Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4244
Main Title: Entwicklung eines Screening-Systems für kontinuierliche biokatalytische Prozesse
Translated Title: Development of a screening system for continuous biocatalytic processes
Author(s): Lyagin, Evgenij
Referee(s): Kraume, Matthias
Drews, Anja
Czermak, Peter
King, Rudibert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die momentan verfügbaren Screening- und Charakterisierungssysteme (SCS) für biokatalytische Prozesse sind hauptsächlich für die parallele Batch- und Fed-Batch Betriebsweise konzipiert. Diese Systeme eignen sich besonders gut für die Auslegung fermentativer Prozesse, sie sind jedoch für die Auslegung kontinuierlicher enzymatischer Prozesse (z.B. mit Hilfe von Membranreaktor-Technik) ungeeignet. Bei der Auslegung der kontinuierlichen enzymatischen Prozessen in Batch- bzw. Fed-Batch Systemen bleiben äußerst wichtige Informationen, wie die Abschätzung der kinetischen Daten zur Enzymdeaktivierung (einschließlich Enzymauswaschen und Enzymadsorption auf der Membranoberfläche), die Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit in einem kontinuierli- chen Betrieb oder die Langzeit-Leistungsfähigkeit der Membran komplett unberücksichtigt. Diese Arbeit beschreibt ein neues SCS, das für die Auslegung von kontinuierlichen enzymatischen Prozesse konzipiert ist. Das vorgeschlagene Konzept besteht aus zwei miniaturisierten Membranreaktoren mit Rührkessel-Geometrie. Es enthält Mess- und Regelungstechnik für die Regelung der Temperatur, des pH-Wertes, der hydraulischen Verweilzeit und der Drehfrequenz des Rührers. Zusätzlich wurde im Rahmen der Arbeit ein Konzept für ein kosteneffizientes Dosiersystem entwickelt und in das SCS integriert. Das Dosiersystem erlaubt eine hochpräzise Zugabe von Flüssigkeiten in den Reaktorraum während des kontinuierlichen Betriebes. Das entwickelte SCS wurde mit Hilfe von zwei industriell wichtigen, enzymkatalysierten Modellreaktionen untersucht: Cellulosehydrolyse und Hydrolyse von N-Acetyl-L-Methionin. Dabei wird eine hohe Parallelität und Reproduzierbarkeit der experimentellen Daten im Hinblick auf den Reaktionsumsatz und die Membranpermeabilität nachgewiesen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das integrierte Dosierkonzept nicht nur zur präzisen Regelung des pH-Wertes sondern auch zur Regelung der Enzymaktivität geeignet ist. Die weitere Charakterisierung des SCS erfolgt durch die experimentelle Bestimmung der Leistungs- und Mischzeitcharakteristik des Rührers. Die Reaktorgeometrie wird mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen abgebildet. Das ermöglicht eine gegenseitige Validierung der experimentellen und der numerischen Daten in Bezug auf den Leistungseintrag und die Mischzeit. Das validierte numerische Modell dient als Grundlage für die multikriterielle Pareto-Optimierung. Die Reaktorgeometrie wird hierbei hinsichtlich des maximalen Betrages der Schubspannungen sowie ihrer Homogenität auf der Membranoberfläche optimiert.
Currently available screening and characterisation systems (SCS) for biocatalysis are mostly designed for parallel batch and fed-batch fermentations. Actually, those systems can be used for development of microbial processes, but the are not sufficient to facilitate the development of continuous enzymatic processes (e.g. in membrane reactors). The exceedingly important data, such as the estimation of enzyme deactivation kinetic data (including enzyme leaching and enzyme adsorption on the membrane material), altering of reaction rate in continuous operational mode or long-term membrane performance, stay completely obscured. This work describes a new concept of the SCS, which is designed for development of continuous enzymatic processes. The proposed concept consists of two parallel miniaturised membrane reactors with stirred-tank configuration. It includes instrumentation for measurement and control of temperature, pH, hydraulic retention time and stirrer rotational speed. Additionally, a low-cost dosing system was developed and integrated in the SCS. It allows precise addition of fluids to the reaction volume during continuous operations. The developed SCS was examined by means of two industrially-important, enzyme-catalyzed model reactions: cellulose hydrolysis and hydrolysis of N-Acetyl-L-methionine. Hereby was proven the parallel and the repetitive reproducibility of the experimental data for the conversion and the membrane permeability. Furthermore it was shown, that the integrated dosing system is a usefull tool not only for pH-control, but can be also used for enzyme activity control. Further characterisation of the SCS was carried out by experimental measurements of the power input of the stirrer and mixing time. Then, the membrane reactor was simulated by means of Computational Fluid Dynamics. It allowed a cross validation of the experimental and numerical data of power input and mixing time. Finally, the validated numerical model was used for multicriteria (Pareto) optimisation of the reactor geometry. As optimisation parameters the stirrer position and the baffle length were used, whereas the target values were shear stress on the membrane surface and their homogeneity.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-58651
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4541
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4244
Exam Date: 6-Oct-2014
Issue Date: 12-Dec-2014
Date Available: 12-Dec-2014
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Biokatalyse
L-Methionin
Membranreaktor
Screening-System
Biocatalysis
L-methionine
Membrane reactor
Screening system
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