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LBT - Lebensmittel und Biotechnologie • Thema anzeigen - Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 24.10.2014, 12:12 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 20.11.2010, 16:48
Beiträge: 59
So Sarah und jetz mein Senf zu deinem Bsp :)

a) Charakterisieren
Würde zuerst mal ablesen: X0, X1, V0, V1, t (oder auch x, je nachdem was aufgetragen is)
*) X1 = X0*exp(µt) -> daraus µ berechnen -> man kann jedem Zeitpunkt ein X zuordnen
*) V1 = V0*exp(dt) -> daraus d berechnen -> man kann jedem Zeitpunkt ein V zuordnen
*) von V(t) und X(t) kannst du zu jedem Zeitpunkt auch eine Konzentration x bestimmen
*) t für die oberen Rechnungen aber ganz allgemein wie lang dauert die Suppe
*) Generationszeit tg aus X1 = 2X0 = X0*exp(µ*tg) -> tg = ln(2) / µ
*) Zahl der Generationen n = Prozesszeit / Generationszeit = t / tg

b) O2-Limitierung
OTR = Qo = qox = 3kgO2/m3*h nach qo umstellen.
Doran 2.Aufl.: Eq10.42 x(max) ausrechnen und mit dem End-x aus dem Diagramm vergleichen. (da sollte noch ein kla gegeben sein.., wenn nicht siehe oben). C* kommt aus Henry: C* = pO2/H, wobei man die Henry-Konstante zb auf S.410 findet.
Wenn x(max) > x(end) dann ist es nicht O2 limitiert.

c) C-Balance aufstellen
Dazu brauchst du alles mögliche, wo halt irgendwo C herumschwimmt.
*) Biomassezusammensetzung (zb. aus der Reaktionsgleichung des Prozesses, bzw. aus der Literatur) wie am 10.10. in der VO und Menge der Biomasse (am einfachsten Probe -> trocknen -> wiegen)
*) CO2 im Offgas über einen CO2 Sensor (Unterlagen)
*) C-Quelle, die vlt etwas mehr vorhanden ist oder aus irgendeinem Grund vlt nicht ganz aufgebraucht wurde
*) By-Products, wie zb EtOH, org. Säuren etc. -> würde ich in der HPLC messen, oder falls vorhanden mit Sensoren
*) Zelllysat, das in den Überstand geht -> würde ich auch einfach durch trocknen bestimmen, bin mir aber nicht sicher
*) über den TOC könnte man noch Protein-C bestimmen [TOC(Suppe) - TOC(Überstand)] = Protein-C

d) Feed-strategy
Ganz allgemein gibts exponentiell und linear. Bei kleinen Mengen auf jeden Fall durch Waage kontrolliert weil todesgenau des Todes. Bei größeren Mengen gehts auch mit Durchflussmessern.
*) linearer Feed - die [S] im Feed bleibt immer gleich, wodurch die µ sinkt -> Substrat ist limitierend weil Monod-Kinetik gilt µ = µ(max)*[S]/(Ks+[S]). Der [S] Term ist nicht 1 und damit µ nicht gleich µ(max). Dann könnte man noch dazu sagen, dass bei kleinem Ks die Substrataffinität sehr hoch ist.
*) exponentieller Feed - µ ist ca. µ(max) weil der [S] Term ungefähr 1 ist bei hohem [S]. Wenn man exponentiell arbeitet wird immer mehr [S] zugeführt, wodurch man auch kurzzeitig Gradienten im Fermkübel erhält, die widerum zu By-Product Bildung führen können und zb den Y(x/Glc) senken können. Durch das schnelle Wachstum kanns auch eventuell zu O2 Engpässen ein Teilen vom Kübel kommen.
*) man könnte auch beide Strategien kombinieren (am Anfang linear, dann exp. oder umgekehrt)

Wenn ich was vergessen hab oder hier was falsch ist bitte korrigieren :)


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 25.10.2014, 06:45 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 29.11.2010, 09:03
Beiträge: 41
Man- vielen vielen Dank, dass du beim ihm warst du das Bsp. hier postest!!

Jetzt hab ich noch eine Frage- und zwar gibt es ja dieses Bsp: Sie wollen 2 Tonnen Biomasse produzieren (E.coli)- Wieviel Glukose und wieviel Sauerstoff benötigen sie?

bei mir kommt da folgenden raus: Glukose ca 2444 Tonnen

Nur beim Sauerstoff bin ich mir recht unsicher: Ich rechne es eigentlich nach der Formel für den theoretical Oxygen Demand: Doran neu: seite 123- weil in der Doran ein ähnliches Bsp genauso gerechnet wurde...

da kommen bei mir 45kg O2 für die Umsetzung von 2440 t Glukose raus... stimmt das?

