Die Biotechnologie liefert die Grundlagen für eine nachhaltige Herstellung von Produkten zur Versorgung der Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln, Medikamenten und anderen notwendigen Gütern. Um den weltweit steigenden Bedarf an biotechnologischen Prozessen zu realisieren, sind Ingenieurinnen und Ingenieure mit biotechnologischen Kenntnissen erforderlich.
In diesem praxisnahen Buch werden Aufgaben aus den Bereichen Bioreaktoren, Bioreaktionstechnik, Steriltechnik, Scale-Up, Anlagenplanung- und betrieb, Investitions- und Kostenanalyse und Wirtschaftlichkeit exemplarisch gelöst und erlauben dem Leser eine einfache Nachvollziehbarkeit. Zahlreiche Referenzen geben dem Leser außerdem die Möglichkeit zur Vertiefung des erworbenen Wissens und diese Aufgabensammlung stellt damit die perfekte Ergänzung zum Standardwerk "Bioverfahrensentwicklung" von Professor Storhas dar.
Neben einer integrierten Formelsammlung und einer kurzen, praxisorientierten Einführung umfasst das didaktische Konzept eine Einteilung der Aufgaben in unterschiedliche Typen, die exemplarisch und mit Hilfe von Kommentaren und Faustformeln aus der Praxis gelöst werden.
Diese anwendungsbezogene Vertiefung in der Bioverfahrensentwicklung eignet sich besonders für Interessierte im Bereich der Bioverfahrenstechnik und verwandter Disziplinen, Studenten der Ingenieurs- und Naturwissenschaften sowie Verfahrenstechniker.
Professor Winfried Storhas folgte 1991 einem Ruf an die Hochschule Mannheim und war dort bis zu Beginn seines Ruhestands im August 2013 für die Steriltechnik, Bioreaktoren, Bioreaktionstechnik, biotechnische Praktika und die Simulation biotechnischer Prozesse verantwortlich.
Die aktive Arbeitszeit begann für Winfried Storhas 1963 in der MAN in Augsburg inklusive einem halben Jahr in Hamburg an der Deutschen Werft, wo Herr Storhas eine Maschinenschlosserlehre absolvierte und anschließend nochmals 3 Jahre als Maschinenschlosser im Bereich der Dieselmotoren arbeitete.
Danach studierte Herr Storhas erst an der Fachhochschule Augsburg Maschinenbau und anschließend an der Technischen Universität Berlin Verfahrenstechnik. Im Anschluss an das Studium arbeitete er als Verfahrensingenieur in der BASF in Ludwigshafen, erst ein Jahr im Bereich der Abwassertechnik und anschließend 15 Jahre in der Bioverfahrenstechnik. Winfried Storhas hatte die Aufgabe, beim Aufbau der Biotechnologie in der BASF die Belange der Ingenieurtechnik zu vertreten, wobei folgende Aufgaben anstanden: Planung, Aufbau und Inbetriebnahme von biotechnologischen Labors inklusive eines Technikums sowie die Entwicklung biotechnologischer Prozesse vom Labor bis zur Produktion. Des Weiteren gehörte auch die Betreuung von Anlagen zu seinen Aufgaben.
Seit 1990 ist Herr Storhas im Dechema-GVC-Fachausschuss Bioverfahrenstechnik.
