Acta Biotechnologica: Volume 1, Number 2 [Reprint 2021 ed.] 9783112543368, 9783112543351

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2 • 1981 • Volume 1

Biotectinoliiica Journal of microbial, biochemical and bioanalogous technology

Akademie-Verlag Berlin Acta Biotechnologica 1 (1981) 2, 105—204 31007 EVP 3 0 , - M ISSN 0138 - 4988

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ISSN 0138-4988

Acte Blfltedutoiica Journal of microbial, biochemical and bioanalogous technology

Edited at Institute of Technical Chemistry of the Academy of Sciences of the G.D.R.; Leipzig and Institute of Technical Microbiology; Berlin M. Ringpfeil, Leipzig and G. Vetterlein, Berlin

Editorial board: P. Mohr, Berlin P. Moschinski, Lodz L. D. Phai, Hanoi W. Plötner, Leipzig H. Sahm, Jülich W. Scheler, Berlin R. Schulze, Kothen B. Sikyta, Prague G. K. Skrjabin, Moscow M. A. Urrutia, Havana J . E. Zajic, El Paso

1981

M. E. Beker, Riga H. W. Blanch, Berkeley S. Fukui, Kyoto H. G. Gyllenberg, Helsinki J . Hollo, Budapest M. V. Iwanow, Pushchino F. Jung, Berlin H. W. D. Katinger, Vienna K. A. Kalunjanz, Moscow J . M. Lebeault, Compiegne P. Lietz, Berlin D. Meyer, Leipzig

Volume 1

Redaction:

L. Dimter, Leipzig

Number 2

AKADEMIE-VERLAG

•

BERLIN

"Acta Biotechnologica" publishes reviews, original papers, short communications and reports out of the whole area of biotechnology. The journal shall promote the foundation of biotechnology as a new, homogeneous scientific field. According to biotechnology are microbial technology, biochemical technology and technology of synthesyzing and applying of bioanalogous reaction systems. The technological character of the journal is guarenteed thereby that microbial, biochemical, chemical and physical contributions must show definitely the technological relation. Terms of subscription for the journal "Acta Biotechnologica" Orders can be sent — in the GDR: to Postzeitungsvertrieb, to a book-shop, or to Akademie-Verlag, DDR - 1080 Berlin, Leipziger Straße 3—4; — in the other socialist countries: to a book-shop for foreign languages literature or to the competent news-distributing agency; — in the FRG and Berlin (West): to a book-shop or to the wholesale distributing agency Kunst und Wissen, Erich Bieber, D - 7000 Stuttgart 1, Wilhelmstr. 4—6; — in Austria: to GIobus-Buchvertrieb, A -1201 Wien, Höchstädtplatz 3; — in the other Western European countries: to Kunst und Wissen, Erich Bieber GmbH, CH - 8008 Zürich, Dufourstraße 51; — in other countries: to the international book- and journal-selling trade, to Buchexport, Volkseigener Außenhandelsbetrieb der DDR, DDR - 7010 Leipzig, Postfach 160, or to Akademie-Verlag, DDR - 1080 Berlin, Leipziger Straße 3—4. Acta Biotechnologica Herausgeber: Institut für technische Chemie der AdW, DDR - 7050 Leipzig, Permoserstr. 15 (Direktor: Prof. Dr. Manfred Ringpfeil) und Institut für Technische Mikrobiologie DDR - 1017 Berlin; Alt-Stralau 62 (Direktor: Dipl. Ing. G. Vetterlein) Verlag: Akademie-Verlag, DDR - 1080 Berlin, Leipziger Straße 3—4; Fernruf: 2236221 und 2236229; Telex-Nr.: 114420; Bank: Staatsbank der DDR, Berlin, KontoNr.: 6836-26-20712. Redaktion: Dr. Lothar Dimter (Chefredakteur), Martina Bechstedt (Redakteur), DDR-7050 Leipzig, Permoserstr. 15; Tel.: 6861255. Veröffentlicht unter der Lizenznummer 1671 des Presseamtes beim Vorsitzenden des Ministerrates der Deutschen Demokratischen Republik. Gesamtherstellung: VEB Druckhaus „Maxim Gorki", DDR - 7400 Altenburg. Erscheinungsweise: Die Zeitschrift „Acta Biotechnologica" erscheint jährlich in einem Band mit 4 Heften. Bezugspreis eines Bandes 120,—M zuzüglich Versandspesen; Preis je Heft 30,—M. Bestellnummer dieses Heftes: 1094/1/2. Urheberrecht: Alle Rechte vorbehalten, insbesondere der Übersetzung. Kein Teil dieser Zeitschrift darf in irgendeiner Form — durch Photokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren — ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert werden. — All rights reserved (including those of translations into foreign languages). No part of this issue may be reproduced in any form, by photoprint, microfilm or any other means, without written permission from the publishers. © 1981 by Akademie-Verlag Berlin. Printed in the German Democratic Republic. AN (EDV) 42133

