Auslegung geschüttelter Bioreaktoren für hochviskose und hydromechanisch empfindliche Fermentationssysteme

Peter, Cyril Patrick; Büchs, Jochen

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-18570

Auslegung geschüttelter Bioreaktoren für hochviskose und hydromechanisch empfindliche Fermentationssysteme = Design of shaken bioreactors for fermentation systems with elevated viscosity and hydromechanical sensibility

Peter, Cyril Patrick (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Cyril Patrick Peter

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang237 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-08-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18570
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61746/files/Peter_Cyril.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fermentation (Genormte SW) ; Schüttelkolben (Genormte SW) ; Viskosität (Genormte SW) ; Sauerstoffversorgung (Genormte SW) ; Hydrodynamik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Bioprozess (frei) ; Mikrotiterplatte (frei) ; Scherrate (frei) ; Strukturviskosität (frei) ; Hydromechanische Belastung (frei) ; bioprocess (frei) ; shake flask (frei) ; microtiterplate (frei) ; shear rate (frei) ; hydromechanical stress (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Biotechnologische Produktionsverfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die Produktpalette reicht von Bulkchemikalien im Tonnenmaßstab zu pharmazeutischen Präparaten im Mikrogrammmaßstab. Deren Herstellung wird durch biotechnologische Verfahren entweder überhaupt erst möglich oder kostengünstiger und nachhaltiger. In der Entwicklungsarbeit biotechnologischer Verfahren stellt das Screening nach verbesserten Stämmen oder Medien einen fundamentalen Teil dar. Dabei spielen geschüttelte Reaktoren wie Schüttelkolben sowie Mikrotiterplatten eine wesentliche Rolle. Die Entwicklungsarbeit setzt dabei geeignete, reproduzierbare und kontrollierbare experimentelle Bedingungen voraus. Für Schüttelkolben können bislang die Beschreibungen einiger typischer verfahrenstechnischer Operationen genutzt werden, um nicht-limitierende Prozessbedingungen auszulegen. Eine besondere Herausforderung stellen Prozesse mit erhöhter Viskosität dar. Dabei kann es zu Limitationen des Impuls-, Stoff- oder Wärmetransportes kommen. In geschüttelten Reaktoren kann außerdem das Außer-Phase Phänomen auftreten, welches das Screening in eine völlig ungewollte Richtung führen kann. Ferner sind hydromechanisch empfindliche Bioprozesse problematisch, in denen Öle, Säuger-, Pflanzen- oder filamentös wachsende Zellen genutzt werden. In solchen Prozessen treten bei der Übertragung der im Screening gewonnenen Erkenntnisse auf den Rührreaktor häufig Probleme auf. Die vorliegende Arbeit befasst sich folglich einerseits mit Reaktoren in Form von Schüttelkolben ohne und mit Einbauten (Schikanekolben) sowie 48-Well Mikrotiterplatten. Andererseits mit Prozessen, wobei besonders solche mit erhöhter Viskosität sowie mit Empfindlichkeit gegenüber hydromechanischer Belastung im Fokus stehen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Leistungseintrag in Schüttelkolben nicht vom Schütteldurchmesser abhängt, solange er in-Phase ist. Bei kleinem Kolbennennvolumen bis zu 250mL und bei höherer Viskosität ist allerdings mit Verkleinerung der Kolbengröße u.U. eine deutliche Verschlechterung des Phasenzustandes zu erwarten. Für die dimensionslose Beschreibung des Leistungseintrages in schikanelosen Schüttelkolben bestätigt ein erweiterter Datensatz von insgesamt 6894 Datenpunkten über ein breites und extreme Betriebsbedingungen enthaltendes Feld die Beziehung der Literatur. Für die Berechnung der Scherrate in schikanelosen Schüttelkolben wurde eine Korrelationsgleichung entwickelt, welche für die Auslegung von Betriebsbedingungen bei strukturviskosen Fermentationssystemen genutzt werden kann. Die Untersuchung der hydrodynamische Belastung wurde mit Hilfe von Tropfengrößenmessungen eines flüssig/flüssigen Zweiphasensystems realisiert. Dabei sind die Tropfengrößenverteilungen in Rührreaktoren und in Schüttelkolben untereinander selbstähnlich. In Schüttelkolben gibt es kein Einfluss des Schütteldurchmessers oder des Füllvolumens auf die hydromechanischen Belastung. Diese ist bei gleicher durchschnittlicher Energiedissipationsrate ca. 10-mal kleiner als im Rührreaktor. Damit lässt sich z.B. die unterschiedliche Agglomeratgröße pelletierender Mikroorganismen in beiden Reaktortypen erklären. Zur Berechnung der hydromechanischen Belastung in Schüttelkolben wurde eine Gleichung entwickelt und als kritische Reynoldszahl für das Vorliegen turbulenter Strömung im Schüttelkolben ein Wert von ca. 60.000 vorgeschlagen. Der Sauerstofftransport bleibt in Schüttelkolben mit steigender Viskosität und In-Phase Bedingungen nahezu konstant, während die Sauerstofftransferkapazität mit und ohne Zusatz von Öl bis zu 15% ansteigt. Schikanelose und Schikanekolben zeigen gegenüber dem bekannten Rührreaktor vergleichbare Leistungscharakteristika. Schikanekolben sind im Vergleich zu schikanelosen Kolben nur dann die besseren Dispergierapparate, solange beide bei den gleichen Betriebsbedingungen betrieben werden. Bei gleichem durchschnittlichem Leistungseintrag sind beide Kolbentypen in dieser Hinsicht gleichwertig. Die Außer-Phase Theorie ist auch auf Schikanekolben anwendbar. Die quantitative Übertragbarkeit der Außer-Phase Theorie in 48-Well Mikrotiterplatten konnte gezeigt werden. Ferner konnte die effektive Scherrate in diesem Reaktortyp quantifiziert werden. Beim Stoffübergang bei erhöhter Viskosität ist keine ausgeprägte Abhängigkeit von der Viskosität zu beobachten. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse erweitern die bislang zur Verfügung stehende verfahrenstechnische Charakterisierung von Schüttelkolben und Mikrotiterplatten. Hydromechanisch empfindliche Prozesse oder solche mit hochviskosen Fließeigenschaften können nun in diesen Reaktortypen durch die gezielte Auslegung von geeigneten Betriebsbedingungen systematisch untersucht werden.

