher Cw= 1
- fUr Rohre Cw = 0,45
D Verdunnungsgeschwindigkeit D = 1It S-1
Dax axialer effektiver Diffusionskoeffizient m2 S-I
d1 Reaktorinnendurchmesser m
d2 Ruhrerdurchmesser m
dB mittlerer Blasendurchmesser im ProzeBraum m
bzwo Sauterdurchmesser
dR Innendurchmesser des Segmentbodens m
d aquivalenter Spaltdurchmesser m
sp
dsp = [4/no(ALnL +AR)]
XII Symbolverzeichnis
Symbole Erkliirung Einheit
dw Durchmesser der Riihrwelle m
E Aktivierungsenergie J mol-I
g Erdbeschleunigung ms-2
(LlRH) Metabolische Reaktionsenthalpie Jkg-I
(bzw. Warme)
ho Segmenthohe im Mehrstufenreaktor, m
Fiillhohe (unbegast)
hI RiihrerblatthOhe m
h2 Riihrereinbauhohe bis Unterkante m
h3 Eintauchtiefe des Stromstorers m
h Anzahl der idealen Stufen in einem
q
nichtidealen Reaktor
jv Anzahl der vorhandenen Stufen/Segmentel
KammernlSchiisse in einem nichtidealen
Mehrstufenreaktor
K Konsistenzindex Pasn
KJ Inhibitionskonstante kgm-3
KH Hill-Konstante kgm-3
Kg Monod-Konstante, Sattigungskonstante kgm-3
k Warmedurchgangszahl Jm-2s-1 K-I
kd spezifische Absterbegeschwindigkeit, S-1
Absterbekonstante
kLa volumenbezogener Stoffiibergangs- S-1
koeffizient
kp spezifische Produktbildungsrate S-1
L Gesamtiange aller Hyphen eines m
Myzelbaumes
mg Koeffizient des Erhaltungsstoffwechsels S-1
(Maintenance-Koeffizient)
N Anzahl der Organismen Zellen
NB Anzahl der Riihrblatter
NH Anzahl der Hyphenspitzen (HSp) HSp
Np Anzahl der Pellets Pellets
Ng Anzahl der Strombrecher im Reaktor
Symbolverzeichnis XIII
Symbole ErkHirung Einheit
Drehzahl des Riihrers S-1
n
n FlieBindex
Anzahl der Mole der Komponente j mol
nj
P Leistungseintrag kg m2 S-3
Pr Produktivitat kgm-3 S-1
p Druck Pa
QK Warmedurchgangsstrom J S-1
QR Reaktionswarme Js 1
QR Warmekonzentration Jm-3
QR = QR/(p.· Vd
R·
qj =--1 spezifische Stoffanderungsgeschwindigkeit S-1
ex der Komponente j
R allgemeine Gaskonstante (8,3144)
J mol-1 K-1
R Stoffanderungsgeschwindigkeit kg m-3 S-1
j
der Komponente j
RQS Restquadratsumme Einheit
entspricht
dem Quadrat
der y-
Koordinate
Ro Sauerstoffverbrauchsgeschwindigkeit kgm-3 S-1
rj kinetische unabhangige Teilreaktion i kgm-3 S-1
s~ Reststreuung Einheit
entspricht
der y-
Koordinate
SR mittlere Restabweichung Einheit
entspricht
der y-
Koordinate
t mittlere Verweilzeit s
T Temperatur K
Zeit, allgemein s
tH Homogenisierzeit s