Acta Biotechnologica 1 (1981) 2, 107-113

Rheologie von Fermentationslösungen G . KLAPPACH u n d D . W E I C H E S T

Akademie der Wissenschaften der DDR, Institut für technische Chemie Leipzig 7050 Leipzig, Permoserstr. 15 Summary Rheological measurements can give interesting informations for the characterization of fermentation broth, especially concerning the depending of the oxygen transfer rate. Rheological measurements can report decisions for choosing the best reactor type or other process steps e.g. purification and separation. An advantageous method was used by the combination of a dynamic process-viscosimeter with the fermenter and the continuous measurement of medium density by X-ray absorption method. Zusammenfassung Zur Beurteilung von Fermentationsmedien liefern rheologische Untersuchungen wichtige Informationen, die für die Gestaltung des Fermentationsprozesses, insbesondere hinsichtlich des Sauerstoffüberganges und des hierfür auszuwählenden Reaktortyps, aber auch für die Verfahrensstufen der Abtrennung und Reinigung notwendige Voraussetzung sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Durchfluß-Rotationsviskosimeter mit einem Fermenterversuchsstand zu koppeln. Auf diese Weise konnten die effektive Viskosität sowie die Dichte des Fermentationsmediums als ständige Meßwerte mit registriert und zu anderen charakteristischen Prozeßparametern korreliert werden. 1. Einleitung Die Kenntnis der Fließeigenschaften von Fermentationsmedien ist aus verschiedenen Gründen interessant und ihre Messung deshalb notwendig. Im Zusammenhang mit der Bearbeitung yon Stoffübergangsproblemen ist der Einfluß der Fließeigenschaften des Fermentationsmediums von großer Bedeutung, insbesondere dann, wenn nach Möglichkeiten zur Realisierung außergewöhnlich hoher Populationsdichten in der kontinuierlichen Fermentation gesucht wird. Bei der Ermittlung des Fließverhaltens in Abhängigkeit von der Populationsdichte kann mitunter auch beobachtet werden, daß durch die Bildung von extrazellulären Schleimen durch Bakterien ein weit stärkerer Einfluß auf das Fließverhalten ausgeübt wird als durch die Zellkonzentration selbst. Auch aus dieser Tatsache erwächst die Aufgabe, mittels rheologischer Methoden das veränderte Fließverhalten von Fermentationsmedien zu ermitteln, da verschiedene Verfahrensschritte, z. B. die der Abtrennung und Reinigung der Zellen in Anwesenheit von Schleim erheblich gestört werden. 1*

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G . KLAPPACH, D . WEICHERT

Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß bei Fermentationen mit nichtwasserlöslichen Substraten, wie zum Beispiel Paraffinen, die eine weitere disperse Phase bilden, eine ganze Reihe Theologischer Fragestellungen entstehen, für die geeignete Meßmethoden zunächst nicht zur Verfügung stehen. Auch ingenieurtechnische Probleme im Zusammenhang mit der Auslegung von Apparaten, Rohrleitungen, Pumpen usw. können durch Ermittlung der Fließeigenschaften von mehrphasigen Fermentationsmedien und durch Ermittlung von Stoffwerten gelöst werden. 2. Anwendungsbeispiele für Theologische Untersuchungen an Fermentationsmedien Die Theologischen Eigenschaften einer Flüssigkeit werden in erster Linie durch die Viskosität beschrieben. Viele Fermentationsmedien zeigen ein mehr oder weniger strukturviskoses (pseudoplastisches) Verhalten. Der Begriff der Viskosität ist deshalb nicht im physikalischen Sinn aufzufassen. Wenn im folgenden von der Viskosität gesprochen und ihr Wert in cP angegeben wird, so ist darunter immer die sogenannte effektive Viskosität zu verstehen, das heißt die Viskosität, die sich für eine newtonsche Flüssigkeit unter den gleichen Bedingungen ergeben würde. Die nachfolgenden Abbildungen geben die Ergebnisse einiger Theologischer Untersuchungen wieder, die im Zusammenhang mit Untersuchungen zum Sauerstoffübergang in Fermentationsmedien von Interesse sind. Viskosität einer Hefesuspension

qfcPli 40

Ci^(x-215gHTS/kg)-250cPJ

rcPJ

10 x dynamisches Viskosimeter • Viskosität nachUbbäohde

10

20

40

60 80 100 120 1W 160130 200 • nfgHTS m 7 Hefekonzentration [kg Susp]

