Biotechnologie - Springer978-3-642-78917-5/1.pdf · Fur Studenten der Biotechnologie, der...
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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
vormals
F achbereich Chemieingenieurwesen / Verfahrenstechnik GrofJenhainer StrafJe 57 01968 Senftenberg
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 Einstieg in Seminare, Praktika, die Diplomphase oder Forschung erschweren.
Wahrend es auf den Gebieten der Verfahrenstechnik, chemischen Verfahrenstechnik 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 ausgewahlten Fragestellungen.
Die Zieistellung des vorliegenden Buches besteht darin, den Studenten der Fach- und Vertiefungsrichtungen Bioverfahrenstechnik, Technische Mikrobiologie 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 Probiemstellungen zum Stoff transport, zur Formalkinetik, Dynamik und Stabilitat. Sie sind durch Abbildungen und TabeIlen, Kommentare und Hinweise gestUtzt, 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 Verfassers 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 Erarbeitung 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 Stoffund Warmeiibergang und Scale-up von Riihrfermentern und Blasensaulen ....................................... 57
9.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 9.2 Definition der dimensioslosen Kennzahlen .................. 58
VIn Inhaltsverzeichnis
9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6
Auslegungsgleichungen .................................. . Hydrodynamik im Rtihrkessel ............................ . Stofftibergang im begasten Rtihrkessel .................... . Warmetibergang im Rtihrkessel und in der Blasensaule ...... . Hydrodynamik in der Blasensaule ........................ . Stofftibergang in der Blasensaule ......................... . Hydrodynamik im Schlaufenfermenter .................... .
58 58 61 62 63 64 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
12
EinfluB verschiedener Differenzenquotienten auf Parameterbestimmung beim Monod-Modell
Integrierte Produktabtrennung durch einen Kapillarmembran-Modul
214
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 m2 m-3
al Abstand der neutralen Faser des Strombre- m chers von der Behalterwandung
B BestimmtheitsmaB
B* korrigiertes BestimmtheitsmaB
b l Breite eines Strombrechers m
c Konzentration kgm- 3
c* 0 Sattigungskonzentration des Sauerstoffes in kgm- 3
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
dsp aquivalenter Spaltdurchmesser m dsp = [4/n o (A L nL +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
hq Anzahl der idealen Stufen in einem nichtidealen Reaktor
jv Anzahl der vorhandenen Stufen/Segmentel KammernlSchiisse in einem nichtidealen Mehrstufenreaktor
K Konsistenzindex Pasn
K J Inhibitionskonstante kgm-3
KH Hill-Konstante kgm-3
Kg Monod-Konstante, Sattigungskonstante kgm-3
k Warmedurchgangszahl Jm- 2 s- 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
N g Anzahl der Strombrecher im Reaktor
Symbolverzeichnis XIII
Symbole ErkHirung Einheit
n Drehzahl des Riihrers S-1
n FlieBindex
nj Anzahl der Mole der Komponente j mol
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 j Stoffanderungsgeschwindigkeit kg m- 3 S-1