Ich hab die Rechnung schon anders gesehen- und zwar nehmen manche Studenten einfach einen Y(o/x) von 1.7 an und bekommen dann ca 800 kg O2 raus...

Meine Frage ist nun- was von den beiden stimmt?

glg lalelu


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 25.10.2014, 09:33 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 20.11.2010, 16:48
Beiträge: 59
Also ich würde das BiomasseBsp so angehen:

gegeben:
X = 2t = 2000 kg und das X = E.coli sein soll
M(Glc) = 180 kg/kmol

Annahmen und raussuchen:
*) Ich nehm jetz mal an Yx/glc ~ 0,5 kg/kg (aus der VO, müsste auch iwo in den Grundlagen zur BPT stehen)
umgerechnet auf molaren: 3,6 kmol/kmol
*) N-Quelle ist NH3 -> macht Sinn wegen pH Kontrolle, weil E.coli sich ja totsäuert
*) Alles C-quellige geht in die Biomasseproduktion (keine Nebenprodukte)
*) M(X) = 24,97 kg/kmol (Biomasseformel für E.coli auf S.118 (2.Afl.))

ausrechnen:
Jetzt würd ich das ganze über die allgemeine Biomassegleichung rechnen (das mit den Koeffizienten S.116)

Allein für Glucose bräuchte man das nicht weil Yx/s = 0,5 kg/kg
Wenn ich 2000 kg will brauch ich also logischerweise 4000 kg Glucose (kann man auch als Probe für die vollständige RG verwenden)

Nach RG lösen sind die Koeffizienten:
1Glucose + 2,33O2 + 0,86NH3 -> 3,60Biomasse + 2,40CO2 + 4,10H2O

Über die Stoichiometrie weißt du jetzt
1kmol Glc produziert 3,60kmol Biomasse
? kmol Glc .............. 80,1kmol Biomasse (aus n=m/M = 2000/24,97)

n(Glc) = 22,25 kmol = 4004,8 kg Glc - passt

O2 genauso und es kommt raus 1659 kg O2

Bei der Biomassemolmasse könnte man jetzt noch 5% wegen der Asche draufschlagen, was ich mir jetzt aber gespart hab, aber näher an der Realität liegen würde. Außerdem ist das wirklich der Minimalbedarf an Glc und O2. Wenn man das zufüttert, gibts ja kurzzeitige Gradienten, die den E.coli auch mal zum Metaboliten bauen zwingen (bilde mir jedenfalls ein, das so verstanden zu haben).

Ergebnis:
Für 2t E.coli Biomasse braucht man minimal 4000 kg Glucose und 1659 kg Sauerstoff, wenn man einen Yx/s von 0,5 kg/kg annimmmt und NH3 als N-Quelle verwendet.

Bin mir nicht 100% sicher aber ich würde es bei der Prfg wohl so hinschreiben (und hoffentlich nicht durchfalln)


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 25.10.2014, 15:59 
Eprouvettenschüttler/in
Eprouvettenschüttler/in

Registriert: 07.01.2008, 16:21
Beiträge: 117
Erstmal ein großes Danke, dass du bei ihm warst :) und gleich die nächste Frage beantwortet hast! Er rät also dazu, µ über die Massen anstatt über die Biomassekonzentration auszurechnen - gut zu wissen - aber haben wir das bis jetzt im Studium nicht immer mit der Biomassekonzentration gemacht?

Es gibt aber noch so ein Beispiel:

Bis zu welcher Biomassekonzentration kann eine Fed Batch Kultur geführt werden, ohne dass O2-Limitierung eintritt? Berechnung für zwei verschiedene Wachstumsraten. Angaben:

kla=800 1/h
O2 Sättigung 30 %
Ausgangsbiomasse 2g/l
Startvolumen 5 Liter, Endvolumen 12 Liter
μ1=0,1 1/h, μ2=0,2 1/h
spezifischer O2 Bedarf 1,6 gO2/gBTS
Annahme: O2 Sättigung bei 30°C 7 mg/l

Wenn ich mir hier wieder die Endbiomassekonzentration ausrechnen will um sie mit xmax zu vergleichen, steh ich ein wenig an...?