Abb. i. Kurve 1: Abhängigkeit der effektiven Viskosität von der Hefekonzentration gemessen mit einem dynamischen Viskosimeter Kurve 2: Abhängigkeit der effektiven Viskosität von der Hefekonzentration gemessen nach U B B E L O H D E

0

Abb.

10 20

30 4-0 50 60 [%J

BTS

2.

Kurve 1: Abhängigkeit der effektiven Viskosität von der Bakterienkonzentration bei 2 0 ° C Kurve 2: Abhängigkeit der effektiven Viskosität von der Bakterienkonzentration bei 3 2 ° C Kurve 3: Abhängigkeit der effektiven Viskosität von der Bakterienkonzentration bei 5 0 ° C

Abbildung 1 zeigt den Einfluß der zunehmenden Zellkonzentration auf die effektive Viskosität. Mit steigendem Anteil der dispersen Phase steigt sie an und behindert erst bei relativ hohen Zelldichten den Sauerstoffübergang. Der Einfluß der dispersen Ölphase ist analog, wenn auch graduell verschieden. Abbildung 2 zeigt den Einfluß unterschiedlicher Temperaturen auf die effektive Viskosität von Fermentationsmedien mit unterschiedlichen Zellkonzentrationen.

109

Rheologie von Fermentationslösungen

Auch die Anwesenheit oberflächenaktiver Stoffe hat Einfluß auf das rheologische Verhalten von Fermentationsmedien. Abbildung 3 dokumentiert den Einfluß unterschiedlicher Konzentrationen eines nichtionogenen Tensids. Es ist zu erkennen, daß insbesondere bei sehr hohen Populationsdichten eine starke Viskositätserniedrigung eintritt. Bei der Aufnahme der Fließ-

d

Schergsfälle

Tensi

Abb. 3. Kurven 1—6 zeigen den Einfluß steigender Tensidkonzentration auf die effektive Viskosität verschieden konzentrierter Hefesuspensionen, 1:(50); 2: (100); 3: (125); 4: (130); 5:(155); 6:(170)% o H T S Lies statt 1, 2, 3 . . . : 0,1; 0,2; 0,3 . . .

Abb. 4. Kurve 1: Abhängigkeit der effektiven Viskosität vom Schergefälle bei der Tensidkonzentration CT = 1%0 Kurve 2: Abhängigkeit der effektiven Viskosität vom Schergefälle bei der Tensidkonzentration CT = 0%o

kurve ist dieser Effekt ebenfalls deutlich zu sehen (Abb. 4). Bei dieser Darstellungsart erkennt man aber auch, daß das pseudoplastische Verhalten nicht verändert wird und auf einem anderen Viskositätsniveau erhalten bleibt. Ein sehr interessantes Zeitverhalten konnte bei rheologischen Untersuchungen an mehrphasigen pseudoplastischen Fermentationsmedien nach Zusatz eines stark oberflächenaktiven Tensids beobachtet werden (Abb. 5). Mittels dieser Untersuchungen konnte ein Wiederansteigen der Viskosität einige Minuten nach der Tensidzugabe nachgewiesen werden und daraus Festlegungen für die technologische Gestaltung des Prozesses getroffen werden.

Zeit [Min]

Zeit [Min]

Zeit[Min]

Abb. 5. Kurven 1 — 3 Zeitverhalten der effektiven Viskosität bei verschiedenen Tensidzusätzen (Oy 0,2; 0,4; 0,6%o)

110

G . KLAPPACH, D . W E I C H E R T

Zur Aufstellung von Fließkurven sollte die Darstellungsweise im doppelt-logarithmischen Koordinatensystem bevorzugt werden, bei der die Viskosität in cP als Ordinate und die Schergeschwindigkeit in sec - 1 als Abszisse aufgetragen werden. Bei dieser Darstellungsweise kann die schergeschwindigkeitsabhängige Viskosität direkt abgelesen werden. Voraussetzung hierfür ist, daß die Schergeschwindigkeit in einem möglichst großen Bereich variiert werden kann

