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<!DOCTYPE html>

<title>Fed-Batch-Prozess</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Fed-Batch-Prozess</span></h1>

</header>

</div>

<p><b>Fed-Batch-Prozess</b> (<span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Englische_Sprache" title="Englische Sprache">englisch</a></span> <span lang="en-Latn" style="font-style:italic"><i>fed</i></span> „gefüttert“ und <i><span lang="en">batch</span></i> „Stapel“ oder „Charge“) auch <b>Zulauf-Verfahren</b> ist ein in der <a href="Verfahrenstechnik" title="Verfahrenstechnik">Verfahrenstechnik</a> etablierter Begriff. Man bezeichnet damit <a href="Chargenprozess" title="Chargenprozess">Chargenprozesse</a>, die als „Stapel“, das heißt nacheinander, abgearbeitet werden und durch einen Zustrom (Zufütterung) an <a href="Edukt" title="Edukt">Edukten</a> bis zum maximalen Füllstand betrieben werden. Im Gegensatz dazu stehen <a href="Chargenprozess" title="Chargenprozess">Batch-Prozesse</a> und <a href="Kontinuierlicher_Prozess" title="Kontinuierlicher Prozess">kontinuierliche Prozesse</a>.

</p><p>Ein weiterer gebräuchlicher Begriff aus der <a href="Verfahrenstechnik" title="Verfahrenstechnik">Verfahrenstechnik</a> ist „Semi-Batch“. In diesem Fall kann auch das Abziehen von Edukt während der Batch-Verfahrweise gemeint sein, z. B. bei einer Batch-Destillation.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Zeitlicher_Verlauf">Zeitlicher Verlauf</h2></div>

<p>Ein typischer Fed-Batch-Prozess hat folgenden zeitlichen Ablauf:

</p>

<ul><li><i>teilweise</i> Befüllung des Reaktionsgefäßes mit den Ausgangsstoffen (<a href="Edukt" title="Edukt">Edukte</a>)</li>

<li><a href="Reaktion_(Chemie)" class="mw-redirect" title="Reaktion (Chemie)">Reaktion</a> der Edukte zu <a href="Produkt_(Chemie)" title="Produkt (Chemie)">Produkten</a>. Ab einer definierten Konzentration wird nun Edukt „zugefüttert“. Hierbei kann versucht werden, die Eduktkonzentration im Reaktor konstant zu halten, oder es wird ein konstanter Feed-Strom zugeführt.</li>

<li>Entleerung des Reaktionsgefäßes (Ernte) und Weiterleitung der Produkte zum <a href="Downstream-Prozess" class="mw-redirect" title="Downstream-Prozess">Downstream-Prozess</a></li>

<li>Vorbereitung des Reaktionsgefäßes auf die nächste Befüllung (Reinigung, Wartung)</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Bilanzierung">Bilanzierung</h2></div>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Stoffbilanz">Stoffbilanz</h3></div>

<p>Für die Änderung der Stoffmenge <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle n_{i}}">

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</mrow>

</msub>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle n_{i}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/57f87f905ba5a4d8c691ccaecd65fc47bd007ba4.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:2.194ex; height:2.009ex;" alt="{\displaystyle n_{i}}" loading="lazy"></span>, dem Reaktionsvolumen <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle V}">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle V}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/af0f6064540e84211d0ffe4dac72098adfa52845.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:1.787ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle V}" loading="lazy"></span>, der Stoffänderungsgeschwindigkeiten <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle R_{i}}">

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle R_{i}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/db421291be9d0103404ced7495b363437b67b6b1.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:2.564ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle R_{i}}" loading="lazy"></span>, dem Volumenstrom am Eingang des Systems <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle F}">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle F}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/545fd099af8541605f7ee55f08225526be88ce57.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:1.741ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle F}" loading="lazy"></span> und den Stoffmengen-Konzentrationen <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle c_{i}}">

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle c_{i}}</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/01acb7953ba52c2aa44264b5d0f8fd223aa178a2.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:1.807ex; height:2.009ex;" alt="{\displaystyle c_{i}}" loading="lazy"></span> im Reaktor bzw. im Feed-Strom <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle c_{F}}">

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle c_{F}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/7096b1c5a211dc20d69441596d5053416d6417e7.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:2.47ex; height:2.009ex;" alt="{\displaystyle c_{F}}" loading="lazy"></span> gilt:

</p>

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</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=V\cdot {\frac {\partial c}{\partial t}}+c\cdot {\frac {\partial V}{\partial t}}=R\cdot V+\Phi }</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/5e478357b2d490ced17413e0b94974a5b93b9fba.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.005ex; width:35.59ex; height:5.509ex;" alt="{\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=V\cdot {\frac {\partial c}{\partial t}}+c\cdot {\frac {\partial V}{\partial t}}=R\cdot V+\Phi }" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Das Reaktionsvolumen ist im Gegensatz zum kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betrieb zeitlich veränderlich:

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle {\frac {\partial V}{\partial t}}=F}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/1ce89ddd37d9e19c330b3bd161d71a16d9f36145.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.005ex; width:8.781ex; height:5.509ex;" alt="{\displaystyle {\frac {\partial V}{\partial t}}=F}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>somit ist:

