Massen- und Wärmeübertragung in der Fermentation: Praktische Berechnungen für Scale-up
Fermentationsprozesse erfordern ein effektives Management der Masse- und Wärmeübertragung, um eine optimale mikrobielle Aktivität und Produktausbeute zu gewährleisten. Die Skalierung dieser Prozesse vom Labor- auf den industriellen Maßstab umfasst präzise Berechnungen, um Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten. Dieser Artikel bietet praktische Anleitungen zur Durchführung dieser Berechnungen für eine erfolgreiche Skalierung.
Massentransfer in der Fermentation
Der Stoffaustausch beinhaltet die Bewegung von Nährstoffen, Gasen und Abfallprodukten innerhalb des Fermentationssystems. Durch eine angemessene Berechnung wird sichergestellt, dass Mikroorganismen ausreichende Nährstoffe und Sauerstoff erhalten und gleichzeitig hemmende Substanzen entfernt werden.
Berechnung der Sauerstofftransferrate (OTR)
Die Sauerstoffübertragungsrate ist für aerobe Fermentationen von entscheidender Bedeutung und kann mit dem volumetrischen Sauerstoffübertragungskoeffizienten (kLa) und der Differenz der gelösten Sauerstoffkonzentration abgeschätzt werden:
OTR = kLa × (C* - C)
Wobei:
- C* ist die Sättigungskonzentration von Sauerstoff.
- C ist die tatsächliche Konzentration an gelöstem Sauerstoff.
Wärmeübertragung bei der Fermentation
Die Wärmesteuerung ist wichtig, um Temperaturschwankungen zu verhindern, die die mikrobielle Aktivität beeinflussen können.
Berechnung der Wärmeabfuhr
Die Wärmeabfuhrrate (Q) kann geschätzt werden durch:
Q = m × Cp × ΔT
Wobei:
- m ist die Masse der Kühlflüssigkeit.
- Cp ist die spezifische Wärmekapazität.
- ΔT ist die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass.
Anpassungen an diesen Berechnungen sind auf der Grundlage des Fermentationsmaßstabs und des Systemdesigns erforderlich, um eine effektive Wärmeabfuhr und Prozessstabilität zu gewährleisten.