3. Einsatz verschiedener Yiskosimeter für rheologische Messungen an Fermentationsmedien Im folgenden werden zunächst die Einsatzmöglichkeiten der gebräuchlichen Viskosimeter — ÜBBELOHDE-Viskosimeter,

— Rheoviskosimeter nach

HÖPPLEE,

— Rotationsviskosimeter (Rheotest, K D 100, KD213 v. VEB Prüfgerätewerk Medingen) für Messungen an Fermentationsmedien diskutiert. Ihre Verwendbarkeit für rheologische Untersuchungen an Fermentationsmedien wird weniger durch die Meßbereiche als vielmehr durch die sehr unterschiedliche Stabilität der Fermentationsmedien gegen Entmischung durch Aufschwimmen bzw. Sedimentation der dispergierten Zellen oder anderer Komponenten bestimmt. Aus praktischen Gründen wird deshalb folgende Einteilung hinsichtlich der Stabilität vorgenommen. Stabile Dispersionen Eine Entmischung tritt erst nach Stunden auf. Für rheologische Untersuchungen sind. — d a s ÜBBELOHDE-Viskosimeter,

— das Rheoviskosimeter nach H Ö P P L E E und — Rotationsviskosimeter (z. B. Rheotest) geeignet. Wenig stabile Dispersionen Eine Entmischung tritt erst nach einigen Minuten ein. Für rheologische Untersuchungen können u. U. ÜBBELOHDE-Viskosimeter und bei Viskositäten 10 cP mit Einschränkungen das Rheoviskosimeter verwendet werden. Beim ÜBBELOHDE-Viskosimeter führen Aggregationen von Mikroorganismen (z. B. Flockenbildung) zu Verstopfungen der Kapillaren und damit zu stark fehlerhaften Messungen. Instabile

Dispersionen

Sie bleiben nur während des MischVorganges im Fermenter und ggf. kurze Zeit danach homogen. Häufig entmischt sich die Probe bereits beim Einfüllen in das Viskosimeter noch vor Beginn des Meßvorganges. Da man sich bei der Beurteilung der Stabilität nicht auf die augenscheinliche Beobachtung der Entmischung verlassen kann, werden im Zweifelsfall Proben aus verschiedenen Höhen eines Standgefäßes nach z. T. mehrstündiger Lagerung des Untersuchungsmaterials auf ihre Identität z. B. hinsichtlich Zellkonzentration oder Viskosität untersucht.

Rheologie von Fermantationslösungen

111

Im Fermenter wird der Instabilität und Inhomogenität durch das Bewegen des Fermentationsmediums entgegengewirkt. Dieses Fließverhalten interessiert aber im Zusammenhang mit der Untersuchung von Stoffübergangsprozessen und dem Energiebedarf von Rührern, Pumpen u. a. Zur Lösung dieser Aufgabe wurden die kontinuierlich arbeitenden Rotationsviskosimeter K D 100 und K D 213 vom VEB Prüfgerätewerk Medingen eingesetzt. Durch diese auch als Prozeßviskosimeter entwickelten Geräte wird das Meßgut ständig durch Umwälzung im Kreislauf geführt und somit ein Aufrahmen oder Sedimentieren verhindert. Das Prinzipschaltbild (Abb. 6) zeigt die Anordnung der einzelnen zu einem Meßstand vereinigten Bauelemente: Das kontinuierliche Durchflußviskosimeter K D 100 hat einen Meßbereich von 2 bis 2000 cP. Die Schergeschwindigkeit kann durch Umschalten in sechs Stufen von 45 sec - 1 bis 2250 sec - 1 variiert werden. Viskosimeter

