a) äußere Schichten: b) tiefere Schichten 2b) Warum kommt es nicht zur Nitritanreicherung? 1 P

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1 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 1 Welche 2 unterschiedliche kontinuierliche Anzuchtverfahren für Mikroorganismen gibt es in der Biotechnologie und welche Parameter sind jeweils kennzeichnend? 2 P 2 Welche biologischen Vorgänge laufen in einer Belebtschlammflocke einer Schwachlastbelebung nacheinander unter welchen Voraussetzungen ab? (mit Formeln, Angabe der Bedingungen, Bilanzierung) 7 P äußere Schichten: tiefere Schichten 2 Warum kommt es nicht zur Nitritanreicherung? 1 P 1 Wie wird beim Chemostatverfahren ( und beim Turbidostatverfahren ( der Durchfluss geregelt? 2 P 2c) Welcher verfahrenstechnische Parameter garantiert bei der Abwasserreinigung eine Nitrifikation? 1 P 3) Wie kann man in einer Kläranlage die biologische Phosphatelimination induzieren ( und warum bzw. wie funktioniert sie nach der Induktion ( 7 P 1c) Welcher Teil einer Abwasserreinigungsanlage entspricht annähernd einem Turbidostatverfahren ( bzw. einem Chemostatverfahren ( 2 P

2 4 Wie lautet die Stöchiometrie der Denitrifikation mit Methanol als C-Quelle? (Geben Sie getrennt Nitratreduktion und Substratoxidation an) 4 P Denitrifikation: C-Abbau: 4 Bei welchem Denitrifikationsverfahren benutzt man externe C-Quellen (Beispiele)? 0,5 P 4c) Wie müssen Sie die C-Quelle dosieren? 0,5 P 4d) Wie wird die Dosierung der C-Quelle geregelt? 0,5 P 5) Mit welcher Formel kann man das Wachstum von Mikroorganismen beschreiben? (Bitte Parameter benennen mit Einheiten) 2,5 P

3 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 3) Wie kann eine Massenbilanz in einer kontinuierlichen Chemostatkultur vorgenommen werden. Leiten Sie die Bedingung aus Wachstums- und Verfahrensparametern ab. 4 P 1) Wie müssen Substrate für Mikroorganismen vorliegen und wie werden sie aufgenommen. Geben Sie für die verschiedenen Aufnahmemechanismen die Aufnahmegeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Substratkonzentration an (Beschriftung des Diagramms). 5 P 4) Wie verhindert man in einer 10-ltr.-Chemostatkultur und in einer 10- ltr.turbidostatkultur die Auswaschung, wenn µ = 1 [1/h] ist? Wieviel Nährlösung wird durchgesetzt? 2 P 2) Für das Wachstum von Bakterien gilt X = X o. e µmax. t. Leiten Sie die Formel für die Verdoppelungszeit t d ab. 2 P 4) Wie wird eine Turbidostatkultur, wie eine Chemostatkultur geregelt? 2 P

4 4) c) Was passiert in einer Chemostatkultur, wenn durch Zellrückführung die Biomassekonzentration um den Faktor 4 erhöht wird bei sonst gleichen Bedingungen und was müsste man tun, um einen Vorteil aus der Rückführung zu ziehen. 2 P 7) Wieviel Sauerstoff aus der Luft löst sich im Wasser bis zur Halbsättigung, wenn H = 36 mg/l x bar beträgt? 1P 8) Was ist nach der 2-Film-Theorie die entscheidende Diffusionsbarriere beim Übergang von Sauerstoff aus der Luft über das Wasser zu den Mikroorganismen? 1 P 5) Skizzieren Sie das Auswaschverhalten und den Verlauf der Substratkonzentration in einer kontiniuerlichen Kultur mit niedrigem K s -Wert und hohem K S -Wert. Bitte Abbildungen vollständig beschriften. 2 P 9) Wie kann die Sauerstofftransferrate ORT quantifiziert werden? (Formel mit Benennung und Einheit der Parameter). 3 P 10) Welche generellen Bedingungen in einer kontinuierlichen Kultur müssen erfüllt sein, dass sich die Sauerstoffkonzentration bei vorgegebenen Belüftungsparametern nicht mehr ändert und wie können diese Bedingungen quantifiziert werden? 2 P 6) Wovon hängt die Sauerstoffkonzentration in einer Flüssigkeit ab. (Formel mit Benennung und Einheit der Parameter) 4 P