Vorwort XI
Formelzeichenerklärung XV
Indizes XIX
1 Ergänzende Theorien 1
1.1 Bedeutung des Leistungseintrags Methoden zur Bestimmung 1
1.1.1 Standard und klassische Methoden 1
1.1.2 Wärmebilanz und Schnittpunktmethode aus Temperaturmessungen 2
1.2 Kritische Toträume aus Sicht der Sterilisation 5
1.2.1 Sterilkonstruktionen aus Sicht des Sterilisierens 5
1.2.2 Praktische Bedeutung realer Konstruktionsdetails 7
1.3 Auslegungsroutine eines Sterilisationsprozesses 9
1.3.1 Einleitung 9
1.3.2 Ermittlung des Sterilisationskriteriums 11
1.3.3 Ermittlung eines Mediumskriteriums 14
1.3.4 Sterilisationsarbeitsdiagramm 17
1.3.5 Umsetzung in kontinuierlich betriebene Sterilisationsanlagen 21
1.4 Spezielle Betrachtungen zum Sauerstoffsignal 23
1.4.1 Sauerstoffsignal (Partialdruck, Gelöstkonzentration) 23
1.4.2 Methode zur Bestimmung des Henry-Koeffizienten 30
1.5 Erweiterung der Zweifilmtheorie 35
1.5.1 Basis 1. Ficksches Gesetz 35
1.5.2 Erweiterte Gedanken zur kL a-Bestimmung 43
1.5.3 Dynamische Methode 45
1.6 Auswahl eines Bioreaktors Update 48
1.6.1 Kurzfassung der Auswahlroutine 48
1.6.2 Reaktorvolumen 50
1.7 Besonderheiten zur Gasbilanzierung 50
1.7.1 Einleitung 50
1.7.2 Angabe der Begasungsrate 50
1.7.3 Gasbilanzierung 52
1.8 Modellierung und Simulation von Betriebsweisen 57
1.8.1 Allgemeine Betrachtungen 57
1.8.2 Modellaufbau 58
1.8.3 Modellierungsgrundlagen 59
1.9 Modellierung der synchronisierten Parallelfermentation für den Scale-up 63
1.9.1 Einleitung 63
1.9.2 Parameterblockbildung (Systematik, Probleme, Grenzen, Gegenläufigkeit, Bewertung, Zusammenstellung) 64
1.9.3 Synchronisierte Parallelfermentationen 65
1.9.4 Symbiose von Simulation und synchronisierter Parallelfermentation 68
1.9.5 Simulationsmodell in Berkeley-MADONNA® 70
1.10 Konzeption einer Anlagenplanung 74
1.10.1 Allgemeine Betrachtungen 74
1.10.2 SuperPro Designer® 74
2 Rechenaufgabenmanagement und Aufgabentypen 77
2.1 Beschreibung der Aufgabentypen 77
2.1.1 Bioreaktoren 77
2.1.2 Bioreaktions- und Bioverfahrenstechnik 85
2.2 Problemmanagement 117
2.2.1 Lösungsstrategien 117
2.2.2 Vorgehen bei der Formulierung einer Aufgabenstellung 119
2.2.3 Vorgehen bei der Lösung einer Aufgabenstellung 119
2.3 Vorgehensweise bei der Aufgabenbearbeitung 120
2.3.1 Isolation der gegebenen Größen 120
2.3.2 Herausarbeitung der gesuchten Größen 121
2.3.3 Lösungen und Interpretation der Ergebnisse 121
3 Aufgabenthemen 123
3.1 Bioreaktorauswahl und Konstruktionsdetails 123
3.1.1 Auswahl eines geeigneten Bioreaktors 123
3.1.2 Kritische Stellen im Sterilbereich 124
3.1.3 Dichtigkeit unter dem Aspekt der Steriltechnik 126
3.1.4 Beurteilung von Sterilkonstruktionen 128
3.1.5 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.1.1 bis 3.1.4 131
3.1.6 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.1.1 bis 3.1.4 137
3.2 Wärmetechnische Betrachtungen 143
3.2.1 Abgaskühlung (Wärmeaustausch allgemein) 143
3.2.2 Wärmeaustausch unter dem Aspekt des Scale-ups 145
3.2.3 Wärmetausch und Scale-up Lösungsansätze 146
3.2.4 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.2.1 bis 3.2.3 147
3.2.5 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.2.1 bis 3.2.3 152
3.3 Wirbelschicht 156
3.3.1 Auslegung einer Wirbelschicht mit Carrier 156
3.3.2 Auslegung einer Wirbelschicht mit Fibra-Cel®-Disc 157
3.3.3 Auslegung einer Wirbelschicht mit dem Reh-Diagramm 159
3.3.4 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.3.1 bis 3.3.3 162
3.3.5 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.3.1 bis 3.3.3 168
3.4 Sterilisation 174
3.4.1 Beweisführung der Steigung 174
3.4.2 Sterilisation: Vergleich chemisch Hitze 176
3.4.3 Sterilisation: Vergleich Batch und KONTI 179
3.4.4 KONTISTER: Rohr oder Wendel 180
3.4.5 Mediumssterilisation Durchflusssterilisation ideal und real 182
3.4.6 Titerreduktion von Viren 183
3.4.7 Sterilisation bei realem Temperaturverlauf 184