Abb. 6. Prinzipsohaltbild für die Messung mit einem Rotationsviskosimeter

Das Meßgut wird über das Ausgleichsgefäß in den Meßkreislauf eingefüllt und mittels einer Umlaufpumpe im Kreislauf durch die Temperiereinrichtung und das Viskosimeter wieder in das Ausgleichsgefäß gefördert. Zur Füllung des Meßkreislaufes werden ca. 550 ml Untersuchungsmaterial benötigt. Die Pumpe wird auf eine Förderleistung von höchstens 5 0 1 h - 1 eingestellt, die als obere Grenze der Strömungsgeschwindigkeit vom Hersteller des Viskosimeters angegeben wird. Als Meßinstrumente sind ein Anzeigegerät (mV-Meter) und ein Fallbügelpunktschreiber angeschlossen. Zur Aufzeichnung schnell verlaufender Viskositätsänderungen kann noch ein Kompensationsbandschreiber mit einem Meßbereich 0—50 mV parallel zum Anzeigegerät angeschlossen werden. Während der Messung muß nach Einstellung jeder Schergeschwindigkeit einige Minuten bis zur Konstanz der Anzeige gewartet werden. Es wird mit der niedrigsten Drehzahl begonnen und dann stufenweise zur höheren übergegangen. Nachdem die Messung bei der höchsten Drehzahl beendet ist, werden nochmals kurz alle Schergeschwindigkeitsstufen in entgegengesetzter Reihenfolge durchgemessen, um Veränderungen der Anzeige feststellen zu können. Den Angaben des Herstellers zufolge können mit dem K D 100 noch Viskositätswerte von 1,8 cP erfaßt werden. Dies ist jedoch wegen der starken Krümmung der Eichkurve im unteren Bereich nur durch Vergleichsmessungen mit Wasser möglich. Als Fehlergrenze für das K D 100 werden ± 4 % für den Skalenendwert angegeben. Diese Angaben beziehen sich auf den einzelnen Meßwert, so daß durch Wiederholung der Messungen kleinere Differenzen beobachtet werden. Auf diese Weise können auch kleinere Viskositätsänderungen sicher erfaßt werden.

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G . KLAPPACH, D . W E I C H E R T

4. Kopplung von Durchflußviskosimetern an Laborfermentoren Im Verlauf der weiteren Untersuchungen wurde das Durchflußviskosiraeter K D 100 direkt mit dem Fermenter gekoppelt, um die Aussagekraft der Meßergebnisse zum Fließ verhalten von Fennen tationsmedien zu verbessern. Die ermittelten Meßwerte schwankten mit ca. 1 mV bei 50 mV Meßbereich um einen Mittelwert, daß selbst geringe Viskositätsänderungen deutlich abgelesen werden konnten. Mit dieser Kopplung des Durchflußviskosimeters an den Fermenter war die Voraussetzung gschaffen, über längere Versuchszeiten die effektive Viskosität als Meßwert ständig mit zu registrieren und mit anderen Veränderungen zu korrelieren. Der be-

kontinuierliche

PRINZIPSKIZZE Viskositäts-und

Dichtebestimmung Fermenter

IT JLTJL

j-Strahlen quelle

/

Meßeinrichtung 'zurkontinuierlichen Viskositätsmessung ,

Prozeßviskosim.

oo

Meßeinheit zur —, kontinuierlichen I Dichtemessung

.-rfD

Detektor

Meßkammer Zahnradpumpe A b b . 7. Prinzipskizze für die K o m b i n a t i o n eines F e r m e n t e r s m i t einem

Prozeßviskosimeter

bei g l e i c h z e i t i g e r k o n t i n u i e r l i c h e r D i c h t e m e s s u n g i m M e d i u m . T . =

Temperierung

sondere Vorteil des K D 100 liegt darin, daß zu beliebigen Zeiten und ohne apparative Veränderungen Fließkurven aufgenommen werden können, da die Schergeschwindigkeit in diskreten Stufen variiert werden kann. Auf diese Weise können Veränderungen in der Art und Verteilung der dispersen Phasen ständig verfolgt und registriert werden. Auch das vom V E B Prüfgerätewerk Medingen weiterentwickelte Gerät, das Prozeßviskosimeter K D 213 wurde auf seine Verwendbarkeit für rheologische Messungen an einem Laborfermenter getestet. Dieses Gerät hat zwar eine dem K D 100 ähnliche Meßsonde, aber eine Änderung der Drehzahl kann nicht mehr durch stufenweise Umschaltung an einem eingebauten Getriebe erfolgen, sondern erfordert das Auswechseln des Getriebes. Das Getriebe ist zusammen mit dem Antriebsmotor und dem Drehmomentwandler in dem mit der Meßsonde fest verbundenen Meßkopf untergebracht. Getrennt davon und über Kabelverbindungen angeschlossen ist die sogenannte Meßeinheit, die die Stromversorgung und die Anschlüsse für die Anzeigegeräte enthält. Es stehen 8 auswechselbare Getriebe mit Drehzahlen zwischen 250 m i n - 1 und 1 min" 1 zur Verfügung. Damit können Viskositäten im Bereich von 2,8—14000 cP bestimmt werden.

