Modul Bioreaktionstechnik/Bioreaktoren

Code:	257900
Modul:	Bioreaktionstechnik/Bioreaktoren
Module title:	Bioreaction Engineering/Bioreactors
Version:	2.01 (11/2019)
letzte Änderung:	24.06.2024
Modulverantwortliche/r:	Prof. Dr. rer. nat. Kretzschmar, Jörg Joerg.Kretzschmar@hszg.de

angeboten im Studiengang:	Molekulare Biotechnologie (B.Sc.) gültig ab Matrikel 2020

Modul läuft im:	SoSe (Sommersemester)
Niveaustufe:	Bachelor/Diplom
Dauer des Moduls:	1 Semester
Status:	Pflichtmodul
Lehrort:	Zittau
Lehrsprache:	Deutsch

Workload* in

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*	Gesamtarbeitsaufwand pro Modul (1 ECTS-Punkt entspricht einem studentischen Arbeitsaufwand von 30 Zeitstunden)
**	eine Semesterwochenstunde (SWS) entspricht 45 Minuten pro Woche

Selbststudienzeit in h	Angabe gesamt	davon
	94	54 Vor- und Nachbereitung LV	40 Vorbereitung Prüfung	0 Sonstiges

Lehr- und Lernformen:	Die Vermittlung der Modulinhalte erfolgt in Form von Vorlesungen mit Rechenbeispielen und Praktika.

Hinweise:

Keine



Prüfung(en)
Prüfungsvorleistung	Prüfungsvorleistung Laborarbeit (VL)
Prüfung	Prüfungsleistung als Klausur (PK)	120 min	100.0%

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Lerninhalt:

Vorlesung Die Vorlesungen umfassen folgende Themen (Lehrinhalte): Bioreaktorgrundtypen sowie Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen Bauteile von Bioreaktoren für die Grundprozesse, Suspendieren, Dispergieren, Wärmeübertragung, Begasen Messgrößen, Messtechnik und Steuerungs-/ Regelungstechnik am Bioreaktor Grundlagen zum Strömungsverhalten von Biosuspensionen im Schüttelkolben und im technischen Reaktor Ableitung von Kenngrößen und Kennzahlen für die Maßstabsübertragung Grundlagen zur Leistungscharakteristik von Rührwerken und dem Leistungseintrag im Bioreaktor Grundlagen zu kinetischen Konzepten mathematische Beschreibung und Ermittlung von kinetischen Reaktionsgrößen Einteilung und Bestimmung der Abhängigkeit zwischen Wachstum , Substratverbrauch und Produktbildung Methoden zur Bestimmung des volumetrischen Sauerstoffübergangskoeffizienten und Bestimmung charakteristischer Parameter Die Studierenden erlernen (Lerninhalte): Grundlagenwissen über Reaktortypen und deren Einsatzgebiete in der Bioverfahrenstechnik Reaktorbauteile und deren Ausführungsformen Wichtigsten inline- und offline-Messgrößen zur Überwachung und Steuerung eines Fermentationsprozesses Bedeutung des Energieeintrags auf die fermentative Umsetzung und deren Beschreibung mit Hilfe von Kennzahlen zum scale-Up Aufstellen von kinetischen Modellen aus Messwerten und das Bestimmen von kinetischen Parametern mit mathematischen Approximationsrechnungen Grundlagenwissen zur der Charakteristik von Substratverbrauch und Produktbildung Grundlagen zur Bestimmung des volumetrischen Sauerstoffübergangskoeffizienten und dessen Ermittlung mittels dynamischer Methode und der Abgasmethode Praktikum Die Praktika umfassen folgende Themen (Lehrinhalte): Grundprozesse des biotechnologeschen Arbeitens Herstellen von Lösungen (Reagenzien) mit bestimmten Konzentrationen Grundlagen des Umgangs mit chemischen und biotechnologischen Stoffen, Glasgeräte und dem Arbeits- und Gesundheitsschutz Einsatzgrenzen sowie Wartung und Kalibration von Messsonden Methoden von Verweilzeitanalysen und der Bestimmung von Reaktorparametern Bestimmung von Zustandsgrößen der Stoffsysteme Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern mittels zellexterner Messgrößen Die Studierenden erlernen (Lerninhalte): Fähigkeiten zur praktischen Anwendung theoretischer Kenntnisse im Bioverfahrenstechnischen Labor selbständiges Planen und Durchführen von Versuchen sowie das Herstellen von Reagenzien Kenntnisse und Fähigkeiten im Umgang mit Glasgeräten, Chemikalien, Messgeräten und Arbeits-und Gesundheitsschutz Fähigkeiten auf unerwartete Prozessabläufe und –vorgänge zielgerichtet zu reagieren