Zu Sarahs Beispiel: Den Sauerstoffverbrauch kann man auch über die Formel 4.20 (Seite 122 in der 2. Auflage) aus dem Doran berechnen:

a = 0,25*(w*ys-c*yb) "in absence of product formation"
a = 0,25*(6*4 - c*4,07)

w ist die Anzahl an C-Atomen im Substrat (C6H12O6), ys bekommt man aus table 4.12 (Seite 125), yb aus table 4.11) und c kann man sich entweder als cmax ausrechnen falls man die maximale Biomassekonzentration berechnet (Gleichung 4.23 Seite 124), oder über den Yield, dann muss man ihn einfach in mol/mol umrechnen, das Molgewicht von E.coli hast du ja schon mit 24,97 g/mol. Laut Doran gilt:

Yx/s = c
0,5g X pro 1g Substrat entsprechen 0,5/24,97=0,02mol X (und 1/180= 0,0055mol Glucose).

c = (0,5/24.97)*180 = 3,6
a = 0,25*(6*4 - 3,6*4,07) = 2,337 d.h. ich brauche 2,337mol O2 für 1mol Glucose. Da wir 4000kg (22,2kmol) Glucose verwenden, brauchen wir 2,337*22,2kmol = 51,9kmol und somit 1660kg Sauerstoff.

Ps: Das witzige an cmax ist, dass der Sauerstoffbedarf mit höherem Yield extrem sinkt. Bei Yx/s = 0,82 wäre er bei ca. 45kg.


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 26.10.2014, 12:03 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 13.10.2007, 16:07
Beiträge: 41
@chrisz:
Vielen Dank für's Nachfragen! :)

Ich habe allerdings eine Frage zur Glucose und Sauestoff Berechnung für die 2000 kg E.coli.

Mir ist alles klar, bis es zum Berechnen der Koeffizienten kommt.
Wir haben 5 Koeffizienten, aber nur 4 Gleichungen + die RQ. Aber RQ ist hier nicht gegeben, soll man die einfach annehmen? Weil sonst kann ich ja die 5 Variabeln mit 4 Gleichungen nicht bestimmen.

@Lycaon:
bei dem Beispiel steh ich auch an.
Meines Erachtens fehlt hier die Endzeit des Prozesses, weil ich sonst nicht auf die erreichbare X1 komme um weiters xmax ausrechnen zu können.


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 26.10.2014, 17:46 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 20.11.2010, 16:48
Beiträge: 59
Also die allgemeine wär:
C-Quelle + Sauerstoff + N-Quelle -> Biomasse + CO2 + Wasser

Für das Bsp
C6H12O6 + aO2 + bNH3 -> cBiomasse + dCO2 + eH2O

Wenn du den Massenyield Yx/s in den Molyield Yx/s umrechnest kommt wie oben raus: Yx/glc(m) = 0,5 kgX/kgGlc = 3,60 kmolX/kmolGlc
bedeutet: 1kmol Glc produziert dir 3,60 kmolX -> c muss 3,60 sein.
Die Biomasseformel is ja aus dem Doran bekannt und muss nur eingesetzt werden.

Damit sind a, b, d, e unbekannt. Du hast 4 Bilanzen für C, H, N, O.
Das reicht ;)

Mit dem andern Bsp spiel ich mich morgen damit mir am Nachmittag nicht fad wird.


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 26.10.2014, 19:03 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 13.10.2007, 16:07
Beiträge: 41
Haha, danke, ich bin ein bemmal ^^

Wegen des zweiten Bsps: in den Folien, die auf Seite 1 verlinkt sind, steht:
q0 = mu * Yo/x
Damit hab ich q0, aber setzte ich das jetzt in die xmax Formel, oder in die OTR = q0 * X Formel ein?


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 13:00 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 29.11.2010, 09:03
Beiträge: 41
Hallo,

Ich hab auch noch eine Frage zu einem Bsp:

S.cerevisia ächst mit 1 kg Glukose oder Ethanol als Substrat- was ist die maximale Biomassekonzentration- wiviel sauerstoff benötigen sie dafür- wen die Endbiomassekonzentration 250 kg/m³ beträgt- kann genügend Sauerstoff gelöst werden?

Ich hab hab eigentlich eh schon alles berechnet:

Wenn ich mit Cmax rechne:
Biomasse: Glukose: 0.8kg
Biomasse: Ethanol: 1.5 kg

Ok aber wie ist die letzte Frage zu verstehen, die mit Sauerstoff- bzw was macht man da?