Rheologie von Fermentationslösungen

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Die Schergeschwindigkeit kann auf diese Weise in folgenden Stufen variiert werden: 4,5 sec"1, 11,2 sec"1, 22,5 sec" 1 , 45 sec"1, 112 sec"1, 225 sec"1, 450 sec- 1 , 1120 sec" 1 . Eine Änderung der Schergeschwindigkeit durch Auswechseln des Getriebes erfordert mehrere Arbeitsgänge und dauert selbst bei großen Fertigkeiten mehrere Minuten. Ein Wechsel ist deshalb während der Messungen nur bedingt durchführbar. Um bei verschiedenen Schergeschwindigkeiten messen zu können, wurden in dem in Abb. 7 gezeigten Versuchsstand zwei Viskosimeter, die mit verschiedenen Getrieben ausgestattet sind, hintereinander geschaltet. Durch das Hintereinanderschalten von zwei Durchflußviskosimetern vom Typ K D 213 wird im Dauerbetrieb die effektive Viskosität gleichzeitig bei zwei verschiedenen Schergeschwindigkeiten gemessen. Auf diese Weise werden ständig zwei Punkte der Fließkurve bestimmt und registriert. Da die pseudoplastischen Fermentationsmedien bei doppelt logarithmischer Darstellung der effektiven Viskosität gegen die Schergeschwindigkeit Geraden ergeben, sind die von der beschriebenen Meßanordnung erhaltenen Daten zur ständigen Verfolgung des Fließverhaltens sehr gut geeignet. Die im Fermentationsmedium dispergierte Luft übt einen nicht zu vernachlässigenden Einfluß auf die Viskosität aus. Eine ständige Dichtemessung des Fermentationsmediums ist auch aus verschiedenen anderen Gründen von Interesse. Die Dichte wurde im Außenkreislauf des Fermenters kontinuierlich mittels einer Durchflußmeßzelle nach dem Prinzip der y-Strahlenabsorption gemessen. Die Dichtemeßkammer mit definierter Geometrie bestand aus massivem Piacryl mit zwei Fenstern von 5 mm Dicke. An dem Block befanden sich die Haltevorrichtungen für die y-Strahlenquelle und den Detektor. Als -/-Strahlenquelle wurde Ameritium 241 mit 100 mCi/Aktivität verwendet. Zum Meßplatz der Dichtemessung gehörten weiterhin die Szintillationsmeßsonde (Typ VA-S 968) und die Auswerteeinheit mit Meßwertdrucker. Durch die Dichtemessung läßt sich der Gasanteil im Medium mitbestimmen und sein Einfluß auf die Viskosität verfolgen, da durch die ständige Umwälzung des Fermentermediums und bewußt kurz gehaltene Rohrleitungen in der Dichtemeßkammer wie auch in den Viskosimetern die gleiche dispergierte Gasmenge vorliegt wie im Fermenter. Um den Einfluß der dispergierten Luft auf die Viskosität und das Fließverhalten abschätzen zu können, wird die gemessene Viskosität in cP in die kinematische Viskosität in cSt umgerechnet. Aus den so erhaltenen Meßwerten läßt sich dann ein zusätzlicher strukturierender Einfluß der Luftblasen erkennen. Eingegangen 19. 5. 1980

Acta Biotechnologica 1 (1981) 2, 115—126

Bestimmung des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes bei heterogen-katalytischer Reaktion im hochdispersen Substrat-Mikroorganismus-System K . - H . WOLF Institut f ü r Gärungs- und Getränkeindustrie, 1017 Berlin, Alt-Stralau 54/55

Zusammenfassung Die Problematik des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes bei heterogen-katalytischen Reaktionen wird erläutert. Für mikrobiologische Katalysen im hochdispersen System werden die Teilschritte des Stofftransportes vom Makroraum bis zur biochemischen Reaktion in der Zelle (Mikroraum) allgemein beschrieben u n d formuliert. Mit Hilfe statistischer Modelle auf der Basis der Theorie der isotropen Turbulenz erfolgt die numerische Auswertung zur Ermittlung des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes bei der Biergärung und -reifung in Bioreaktoren mit erzwungener Turbulenz. Limitierender Schritt ist die biochemische Reaktion des Extraktabbaus, d. h. kR • tB
40000) Der Anteil der gasförmigen und festen Phase ist klein und beeinflußt die Turbulenz nicht zu stark. Die flüssige Phase ist homogen verteilt. Gasblasen und Mikroorganismen sind klein gegenüber dem Makromaßstab der Turbulenz (dB, dz

104 die Homogenisierzeit

bzw.

, ^ 4,max (1-1-) 10" 1 ¡•h™* ^ ^ 77-T ä 102 s uD 10 3 4 • 10 1