Photobioreaktordesign Untersuchungen hinsichtlich der Einsetzbarkeit von Silicon als neuartiges Reaktormaterial
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1 Photobioreaktordesign Untersuchungen hinsichtlich der Einsetzbarkeit von Silicon als neuartiges Reaktormaterial Ferdinand von Sperber, Martin Heining, Christian Walter, Rainer Buchholz Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 4. Bundesalgenstammtisch, 04. u. 05. Mai 2011
2 Entwicklung am BVT Reaktoren (PSM) Blasensäule V = 0,9 L A/V = 80 m 2 m -3 definierte Prozessführung In-situ sterilisierbar künstliche Beleuchtung skalierbar Optimierung Screening 2
3 Entwicklung am BVT Reaktoren (Medusa) Airlift-Schlaufenreaktor V = 25 L A/V = 38,5 m 2 m -3 definierte Prozessführung In-situ sterilisierbar künstliche Beleuchtung skalierbar Produktion 3
4 Entwicklung am BVT Scale-Up BTM [g L -1 ] 100,00 10,00 1,00 PSM 80 µmol/(m 2 s) [T. König; 2007] [B. Klein; 2010] 25 L Medusa 120 L 0,10 PSM µmol/(m 2 s) 120 L Medusa µmol/(m 2 s) 25 L Medusa 80 µmol/(m 2 s) 0, Zeit [d] PSM 4
5 Silicon Ansatz Borosilikatglas durch Siliconrohre ersetzen Bereitstellung Wacker Chemie AG Ziel günstigere und flexiblere geschlossene PBR neuartige Reaktorkonzepte Herausforderung Transparenz des Silicons bei PAR Einflüsse von Kultivierungen auf das Material Typ Elastosil R plus 4305/70 MH Beschreibung BfR und FDA Zulassung hohe Transparenz extrudierte Rohre 5
6 Versuchsplan 6
7 Untersuchungen des Silicons Biokompatibilität Modellorganismus Porphyridium purpureum Silicon-Plättchen A = 163,4 cm 2 Kultivierungsbedingungen 100 U/min, 25 C, 60 µmol/(m 2 s), 3 vol% CO 2 7
8 Untersuchungen des Silicons Transmissionsmessung Hintergrund Material nicht transparent Einflüsse auf PAR? Reproduzierbare Messung Methodik Messung gesamter Schlauch Messung Stanzling LI-190 Quantum Sensor, Fa. LiCOR Leuchtstoffröhre Lumilux Cool White Referenz = Luft 3-fach Bestimmung 8
9 Untersuchungen des Silicons Absorptionsmessung Hintergrund Wellenlängenabhängige Absorption? Einlagerungen nach Kultivierung? Methodik SPECORD 210, Fa. AnalyticJena λ-scan: 350 nm 850 nm ausgeschnittenes Schlauchstück Probenadapter 5-fach Bestimmung Referenz = Luft 9
10 Untersuchungen des Silicons optische Eigenschaften Darstellung der Transmission und Absorption des Rohmaterials Referenz 1,0 Transmission T = I/I Luft Absorption E λ = -log(i/i Luft ) 0,6 0,9 Transmission [-] 0,8 0,1 Absorption [-] 0,4 0,2 0, , Bestrahlungstärke [µmol/(m 2 *s)] Wellenlänge [nm] 10
11 Einflüsse Sterilisation Transmission Sattdampf 121 C 20 min Dipl. Ing. Ferdinand von Sperber 11
12 Einflüsse Sterilisation Absorption ohne Medium kein Einfluss artifi. Salzwasser kein Einfluss Absorption [-] 0,6 0,4 0,2 0,0 0, Wellenlänge [nm] Referenz 1-mal autoklaviert 5-mal autoklaviert 10-mal autoklaviert 15-mal autoklaviert 20-mal autoklaviert Referenz 1-mal autoklaviert 5-mal autoklaviert Absorption [-] 0,6 0,4 artifizielles Salzwasser Referenz 1-mal autoklaviert 5-mal autoklaviert 10-mal autoklaviert 15-mal autoklaviert 20-mal autoklaviert 10-mal autoklaviert 15-mal autoklaviert Absorption [-] 0,4 0,2 20-mal autoklaviert 0,2 0, Wellenlänge [nm] Süßwasser kein Einfluss 0,6 Referenz 1-mal autoklaviert 5-mal autoklaviert 10-mal autoklaviert 0,0 Absorption [-] 0,4 0,2 0, Wellenlänge [nm] 15-mal autoklaviert 20-mal autoklaviert Wellenlänge [nm] 12
