391031 Reaktionstechnik (V+Ü) (WiSe 2025/2026)

Thema der Vorlesung
Bioprozesse sind großtechnische Verfahren zur Herstellung kommerzieller Produkte wie Antibiotika, therapeutischer Proteine und Impfstoffe sowie zur Behandlung und zum Abbau von Abfällen, beispielsweise in Kläranlagen. Die Bioverfahrenstechnik als Teilgebiet der Reaktionstechnik befasst sich mit der Konstruktion, Analyse und Optimierung (bio-)chemischer Umwandlungssysteme für industrielle Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Reaktionskinetik, Katalyse, und der Auslegung von Reaktoren.

Lehrinhalte
Den Kern dieses Moduls bildet die Reaktionstechnik als zentrale ingenieurwissenschaftliche Disziplin zur Analyse, Modellierung und Auslegung von Stoffumwandlungsprozessen sowie zur Beschreibung des Verhaltens unterschiedlicher Reaktortypen. Die Einführung erfolgt anhand enzymatischer Reaktionen als klar definierte, rein reaktive Modellsysteme. Anhand dieser Beispiele werden grundlegende Konzepte der Reaktionskinetik erarbeitet, insbesondere Enzymkinetiken, Inhibitionsmechanismen sowie die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von pH-Wert und Temperatur.
Darauf aufbauend wird die Vermehrung von Mikroorganismen und Zellen zunächst im Kontext allgemeiner reaktionstechnischer Prinzipien behandelt. Anschließend werden die spezifischen Anforderungen und Besonderheiten der Kultivierungstechnik für mikrobielle Systeme sowie für pflanzliche und tierische Zellen vertieft. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf prozessspezifischen Strategien zur Bilanzierung, zur Prozesssteuerung und zur Optimierung biotechnologischer Produktionssysteme.
Ergänzend werden Methoden zur rechnergestützten Auslegung, Simulation und Planung biotechnologischer Prozesse eingeführt. Die Modellierung und numerische Analyse erfolgen mithilfe von Python, um theoretische Konzepte praxisnah abzubilden und quantitativ zu untersuchen.

Praktikumsvorbereitung (Jo Max Risse)
Im Praktikum Biotechnologie 3 werden die Kultivierung von Mikroorganismen in Bioreaktoren und die Aufarbeitung der entsprechenden Produkte behandelt. Die einzelnen Versuche beinhalten die Kultivierung eines gentechnisch veränderten E. coli-Klons und die Aufnahme und Auswertung von Prozessparametern während der Kultivierung, die Isolierung eines rekombinanten Proteins durch Zellaufschluss und weitere Aufarbeitungsverfahren. Zur Herstellung eines niedermolekularen Produktes in Form von Penicillin G wird die Kultivierung eines Pilzes im Submersverfahren durchgeführt. Es schließt sich auch hier die Isolierung und Quantifizierung des Produkts an.

Nach Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage:
• chemische Reaktionen, Reaktionskinetiken und Bilanzen zu berechnen und diese zur Auslegung und Bewertung von (bio)technologischen Prozessen anzuwenden;
• die Wirkungs- und Funktionsweise verschiedener Bioreaktortypen zu erläutern und ihr Verhalten unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu analysieren;
• grundlegende Verfahren der Bioprozesstechnik zu beschreiben und zentrale Prinzipien des Scale-ups biotechnologischer Prozesse zu erklären.

Requirements for participation, required level

Empfohlene Vorkenntnisse sind die Vorlesungen Biotechnologie 1 und 2 sowie Programmierkenntnisse in Python.

Bibliography

• Horst Chmiel, Bioprozesstechnik, 2011, DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8274-2477-8
• Wilfried Storhas, Bioverfahrensentwicklung, 2013, ISBN: 978-3-527-32899-4
• Clemens Posten, Integrated Bioprocess Engineering, 2018, DOI: https://doi.org/10.1515/9783110315394