5 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 1) Welche biologischen Reaktionen die zur Verbesserung der Wasserqualität beitragen laufen im aeroben Teil eines Abwasserteichs ab und wie tragen sie zur Qualitätsverbesserung bei? (mit Summenformeln/Reaktionsgleichungen) 7 P 3) Welche 2 Faktoren bestimmen die O 2 -Konzentration in einem aeroben Reaktor. Wie lautet die Sauerstoffbilanzgleichung im Gleichgewichtszustand? 6 P 4) Die Wachstumsrate in einem Chemostat ist..., in einem Turbidostat... 3 P Der höhere Zellertrag wird mit einem...-verfahren erreicht. 5) Erläutern Sie, warum in einem Belebungsbecken die Nitrifikation erst nach dem BSB 5 -Abbau einsetzt? 3 P 2 Wie kommt der Sauerstoff aus der Luft für den BSB 5 -Abbau in das Abwasser und wie können limitierende Schritte optimiert werden? 2 P 6) Wie verläuft die Nitrifikation in einer Schlammflocke? (Formeln und Katalysator ) 6 P 2 Welche Widerstände müssen überwunden werden und welches ist dabei der größte Widerstand? 3 P

6 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 4) Wie ändert sich die Wachstumsrate in der Übergangsphase wenn K S statt 5 mg/l 500 mg/l beträgt und welche Konzentration müsste K S theoretisch einnehmen, damit µ = 3 P µ max 2 wird? (µ max = 1 h 1, Substratkonzentration 50 g/l) 1) Welche Hauptkomponenten (Polymere) enthält ein Mikroorganismus und wofür dienen sie? 3 P ) Wie gelangen Substrate in Mikrobenzellen? 2 P 5) Nicht Zutreffendes in folgenden Fragen bitte streichen! 2 P In einem Chemostat wachsen die Mikroorganismen mit maximaler, halbmaximaler, suboptimaler, minimaler Wachstumsgeschwindigkeit. 3) Zeichnen und beschriften Sie eine Wachstumskurve eines Bakteriums. 4 P Die Durchflussrate D ist größer, gleich, kleiner als die Wachstumsrate µ. In einer ausgewogenen Nährlösung ist die Substratkonzentration im Auslauf 0.6 g/l, g/l, 0 g/l, liegt bei der threshold concentration und kann bei weiterer Inkubation weiter nicht weiter abgesenkt werden.

7 6) Bilanzieren Sie einen Turbidostat bezüglich Biomasse (Formel und Benennungen) 3 P 9 Wie viel Schlamm wird in einer Hoch- bzw. Schwachlastbelebungsanlage gebildet, wenn der gesamte lösliche BSB 5 eines Abwasser aus einer Stärkefabrik veratmet wird? Wieviel Schlamm muss entsorgt werden? 1 P Y S = 0.5 g/g in Hochlastanlage Y S = 0.25 g/g in Schwachlastanlage BSB 5 im Zulauf: 1600 mg O 2 /l BSB 5 nach Vorklärung: 1000 mg O 2 /l Schlamm gebildet...schlamm für Entsorgung... 7) Skizzieren Sie den Zusammenhang der Biomassekonzentration und der Produktivität mit der Verdünnungsrate in einem kontinuierlichen Reaktor (Benennungen angeben). Wo erhält man jeweils die höchste Produktivität? Gehen Sie von 1 bzw. 0.5 g/l Biomasse aus. 4 P 1.0 Schlamm gebildet...schlamm für Entsorgung... 9 Wieviel O 2 (mg/l) muss jeweils zugeführt werden, wenn der lösliche BSB 5 zu 100 % aus hydrolysierter Stärke besteht? (Mit Angabe der dazugehörigen Umsatzgleichung bezogen auf 1 Mol Substrat und die tatsächlich vorhandene Konzentration). 4 P Hochlast: Schwachlast: Die höchste Produktivität erhält man... 8) Wie lautet das Gesetz von Henry für die Sauerstofflöslichkeit von Luft in Wasser (mit Bezeichnung der Formelteile)? 4 P