13 Einflüsse Sterilisation mechanische Eigenschaften Shore A Härte, Weiterreisswiderstand [N/mm], Rückprallelastizität [%], Reissfestigkeit [N/mm 2 ] Reissdehnung [%] Durchführung nach den jeweiligen DIN-Normen Autoklaviergänge [-] Shore A Härte Weiterreisswiderstand [N/mm] Rückprallelastizität [%] Reissfestigkeit [N/mm²] Reissdehnung [%] 13
14 Einflüsse Sterilisation Kultivierungen Hintergrund Einfluss auf Kultivierung? Einfluss der Kultivierung? 10 Kultivierungsbedingungen Schlauch-PSM Arbeitsvolumen = 0,9 L Porphyridium purpureum 120 µmol/(m 2 s) 25 C 0,5 vvm BTM [g/l] 1 0,1 Referenz (Glas-PSM) Schlauch-PSM 1x autoklaviert Schlauch-PSM 5x autoklaviert Schlauch-PSM 10x autoklaviert Schlauch-PSM 20x autoklaviert 3 Vol.-% CO Prozesszeit [d] 14
15 Kultivierungseinfluss 1,00 0,95 0,90 vor Kultivierung nach Kultivierung nach Rückautoklavieren Referenz STABW Referenz nach Kultivierung Transmission [-] 0,85 0,80 0,75 0,20 0,10 nach Rückautoklavieren 0,00 20x autoklaviert 10x autoklaviert 5x autoklaviert 1x autoklaviert 15
16 Einflüsse Kultivierung Methodik Hintergrund Simulation Langzeitkultivierung Einlagerung absorbierender Moleküle? Methodik 2 L Erlenmyerkolben Schlauch in Bulk Kultivierungsbedingungen Porphyridium purpureum 60 µmol/(m 2 s) 25 C 3 Vol.-% CO U/min 16
17 BTM [g/l] Einflüsse Kultivierung Absorption 1 Kultivierungsverlauf Absorption [-] 0,8 0,6 0,4 Absorptionsmessung 1. Kultivierung vor Autoklavieren 1. Kultivierung nach Autoklavieren 2. Kultivierung vor Autoklavieren 2. Kultivierung nach Autoklavieren 3. Kultivierung vor Autoklavieren 3. Kultivierung nach Autoklavieren Referenz 0,1 1. Kultivierung 2. Kultivierung 3. Kultivierung 0, Prozesszeit [d] 0, Wellenlänge [nm] 17
18 Einflüsse Kultivierung Transmission 1,00 0,95 Transmissionsmessung Referenz 0,90 0,85 Transmission [-] 0,80 0,75 0,20 0,10 0,00 erste Kultivierung zweite Kultivierung dritte Kultivierung vor nach Rückautoklavieren vor nach Rückautoklavieren vor nach Rückautoklavieren 18
19 Scale-Up 25 L Medusa 10 1 BTM [g/l] 0,1 P. purpureum Glas P. purpureum Silicon Zeit [d] 19
20 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Biokompatibilität gegeben Dampfsterilisation ohne negative Effekte auf das Material Kultivierungen haben keinen Einfluss auf das Material Untersuchungen auf weitere Algenstämme ausweiten Skalierbarkeit für weitere Algenstämme Vergleichbarkeit Glas- und Siliconreaktor ist gegeben Maßstabsvergrößerung möglich 20
21 Dank Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (Prof. Dr. Rainer Buchholz) Arbeitsgruppe Marine Biotechnologie Maris Cohv (Photos) Wacker Chemie AG Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ferdinand von Sperber -Erlangen-Nürnberg
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