Lernergebnisse/Kompetenzen:
Fachkompetenzen:	Die Studierenden verfügen über grundlegendes Wissen zu den verschiedenen Bioreaktortypen sowie deren Einteilung nach den Kriterien Zeitverhalten, Strömungsverhalten, Phasenverhältnisse und Temperaturführung. Sie besitzen darüber hinaus Kenntnisse zu den peripheren Einrichtungen von Reaktoren sowie der Werkstoffwahl und der damit verbundenen Einsatzgrenzen. Ferner haben Sie ein Verständnis für die Problematik der Maßstabsübertragung vom Schüttelkolben bis hin zum technischen Reaktor unter Verwendung dimensionsloser Kennzahlen. Sie erlangen Kenntnisse zur Bedeutung der Stoff- und Wärmetransportvorgänge sowie zum Leistungseintrag in Bioreaktoren. Sie wissen welche Prozessgrößen für die Prozesssteuerung gemessen werden müssen, und welche Verknüpfungen für die Steuer- und Regelungstechnik von Bedeutung sind. Die Studierenden erlangen ein vertieftes Verständnis für die limitierenden Einflussfaktoren auf Wachstum und Produktbildung. Sie können die Zusammenhänge zwischen mikrobillen und technischen Einflussgrößen in Bioprozessmodellen abstrahieren und Vorausberechnungen von Produktionskennzahlen durchzuführen. Die Studierenden können die Bedeutung der mikrobillen Kinetik bezüglich Substratverbrauch und Produktbildung in die Bilanzierung integrieren und anwenden. Sie sind in der Lage nach Vorgabe von Fermentationsvorschriften den Prozessablauf sowohl manuell als auch rechnergestützt vollständig zu planen und auszuführen. Dies schließt ein das selbständige herstellen von Reagenzien bestimmter Konzentrationen, die Auswahl und Kalibration der Messgeräte, die Montage und Inbetriebnahme der Sonden und Korrektureinrichtungen sowie die Vorbereitung und Planung der steriltechnischen Ausführung. Sie beherrschen die Anwendung aller notwendigen Messeinrichtungen und können die erhaltenen Daten bezüglich der Größen mikrobielle Kinetik, Leistungseintrag und Stofftransport auswerten und interpretieren. Sie sind in der Lage Prozessabläufe zu analysieren und zu optimieren. Die Studierenden können zudem mit Hilfe von Verweilzeitanalysenmethoden die Abweichungen der Reaktoren vom Idealverhalten ermitteln und spezielle konstruktive Verbesserungsmöglichkeiten vorschlagen. Durch die Anwendung von statischen und dynamischen Methoden sind sie ferner in der Lage wichtige Stofftransportkoeffizienten zu bestimmen und zu bewerten. Die Studierenden erlangen Einsicht in die Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen Prozessvariablen.
Fachübergreifende Kompetenzen:	Die Studierenden verstehen das Zusammenwirken der Fachgebiete physikalische Chemie, technischer Mikrobiologie, Reaktionstechnik, Thermodynamik, Verfahrenstechnik und Bioprozesstechnik bei der Quantifizierung von biotechnologischen Produktsynthesen. Sie sind ferner befähigt Fermentationen zu dokumentieren. Die Fertigkeit zur Darstellung und Interpretation von Ergebnissen liefert die Kompetenz zur technischen Kommunikation und zum fachübergreifenden Analysieren und Lösen von Fragestellungen. Die Studierenden sind ebenfalls in der Lage eigenständige Arbeitsanweisungen zu erstellen und Arbeitsabläufe sowohl eigenständig als auch im Team zu planen und auszuführen. Sie verfügen über die Fähigkeit zum Treffen von Entscheidungen bei der Behebung von problematischen Betriebszuständen und können Ihre Entscheidungen fundamental begründen.

Notwendige Voraussetzungen für die Teilnahme:	Erfolgreicher Abschluss des Moduls Allgemeine Verfahrenstechnik

Literatur:

Chmiel, H. (Hrsg.): Bioprozesstechnik. 4. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 2018 Storhas, W.: Bioverfahrensentwicklung. 2. vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage, WILEY-VCH-Verlag, 2013 Sahm, H., Antranikian, G., Stahmann, K.-P., Takors, R.: Industrielle Mikrobiologie. Springer, 2013 Storhas, W.: Angewandte Bioverfahrensentwicklung. WILEY-VCH-Verlag, 2017 Wolf, K.-H.: Aufgaben zur Bioreaktionstechnik , Springer, 1994 K. Van`t Riet and J. Tramper: Basic Bioreactor Design, Marcel Dekker Inc, 1991 A.T. Jackson: Verfahrenstechnik in der Biotechnologie, Springer, 1993 K. Muttzall: Einführung in die Fermentationstechnik, Behr Verlag, 1993