8 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 1 Welche 3 Biopolymere (Substanzklassen) sind Hauptbestandteile von Mikroorganismen? 3 P 1 Welches weitere Biopolymer ist für Leben essentiell? 1 P 4 Wovon hängt die O 2 -Eintragsrate in einem Bioreaktor (z.b. Belebungsbecken) ab (Formel und Einheit)? 2 P 4 Wie kann der O 2 -Eintrag verbessert werden und worauf beruht der verbesserte Eintrag? 4 P 5 Wieviel Sauerstoff ist für die Veratmung von 1.8 g/l Glucose im Abwasser nötig? Bitte ableiten (MG Glucose = 180 g). 3 P 2 Wie kann das Wachstum einer aeroben Bakterienkultur in einem von Anfang an trüben Medium gemessen werden? 1 P 5 Wie oft muss von Null auf Vollsättigung (9.6 mg/l) aufgesättigt werden? 1 P 2 Mit welcher Formel kann die Wachstumsrate ermittelt werden? (Formel mit Angabe der Maßeinheiten und der Messgrößen) 2 P 5c) Wie groß muss die O 2 -Eintragsrate sein damit nach 12 h Aufenthaltszeit 1.8 g/l Glucose vollständig abgebaut werden können? 2 P µ h 1 2c) Wie kann man experimentell µ max bestimmen (Bitte Kurve in Abbildung einzeichnen mit Angabe der Achsenbeschriftung) und welche Zusatzinformationen bezüglich der Affinität zum Substrat können aus dieser Graphik entnommen werden? 3 P 6 Charakterisieren Sie stichwortartig Nitrifikanten bezüglich ihres Stoffwechsels und des Wachstums (Angabe von je 2 Eigenschaften) 2 P 6 Wieviel Sauerstoff (in mg) wird benötigt zur Oxidation von 1 g NH 3 bei der Nitrifikation? (Ableitung aus Umsatzgleichung) 2 P (MG O = 16; MG H = 1; MG N = 14 g Mol -1 ) K S = Substratkonzentration für halb maximales Wachstum [ S] 3) Mit welchem Parameter (mit Benennung der Einheit) wird eine kontinuierliche Kultur beschrieben ( und welcher Gesetzmäßigkeit muss dieser Parameter in einem Chemostaten ( und einem Turbidostaten (c) genügen. Wie wird für ( und (c) geregelt? 4 P

9 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 1) Für welche aerobe bzw. anoxische/anaerobe Prozesse der Abwasserreinigung spielen Mikroorganismen die Hauptrolle? (2 P) 2) Warum reichert sich bei der ungestörten Nitrifikation kein Nitrit an? (2P) 3) Ein Selektor in einer Kläranlage (Hochlastbelebung) entspricht eher einem Chemostat-/Turbidostatverfahren. Die Bakterien in den Schlammflocken wachsen exponentiell/substratlimitiert und reichern/reichern keine Reservestoffe an. Der Überschussschlamm ist/ist nicht mineralisiert (Richtige Antwort unterstreichen) (2P) 4) Wie kommt es zu Sauerstoffeintrag in einem Abwasserteich und welche O 2 -verbrauchenden Reaktionen laufen ab? (4 P) 5) Wie viel Prozent Überschussschlamm wird in einer Hochlastbelebung, wie viel in einer Schwachlastbelebung gebildet. Bitte aus Respirationsgleichungen für jeweils 1 kg BSB 5 ableiten. (6P) 6) Skizzieren Sie den Übergang des Sauerstoffs zu den Bakterien in der Schlammflocke und wo muss der größte Widerstand überwunden werden (Formel für O 2 -Übergang) mit Benennung der Terme und den dazugehörigen Einheiten. (7 P) 7) Im Belebungsbecken liegen im Gleichgewichtszustand ca. 0,5 mg O 2 /l vor. Wie kommt die gleichbleibende O 2 -Konzentration zustande. (Bitte Formel für OTR und Verbrauch angeben). (4 P) 8) Welche maximale Zelldichte kann in einem Laborreaktor erreicht werden, wenn K L a = 200 (1/h), Q O2 = 64 mg/(g h), der O 2 -Gehalt im Begasungsmittel 6,4 mg/l und der O 2 -Gehalt in der Flüssigkeit minimal 0,32 mg/l beträgt. Der O 2 - Eintrag soll 100 % sein. (3 P)

