A new bioreactor system has been developed for in vivo NMR spectroscopy of microorganisms under defined physiological conditions. This cyclone reactor with an integrated NMR flow cell is continuously operated in the magnet of a 400‐MHz wide‐bore NMR spectrometer system. The residence times of medium and cells are decoupled by a circulation‐integrated cross‐flow microfiltration module to achieve higher cell densities as compared to continuous fermentations without cell retention (increase in cell density up to a factor of 10 in steady state). Volumetric mass transfer coefficients kLa of more than 1.0 s−1 are possible in the membrane cyclone reactor, ensuring adequate oxygen supply [oxygen transfer rate >15,000 mg O2 ·(L h)−1] of high cell densities. With the aid of the membrane cyclone reactor we were able to show, using continuous in vivo 31P NMR spectroscopy of anaerobic glucose fermentation by Zymomonas mobilis, that the NMR signal intensity was directly proportional to the cell concentration in the reactor. The concentration profiles of intracellular inorganic phosphate, NAD(H), NDP, NTP, UDP‐sugar, a cyclic pyrophosphate, two sugar phosphate pools, and extracellular inorganic phosphate were recorded after a shift from one steady state to another. The intracellular cyclic pyrophosphate had not been detected before in in vitro measurements of Zymomonas mobilis extracts due to the high instability of this compound. Using continuous in vivo 13C NMR spectroscopy of aerobic glucose utilization by Corynebacterium glutamicum at a density of 25 gcell dry weight · L−1, the membrane cyclone reactor served to measure the different dynamics of labeling in the carbon atoms of L‐lactate, L‐glutamate, succinate, and L‐lysine with a time resolution of 10 min after impressing a [1‐13C]‐glucose pulse.

A cyclone reactor for microbial fermentation processes was developed with high oxygen transfer capabilities. Three geometrically similar cyclone reactors with 0.5 l, 2.5 l and 15 l liquid volume, respectively, were characterized with respect to oxygen mass transfer, mixing time and residence time distribution. Semi-empirically correlations for prediction of oxygen mass transfer and mixing times were identi®ed for scale-up of cyclone reactors. A volumetric oxygen mass transfer coef®cient k L a of 1.0 s A1 (available oxygen transfer rate with air: 29 kg m A3 h A1 ) was achieved with the cyclone reactor at a volumetric power input of 40 kW m A3 and an aeration gas ow rate of 0.2 s A1 . Continuous methanol controlled production of formate dehydrogenase (FDH) with Candida boidinii in a 15 l cyclone reactor resulted in more than 100% improvement in dry cell mass concentration (64.5 g l A1 ) and in about 100% improvement in FDH space-time yield (300 U l A1 h A1 ) compared to steady state results of a continuous stirred tank reactor.

I B i o v e r f a h r e n s t e c h n i k IChemie lngenieur Technik 9 I 9 5 gesehen werden. Die rechnerische Abschatzung des Leistungseintrags bei Riihrkesseln mit Standardgeometrie bereitet heute keine Probleme mehr. Fur Schiittelkolben, in denen der bei weitem iiberwiegende Teil unserer biotechnologischen Enhvicklungsarbeiten ablauft, existieren in der Literatur noch keinerlei brauchbare Anhaltswerte. Wir haben daher nach Methoden gesucht, um den Leistungseintrag in Schiittelkolben zu messen. Gute Erfolge wurden mit einer MeRvorrichtung erzielt, bei der ein mechanischer Drehmomentaufnehmer im externen Antrieb der Schiittelapparatur sitzt. Aus der Drehzahl und dem gemessenen Drehmoment kann der Leistungseintrag berechnet werden. Reibungsverluste werden durch Differenzbildung mit einer Messung bei durch Agar verfestigter Fliissigkeit gleichen Volumens kompensiert. Es wurden Messungen mit Wasser in Abhangigkeit von der Schiittelfrequenz, der Kolbengrode, des Fiillvolumens, der Oberflacheneigenschaft des Wandmaterials, ohne und mit Schikanen und bei zwei Schiittelradien durchgefiihrt. Die Messungen im Schiittelkolben ohne Schikanen fiihrten allgemein zu ganz erstaunlich hohen Leistungseintragen, die im Bereich der bei Riihrkesseln iiblichen Werte liegen (s. Abb.). Mit dem Fiillvolumen sinkt der spez. Leistungseintrag, da die Reibungsflache zwischen Glaswand und Fliissigkeit im Verhaltnis zum Fiillvolumen unterproportional steigt. Grode Kolben weisen bei gleicher Drehfrequenz einen vergleichsweise hohen Leistungseintrag auf, da die Relativgeschwindigkeit zwischen kreisender Flussigkeit und Glaswand mit dem Radius zunimmt. Der Schiittelradius hat bei schikanelosen Kolben nur einen schwachen EinfluR.Zur Beschreibung der gewonnenen Versuchsergebnisse wurde ein mechanistisches Modell erstellt, welches auf der Berechnung der Fliissigkeitsverteilung im Schiittelkolben und der Reibungsflache zwischen Glaswand und kreisender Fliissigkeit basiert. Der lokale Widerstandsbeiwert wurde in Anlehnung an friihere Arbeiten zu stromungstechnischen Grundproblemen wie drehende Scheibe oder rotierender Zylinder mit dem 1/7-Potenzgesetz der Geschwindigkeitsverteilung in turbulenten Grenzschichten angesetzt. Die Abb. zeigt an einem Beispiel, daR die Messungen durch das Modell recht gut wiedergegeben werden.ijberraschend sind auch die Resultate aus Schiittelkolben, die mit Schikanen versehen sind. Bei kleinen Schiittelradien nimmt der Leistungseintrag mit dem Fiillvolumen zu, im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ergebnissen. Bei geringen Fiillvolumen ist der Leistungseintrag rnit Schikanen sogar kleiner als ohne Schikanen. Durch einen optischen Vergleich der Fliissigkeitsbewegung in Schiittelkolben mit und ohne Schikanen konnte schliedlich eine logische Erklamng fur dieses Phanomen gefunden werden. Bei Kolben mit Schikanen tritt zwischen der Drehbewegung des Schiitteltisches und der Rotation der Fliissigkeit ein Schlupf auf. Dieser wird mit steigendem Fiillvolumen und Schiittelradius geringer, da zunehmend grodere Teile der Fliissigkeit...