</p>

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=R+{\frac {\Phi }{V}}-{\frac {c}{V}}{\frac {\partial V}{\partial t}}\quad }</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/f5d6c8db239001e1197f89aef8225504d42d7abb.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.005ex; width:25.215ex; height:5.509ex;" alt="{\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=R+{\frac {\Phi }{V}}-{\frac {c}{V}}{\frac {\partial V}{\partial t}}\quad }" loading="lazy"></span> mit <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \quad \Phi =F\cdot c_{F}}">

<msub>

</mrow>

</msub>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \quad \Phi =F\cdot c_{F}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/66378138304649696c7adaf9601658a5a08d672b.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:12.989ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle \quad \Phi =F\cdot c_{F}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>man erhält:

</p>

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=R+{\frac {F(t)}{V(t)}}(c_{F}-c)\quad }</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/185c6ffc565ccbec41b9875109421ec30d5d6e84.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.671ex; width:26.585ex; height:6.509ex;" alt="{\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=R+{\frac {F(t)}{V(t)}}(c_{F}-c)\quad }" loading="lazy"></span> bzw. <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \quad {\frac {\partial {\vec {c}}}{\partial t}}={\vec {R}}+{\frac {F(t)}{V(t)}}({\vec {c}}_{F}-{\vec {c}})}">

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</mrow>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \quad {\frac {\partial {\vec {c}}}{\partial t}}={\vec {R}}+{\frac {F(t)}{V(t)}}({\vec {c}}_{F}-{\vec {c}})}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/9785d27eb4fc92101b5c2f2b3a3935ab67580031.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.671ex; width:27.234ex; height:6.509ex;" alt="{\displaystyle \quad {\frac {\partial {\vec {c}}}{\partial t}}={\vec {R}}+{\frac {F(t)}{V(t)}}({\vec {c}}_{F}-{\vec {c}})}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Vorteile">Vorteile</h2></div>

<p>Der Fed-Batch-Prozess bietet einerseits die Möglichkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Niedrighaltung der Eduktkonzentration auf ein bestimmtes Maß zu begrenzen, was insbesondere bei stark <a href="Exotherm" class="mw-redirect" title="Exotherm">exothermen</a> Reaktionen den Vorteil bietet, die anfallende <a href="Reaktionsenthalpie" title="Reaktionsenthalpie">Reaktionswärme</a> vollständig abzuführen. Am häufigsten wird die Fed-Batch-Fahrweise bei der Kultivierung von Mikroorganismen (<a href="Fermentation" title="Fermentation">Fermentation</a>) eingesetzt. Durch eine niedrige Substratkonzentration kann hierbei eine Substratinhibierung der <a href="Monod-Kinetik" title="Monod-Kinetik">Wachstumsrate</a> verhindert werden. Im Gegensatz zum <a href="Batch-Prozess" class="mw-redirect" title="Batch-Prozess">Batch-Prozess</a>, bei dem die Endkonzentration an Biomasse aufgrund der <a href="St%C3%B6chiometrie" title="Stöchiometrie">Stöchiometrie</a> von der initialen Substratkonzentration abhängig ist, können hier deutlich höhere Endkonzentrationen an Biomasse und somit auch an Produkt erreicht werden. Ebenso wird bei einem Substrat-limitierten Fed-Batch-Prozess die Gefahr der <a href="Sekretion" title="Sekretion">Sekretion</a> von (häufig toxischen) Sekundärmetaboliten (Overflow-Produkten) geringer.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Im Gegensatz zum einfachen Batch-Prozess lässt sich die <a href="Monod-Kinetik" title="Monod-Kinetik">Wachstumsrate</a> in einem Fed-Batch-Prozess regulieren, was die Reproduzierbarkeit von Fermentationen erheblich verbessern kann.<sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Nachteile">Nachteile</h2></div>

<p>Im Gegensatz zu Batch-Prozessen ist das Reaktionsvolumen zeitlich variabel; eine Bilanzierung der Zustandsgrößen ist somit notwendig, wenn ein derartiger Prozess modelliert und simuliert werden soll. Gelingt die Modellierung, so ergeben weiterhin die gleichen Probleme bei der <a href="Scale-up" title="Scale-up">Maßstabsübertragung</a> wie beim einfach Batch-Prozess. Um die Vorteile eines Fed-Batch-Prozesses nutzen zu können, sind neben der notwendigen Modellierung auch die technischen Voraussetzungen für den gesteuerten oder geregelten Zufütterungsbetrieb notwendig. Um beispielsweise eine Eduktkonzentration auf einem konstanten Niveau zu regeln, sind einerseits entsprechende online-Messdaten und andererseits eine präzise arbeitende Zufütterung notwendig.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">J. Ljunggren, L. Häggström. 1992. Glutamine limited fed-batch culture reduces the overflow metabolism of amino acids in myeloma cells. Cytotechnology 8, 45-56.</span>

</li>

<li id="cite_note-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-2">↑</a></span> <span class="reference-text">S. Gnoth, M. Jenzsch, R. Simutis, A. Lübbert. 2008. Control of cultivation processes for recombinant protein production: a review. Bioprocess and Biosystems Engineering 31, 21-39.</span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

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