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
XIV Symbolverzeichnis
Symbole
tL
Erkliiruog
Dauer der lag-Phase
tw
Ui
v
v
w
Yo
Zeit bis zum Wendepunkt der Wachstumskurve
Umsatz bezogen auf Substrat i
Volumen
Reaktionsvolumen
Gasdurchsatz
Volumenstrom
Variationskoeffizient
Leerrohrgeschwindigkeit
Ertragskoeffizient bezogen auf Produkt j und Substrat i
Ertragskoeffizient fUr reines Wachstum
1 YxlQ = (,,1 R H) Warmebildungskoeffizient
z Anzahl der Riihrer
Iodizes
0 Anfangswert; unbegaster Zustand B begaster Zustand G Gas Gis reines Wachstum h Laufzahl
Reaktionspartner, laufende Zahl j Reaktionsprodukt, laufende Zahl L Fliissigkeit max maximal N Organismenzahl n,N Laufzahl 0 Sauerstoff P,p Produkt p Druck, konstant S,s Substrat v vorhanden X,x Gesamtzellmasse xv Lebendzellmasse xd Totzellmasse
Einheit
s
s
-,0,10
m3
m3
m3 S-1
m3 S-1
Symbolverzeichnis XV
Dimensionslose Kennzahlen
BW=c N b,h3 W S d, d,
Bo = who Dax
BoL = wad, Dax
Fr= n 2 d2
g
w~ Fra=
gd2
Ga =gd~ v2
P Ne=-
en3 d~
Q'= VL
nd~
Va Q=-d3
n 2
Pe= wd D
Bewehrungskennzahl
Bodenstein-Zahl der fliissigen Phase (in Einphasen-Flussig-Stromung)
Bodenstein-Zahl der flussigen Phase (in Gas/Flussig-Stromung)
Froude-Zahl des Ruhrers
Froude-Zahl (Gasdurchsatz)
Gallilei-Zahl des Ruhrers
Graetz-Zahl
Flussigkeitskennzahl
HomochroniUitszahl, Durchmischungskennzahl
Morton-Zahl, N Mo = Ga·Z = 1IKF (reziproke Flussigkeitskennzahl)
Strouhal-Zahl
Newton-Zahl, Leistungskennzahl
Durchsatz-Kennzahl (Flussigkeit)
Begasungs-Kennzahl, Beluftungszahl Ruhrergasbelastung
Peclet-Zahl
Prandtl-Zahl
XVI Symbolverzeichnis
ReG = wGdZ
VL
wd Re=-
v
Re = nd~ v
v Sc=
D
a St=---
We = {!d~nZ a
Reynolds-Zahl (Gasdurchsatz)
Reynolds-Zahl der Rohrstr6mung
Reynolds-Zahl des Riihrers
Schmidt-Zahl
Stanton-Zahl
Weber-Zahl
Ohnesorge-Zahl, Z = We 112/ Re
Dimensionslose Kennzahl allgemein
Abkiirzungen (fUr ideale Reaktoren)
BSTR Batch stirred tank reactor - diskontinuierlicher idealer Riihrreaktor
CSTR Continuous stirred tank reactor - kontinuierlicher idealer Riihrreaktor
PFR
CPFR
Plug flow reactor - idealer Rohrreaktor
Continuous plug flow reactor - kontinuierlicher idealer Rohrreaktor
(R) With Recirculation - Mit Rezirkulation
Griechische Symbole
a = VR Riickfiihrverhaltnis V
a
a
mittlere spezifische Rate des Spitzenwachstums
Warmeiibergangskoeffizient
(J = cxR Biomasseriickfiihrverhaltnis Cx
(J = ~R inneres Riickstromverhaltnis durch axiale V Riickvermischung zwischen den Segmenten
ms- I HSp-1
W/(mzK)
Symbolverzeichnis XVII
{J' = .jv Zahl der realen Stufen pro idealem Segment Jaq ohne Riickstrom {J = 0
(J
y
J
mittlere spezifische Verzweigungsrate
Deformationsgeschwindigkeit
laminare Filmdicke
ea Gasanteil
Yf
e A
f1
v
v
n
a
dynamische Viskositat
Temperatur
Warmeleitfahigkeit
spezifische Wachstumsgeschwindigkeit
spezifische Zellvermehrungsgeschwindigkeit (Rate)
kinematische Viskositat
Dichte
spezifische Produktbildungsgeschwindigkeit (qp)
Grenzflachenspannung
a Kohlenstoffanteil
spezifische Substratverbrauchsgeschwindigkeit (qs)
spezifische Sauerstoffverbrauchsgeschwindigkeit
Schubspannung
Sonderzeichen
Kennzeichen fUr gemessene Werte
Kennzeichen fUr berechnete Werte
m
W/(mK) S-I
S-I
m2 s- 1
kgm- 3
S-I
N/m