3.4.8 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.4.1 bis 3.4.7 187
3.4.9 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.4.1 bis 3.4.7 201
3.5 Messtechnische Effekte 218
3.5.1 Bewertung des Sauerstoffsignals und Bestimmung des Henry-Koeffizienten 218
3.5.2 Onlinebestimmung von Milchsäure 220
3.5.3 Bestimmung eines Limitierungszustandes für Sauerstoff 223
3.5.4 Leistungsberechnung 225
3.5.5 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.5.1 bis 3.5.4 227
3.5.6 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.5.1 bis 3.5.4 234
3.6 Fermentation 246
3.6.1 Auslegung einer Fermentation 246
3.6.2 Auslegung und Entsorgung 248
3.6.3 Stofftransport mit Begasungsrate 250
3.6.4 Fermentation und Biomassegewinnung 251
3.6.5 Stofftransport OTR = OUR, Diffusionskoeffizient bestimmen 252
3.6.6 Wirkstoffherstellung mit einem Pilz in Blasensäule Scherung 254
3.6.7 Fermentation im Spiegel des Scale-ups 256
3.6.8 Vom Schüttelkolben in die Produktion Hilferuf aus dem Labor 257
3.6.9 Mischgüte und Scherung bei pH-Wert-Kontrolle 259
3.6.10 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.6.1 bis 3.6.9 261
3.6.11 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.6.1 bis 3.6.9 276
3.7 Aufarbeitung Down-Stream-Processing 289
3.7.1 Reinigung durch Auswaschen 289
3.7.2 Abtrennung von Ethanol aus wässrigem Medium (Wasser) 291
3.7.3 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.7.1 und 3.7.2 294
3.7.4 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.7.1 und 3.7.2 297
3.8 Modellierung 303
3.8.1 Simulation von Batch Fedbatch KONTI 303
3.8.2 Symbiose von Simulation, SPF und Scale-up einer Fermentation 314
3.8.3 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.8.1 und 3.8.2 316
3.8.4 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.8.1 und 3.8.2 332
3.9 Anlagenplanung 343
3.9.1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der -Galactosidaseherstellung 343
3.9.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines Vakuumprozesses zur Ethanolherstellung 346
3.9.3 Lösungsebene 1 zu Abschn. 3.9.1 und 3.9.2 347
3.9.4 Lösungsebene 2 zu Abschn. 3.9.1 und 3.9.2 368
3.9.5 Tierische Bioverfahrenstechnik Der BioVT-Zoo 380
Anhang A Formelsammlung 385
A.1 Leistungsberechnung, Mischzeitcharakteristik und Kräfte ( Einheiten siehe Formelzeichenerklärung am Anfang des Buches) 385
A.2 Volumen- und Flächenberechnungen (Längen Flächen Volumen) 386
A.3 Stofftransportvorgänge, -geschwindigkeit Wärmetransport 389
A.4 Reaktion, Kinetiken, Umsatz 391
A.4.1 Volumen und Reaktionskinetiken 391
A.4.2 Sterilisationskriterien, Mediumskriterium 393
A.4.3 Monod-Kinetiken 393
A.5 Bilanzgleichungen: Umsatz, Ausbeute, Selektivität 393
A.6 Feuchte Luft und andere Stoffdaten 394
A.7 Verweilzeitverteilung 395
A.8 Wirbelschicht 396
A.9 Enzymkinetik Hemmtypen 398
A.10 Dichtigkeit 398
A.11 Übertragungsregeln Scale-up-Regeln 399
A.12 Allgemeine mathematische Regeln 399
A.13 Kennzahlen und Sonstiges 399
A.14 Kostenschätzung Wirtschaftlichkeit 400
A.15 Konstanten 401
Anhang B Hilfsmittel 403
B.1 Nomogramm zur Ermittlung des Kontaminationsfaktors 403
B.2 Unterteilung von Bioreaktoren 404
B.2.1 Bioreaktorgruppe 1 pneumatisch und hydraulisch betrieben 404
B.2.2 Bioreaktoren 2 hydraulisch und mechanisch betrieben 405
B.3 Tabelle der Einsatzbereichsmöglichkeiten der zwölf Bioreaktoren 406
B.4 Kritische Stellen 407
B.5 Widerstandsbeiwert an einer umströmten Kugel 408
B.6 Dampfdruckkurve 409
B.7 Reh-Diagramm zur Auslegung einer Wirbelschicht 410
B.8 Mollier-Diagramme 411
B.9 Schüttelkolben Becherglas 413
Anhang C Ergänzende Hinweise 415
C.1 Theorie (zu Kapitel 1) 415
C.2 Sterilisation 418
C.3 Modellierung und Simulation 420
C.3.1 Simulation Batch 420
C.3.2 Fed-Batch 421
C.3.3 KONTI (A) 426
C.3.4 KONTI (B) (CSTR Steady-State) 427
C.4 Löslichkeit von Gasen in Wasser u. ä. 429
C.5 Dampftabelle 430
C.6 Faustwerte Standardwerte Erfahrungswerte 430
Literatur 433
Stichwortverzeichnis 437