10 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II (1 Punkt erfordert bis zu 4 Begriffe als Antwort) 1) Welche 3 Reinigungsstufen/-verfahren des Abwassers werden in einer kommunalen Kläranlage nacheinander oder simultan/überlappend eingesetzt um das Abwasser zu reinigen? Welche Prozesse laufen dabei ab, welche Einrichtungen werden dazu gebraucht und was wird dabei erreicht bzw. muss erreicht werden (keine Grenzwerte!) 9 P 2 Bilanzieren Sie stöchiometrisch und bezüglich Massenverteilung den Umsatz von 1 Mol Glucose in einer Hochlastbelebung und einer Schwachlastbelebung. 6 P 2 Welchem kontinuierlichen Reaktorsystem entspricht bezüglich der Wachstumsrate (Wachstumsrate bitte qualitativ angeben) 2 P 2 c) Welcher ökonomische Koeffizient Y Glucose liegt vor 1 P 3) Formulieren Sie die Reaktionen der Nitrifikation so wie sie im Belebungsbecken ablaufen. Welcher Abwasserparameter ändert sich bei den Teilreaktionen wie? 6 P 4) Mit welcher Gleichung kann die Wachstumsrate µ in einem batch-ansatz in der Übergangsphase bestimmt werden? (Bitte Formelbestandteile bezeichnen, sowie Benennung und Einheiten angeben) 4,5 P 5) Welcher K S -Wert würde sich mit 3 % Glucose im Medium für µ = 90 % von µ max ergeben? 1,5 P

11 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 6) Wie erfolgt die Sauerstoffversorgung in einem Abwasserteich und wovon hängt der jeweilige Sauerstoffeintrag ab? 2 P 7) Wie kann ein Stärkekorn mineralisiert werden? (Bitte wichtigste Schritte nennen) 3 P 1 Welche Größen werden für die Biomassezunahme während des Wachstums in der log-phase benötigt (Formel mit Benennung der Parameter)? 4 P 1 Bitte lösen Sie die Wachstumsbeziehung für die Verdopplungszeit auf 2 P 2 In einem kontinuierlichen Bioreaktor soll Saccharomyces cerevisiae für die Backhefeproduktion oder alternativ für die Extraktion von Biochemikalien (z.b. ATP oder NADH 2 ) angezogen werden. Welches Verfahren wählen Sie für die Backhefeproduktion und die Produktion von Biochemikalien und was kennzeichnet diese Verfahren? 4 P 2 Für die Backhefeproduktion in einer Hefefabrik wird verdünnte Melasse mit 90 g/l Glucose eingesetzt. - Welche maximale volumenspezifische Ausbeute kann theoretisch erreicht werden ( - Wieviel Sauerstoff wird dafür benötigt ( - Welche OTR muss gewährleistet sein, wenn die Inkubationszeit bis zum Erreichen der stationären Phase 4 Tage beträgt (c)? Wie oft pro Stunde müsste eine Vollsättigung von Null bis 9 mg/l erfolgen (bitte quantitativ ableiten). 4 P 2c) Welcher K L. a-wert würde sich in einer kontinuierlichen Kultur für die OTR unter 2b/c errechnen, wenn die volle Atmungsaktivität bei einer Sauerstoffkonzentration von 2 mg/l O 2 (= C G C L ) aufrechterhalten werden kann? 2 P 3) Die Monod-Gleichung gibt die Abhängigkeit der Wachstumsrate von Mikroorganismen von der maximalen Wachstumsrate, der Substratkonzentration und der Affinität zum Substrat wieder. Formulieren Sie die Monod-Gleichung und bezeichnen Sie die einzelnen Parameter. Geben Sie die Wachstumsrate relativ zum maximalen Wachstumsrate für K S = [S] an. Die Substratkonzentration in Labormedien beträgt 2 % C-Quelle. 3 P 4) Wie berechnet sich der Sauerstoffbedarf einer wachsenden Bakterienkultur (Formel und Bezeichnung/Benennung der Formelgrößen)? 3 P 5) In einer Kläranlage herrscht im Belebungsbecken eine O 2 -Konzentration von 1.5 mg/l vor. Es werden 600 mg/l BSB 5 bei einer HRT von 16 h abgebaut. Wieviel Sauerstoff muss pro Stunde eingetragen werden? Wieviel Luft wird benötigt wenn der O 2 - Übergang 4 % beträgt 3 P