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 13:47 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 13.10.2007, 16:07
Beiträge: 41
Das ist eine gute Frage.
Wenn ich nämlich cmax (2.9 für EtOH und 5.8 für Glu) in die Formel
a = 1/4 * (w*ys - c*yb)
einsetze, kommt nichts sinnvolles raus.
Also dürfte der Hund bereits früher wo begraben liegen :-/


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 15:45 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 29.11.2010, 09:03
Beiträge: 41
Hallo Thomas,

Ja, ich nehme an du sprichst vom O2? kommen bei uns auch sehr seltsame sachen raus nämliche:

Für Glukose: 0,8g
Für ethanol : 0 gramm- also ich verbrauche keinen sauerstoff

ich hab keine anhung, wass man da machen soll- wie wäre es wenn wir sagen da es ja hefe ist- die fermentation läuft anaerob- müsste eigentlich passen- je höher der yield desto anaerober...

passt das ? Hieeeeeelfe?


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 19:43 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 06.01.2011, 13:54
Beiträge: 23
guten Abend,

die Prüfungsfrage gibt es auch in einer etwas anderen Form, wo noch ein Yx/s gegeben ist mit 0,5 - ich denke für den 2. Teil der Fragestellung braucht man diese Info

wenn ich z.B. für Glc ansetze

über a =.. Formel komme ich auf 2,5 mol O2/ mol S

aus Angabe weiters eine Endbiomasse von 250 kg:
0,5 kg BM...1 kg Glc
250 kg...x
x= 500 kg Glc, das sind 2,8 kmol Glc

man braucht 2,5 kmol O2 / kmol Glukose

also braucht man für 2,8 kmol ... 6,9 kmol O2

was 222,2 kg O2 sind..

cmax gilt ja nur in Abwesenheit einer Produktbildung

ohne die Angabe des Yields müsste man sich halt dann über die normale Bilanzierungsgleichung mal c über die Stöchiometrie berechnen etc.

lg Fiona


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 20:14 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 29.11.2010, 09:03
Beiträge: 41
Hallo Fiona, vielen Dank für die Antwort

Ich habs jetzt nicht ganz verstanden... wie kommst du auf a? mit der oberen Formel?- weil mit der a=1/4.... müsste eigentlich das gleiche rauskommen wie bei mir- Oder machst du es über die Bilanz und rechnest "C" mit dem Yx/s= 0.5 yield aus?

Sauerstoff könnte ich auch berechnen... sind halt bei uns nur 250gO2- nur was meint er mit- kann man genug lösen? ich hab weder ne kla, noch qo... irgendwie muss da was fehlen...

lg michi


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 21:13 
Versuchskaninchen
Versuchskaninchen

Registriert: 06.01.2011, 13:54
Beiträge: 23
über die Formel komm ich auf
a = w*gammas - c*gammaB = 0,25 * (6*4)-(3,65*4,2) = 2,2 mol O2/mol Substrat

und das c hab ich aus dem molaren Yield sozusagen

also Yx/s = 0,5 g/g (aus Angabe)
c = 0,5*180/24,6 = 3,65 mol/mol

aber kein Plan, ob das so stimmt

ja bezüglich der Lsk von O2 fehlt auf alle Fälle eine Angabe!

lg


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 Betreff des Beitrags: Re: Kann mir jemand bei dieser Prüfungsfrage helfen?
 Beitrag Verfasst: 27.10.2014, 21:41 
Eprouvettenschüttler/in
Eprouvettenschüttler/in

Registriert: 07.01.2008, 16:21
Beiträge: 117
Wenn man das "c" in der a-Formel aus dem Yield nimmt, kommt natürlich was anderes raus als wenn man cmax nimmt :)
Diese kleinen Werte für den Sauerstoff stimmen aber mit ziemlicher Sicherheit, denn wenn ich es über die Reaktionsgleichung bilanziere, kommt für den Koeffizienten von Sauerstoff bei einem hohen Yield (0,8 und höher) ebenfalls eine sehr kleine Zahl raus, bzw. falls er zu hoch angesetzt wird eine negative. Deutet beides darauf hin, dass mit steigendem Yield weniger Sauerstoff benötigt wird, anders kann ich es mir nicht erklären. Beide Rechenwege sollten richtig sein.

Bei der Bilanzierung komme ich auf einen maximalen Yield von Yx/s = 0,8180180180... oder als c = 5,89680... (entspricht haargenau cmax) - bei diesem Wert wird der Sauerstoffkoeffizient a gleich Null, darüber negativ.

Ein Vergleich: Yx/s = 0,80

Über die Bilanzierung ergibt sich ein Wert von a = 0,132molO2/1molGlucose
Über die a-Formel ergibt sich ein Wert von a = 0,132molO2/1molGlucose


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