iotechnological processes are increasing their share on the chemical industry. Their application ranges from ton-scale bulk chemicals to microgram-scale pharmaceutical specialties. Biotechnological processes often make processes more economic and sustainable or even are the only method of producing certain chemicals. In the development of biotechnological processes, screening for improved strains or media is a key issue. Important reactor types at this stage are shaken reactors, such as Erlenmeyers or microtiterplates. Purposive research, however, must ensure suitable and reproducible experimental conditions. The design of non-limiting operating conditions for shaken reactors has so far been subject to some literature reports describing few operations such as mass transfer and volumetric power consumption. Special challenges are posed by processes showing elevated viscosity: Those may lead to limitations in momentum-, mass-, or heat transfer. In shaken reactors, however, a particular phenomenon has been reported. The out-of-phase phenomenon has shown a potential to unconsciously lead screening projects into a totally unwanted direction. Furthermore, hydromechanically sensitive processes, such as those employing oils as a second immiscible phase, or mammalian, plant or filamentous cells have shown considerable difference when transferred from shake flasks to stirred tank reactors. Consequently, this work aims at the description of shaken reactors such as baffled and unbaffled shake flasks as well as 48-well microtiter plates from a chemical engineering point of view. The particular focus is on processes with elevated viscosity and increased hydromechanical sensibility. As a result, the literature correlation for the fundamental relationship of the dimensionless power number as function of the Reynolds number has been confirmed on a basis of 6894 data points covering extreme operating conditions. Specifically, it was found that the volumetric power consumption in shake flasks is independent of the shaking diameter as long as the fluid movement is in-phase. In small flasks with a nominal volume up to 250mL an elevated viscosity, the risk for the out-of-phase state is increasing with decreasing flask size. To enable the design of operating conditions for process with pseudo-plastic flow behavior, a dimensionless correlation was found for the effective shear rate in unbaffled shake flasks. Hydromechanical stress was investigated using drop size measurements in some liquid/liquid two-phase systems. It was found, that drop size distributions in shake flask and stirred reactors are self similar. There is any influence of neither the shaking diameter nor the filling volume on hydromechanical stress. Its value in shake flasks is about ten times lower than in stirred tanks at the same volumetric power consumption. This gives a quantitative explanation for the common observation that pellets in stirred tanks are smaller than in shake flasks. An equation was developed for calculating the hydromechanical stress in unbaffled and baffled shake flasks and a critical Reynolds number for turbulent flow is proposed to 60,000. Baffled flasks only exhibit better dispersing characteristics than unbaffled flasks when compared under the same operating conditions. When compared at the same volumetric power consumption, however, both reactor types are equivalent. Unbaffled and baffled shake flasks show similar power characteristics as stirred tanks: Baffled reactors display higher power numbers and are indeed independent of the Reynoldsnumber. The oxygen supply in shake flasks is found to remain nearly constant as long as the fluid movement is in-phase. Addition of oil to the fermentation broth showed a maximum increase of the oxygen transfer rate of 15% under conditions investigated. 48-well microtiterplates have been found to also be subject to the out-of-phase phenomenon, even on a quantitative basis. Furthermore, a correlation for the effective shear rate was found for this type of bioreactor. No significant influence of the viscosity on the oxygen transfer was found. The results presented in this work provide an extension of the chemical engineering description of shaken bioreactors. Processes with hydromechanical sensibility or highly viscous properties may now be operated under suitably and reproducibly designed operating conditions to provide a basis for a systematic research of the process itself.

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