12 Aufgabe INGENIEURBIOLOGIE Termin Vertiefungsrichtung II 1) Als Kläranlagenleiter einer kommunalen Kläranlage müssen Sie dafür Sorge tragen, daß C, N und P nach den gesetzlichen Vorgaben aus dem Abwasser eliminiert werden. Die entsprechenden Prozesse für die C- und N-Elimination laufen in Ihrer Anlage in einer Hochlastbelebung, einem nachgeschalteten Tropfkörper und in einem daran anschließenden submers betriebenen Tropfkörper (Festbettreaktor) ab. Bitte charakerisieren Sie den Hauptzweck der 3 angeführten Verfahrensschritte und die jeweils relevanten Mikroorganismen nach Lebensweise, C-Quelle, Verhältnis zum Sauerstoff, C- Verwendung (C-Dissipation), Produkte des Energiestoffwechsels und relative Wachstumsgeschwindigkeit (Generationszeit). Wie ändert sich der ph-wert bei den einzelnen Reinigungsschritten? Bitte Begründung. (Je Antwort = 0,5 P) (12 P) Hochlastbelebung: Hauptzweck: Charakterisierung der beteiligten Mikroorganismen nach Lebensweise: C-Quelle: Verhältnis zum Sauerstoff: C-Verwendung (Dissipation): Produkte des Energiestoffwechsels: Generationszeit: ph-wert-änderung: Nachgeschalteter Tropfkörper: Hauptzweck: Charakterisierung der beteiligten Mikroorganismen nach Lebensweise: C-Quelle: Verhältnis zum Sauerstoff: C-Verwendung (Dissipation): Produkte des Energiestoffwechsels: Generationszeit: ph-wert-änderung: 2) In eine Hochlastbelebung fließt ständig frisches Abwasser zu. Mit welchem biotechnischen Verfahren der kontinuierlichen Anzucht ist die Hochlastbelebung vergleichbar, was charakerisiert dieses Verfahren und wie müssen dabei verfahrenstechnische Größen und mikrobielle Wachstumsparameter miteinander abgeglichen werden, um ein Auswaschen zu verhindern? Bitte jeweils die Größen definieren und mit den adäquaten Benennungen angeben. (Jede Antwort = 1 P) (7 P) 3) In eine Kläranlage fliesst ein Abwasser mit 600 mg/l BSB 5. 1/3 der BSB-Fracht wird in der Vorklärung abgeschieden. Das gereinigte Abwasser hat einen Rest-BSB 5 von 10 mg/l. 3 Wieviel Sauerstoff wird unter den gegebenen Bedingungen in der Biologie verbraucht, wenn die Überschussschlammproduktion 25 % des BSB 5 beträgt? Bitte die entstandene Menge an Überschussschlamm nachvollziehbar ableiten. 4 P (Jede Antwort = 1 P) 3 Wieviel Glucose (z.b. Abwasser aus einer Zuckerfabrik mit ausschließlich Glucose als BSB) könnte mit der berechneten Sauerstoffmenge veratmet werden? 3 P 4 Wie erfolgt die Sauerstoffversorgung in einem Abwasserteich zu den verschiedenen Tageszeiten? 2 P (Jede Antwort = 1 P) 4 Unter welchen Umständen kann ein Abwasserteich nach Fläche pro EW ausgelegt werden? 1 P 4c) Wieviel Fläche pro Einwohner wird benötigt? 1 P Charakterisierung der beteiligten Mikroorganismen nach Lebensweise: C-Quelle: Verhältnis zum Sauerstoff: C-Verwendung (Dissipation): Produkte des Energiestoffwechsels: Generationszeit: ph-wert-änderung: Submers betriebener Tropfkörper: Hauptzweck: