FRÜCHTE, SAFT und LEBENSMITTEL - IPN …wettbewerbe.ipn.uni-kiel.de/euso/aufgaben/07_euso_2009...Probleme, die in der Firma auftauchen und negative wirtschaftliche Auswirkungen haben

Country: __________ Language: German

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FRÜCHTE, SAFT und LEBENSMITTEL

TEST 2

Murcia, 2. April 2009 Vorgaben:

• Dauer des Test: 4h 30min

• Wenn am Ende der Zeit der Befehl „STOP“ kommt, müsst ihr sofort mit dem

Arbeiten und Schreiben aufhören.

• Nur der zur Verfügung gestellte Taschenrechner darf benutzt werden.


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Einführung

Herr Hero wurde gerade zum verantwortlichen Manager der Firma ernannt, für die er während vieler Jahre gearbeitet hatte. Er erinnerte sich an die Zeit, als er seinen Vater, Manager der Firmenzentrale über viele Jahre, fragte: „Vater, kann ich eines Tages verantwortlicher Manager der Firma werden?“ Sein Vater antwortete ihm darauf: „Natürlich hast du die Möglichkeit dies zu erreichen, wie jeder andere, der das möchte, aber um ein guter Manager zu sein, benötigst du Kenntnisse über Obstbäume, Produktionsvorgänge – sowohl aus technischer Sicht als auch bezüglich der Laboranalysen, - du musst Umfragen durchführen können und so weiter. Zudem musst du lernen, wie man mit Menschen umgeht, und wissen, wie es den Arbeitern in der Fabrik geht. Nur dann wirst du ein guter Manager sein.“

Herr Hero wollte unbedingt verantwortlicher Manager werden, um die alltäglichen Probleme, die in der Firma auftauchen und negative wirtschaftliche Auswirkungen haben könnten, lösen zu können. Bisher hatte er verantwortungsvolle Positionen in anderen Firmen inne, beschäftigte sich dabei aber vor allem mit Verkauf und Anschaffung von Rohmaterial. Das Gespräch mit seinem Vater half ihm bei seiner nächsten Entscheidung: Er musste sich auf den aktuellen Stand hinsichtlich der wissenschaftlichen Vorgänge bringen, die es der Firma erlauben, die Naturprodukte in Konservenware zu verarbeiten. Er teilte diese Entscheidung dem Aufsichtsrat mit und machte sich umgehend auf den Weg zu dem Ort an dem er seiner Meinung nach die beste Ausbildung erhalten würde – in der Fabrik, die die Firma seit 1922 in der Nähe von Murcia besitzt, im Herzen von “Huerta de Murcia”, auch bekannt als “der Obstgarten Europas”. Diese Fabrik versorgt die Firma mit erstklassigen Früchten, welche sie zur Herstellung von Marmelade und Konservenprodukten benötigt. Zudem hatte die Firma entschieden, ihre Forschungsabteilung für neue Produkte in diese Fabrik zu verlegen und neben den Hauptprodukten neue Bereiche (Produktion von Babynahrung sowie vegetarischen und Diätprodukte in Konservendosen) zu erschließen. Die überraschten Techniker der Fabrik wurden sich schnell seiner Beweggründe bewusst und empfahlen ihm seine Ausbildung in den Laboratorien der Universität von Murcia durchzuführen, denn sie unternahmen seit Jahren gemeinsame Forschungsprojekte mit den Fachbereichen der Chemie und der Biologie der Universität. Nach kurzer Rücksprache mit dem Dekan einigte man sich darauf, dass er seine „wissenschaftliche Ausbildung“ in der Abteilung der analytischen Chemie beginnen sollte. Dort würde man ihm die nötigen analytischen Techniken vermitteln, um feststellen zu können, dass die Nahrungsmittelprodukte mit den entsprechenden EU-Richtlinien übereinstimmen. Durch Zufall arbeiteten Teilnehmer des EUSO-Programms, die den Austausch von jungen Wissenschaftlern aus allen EU-Ländern ermöglichen, für mehrere Tage in der gleichen Abteilung und konnten so Herrn Hero beim Lösen der ihm gestellten Aufgaben begleiten.


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O

C CO

C C

OH

C CH2OH

OH

H

HO

AUFGABE A:

VITAMIN-C-GEHALT EINES FRUCHTSAFTES Ascorbinsäure (L-Ascorbinsäure) oder Vitamin C ist ein γ-Lacton, das von

Pflanzen und fast allen Tieren (außer Primaten und Hamstern) synthetisiert werden kann.

Langfristiger Mangel in der menschlichen Ernährung kann zu Skorbut führen,

einer Krankheit, die durch Hautläsionen, Brüchigkeit der Blutkörperchen und schlechte Wundheilung charakterisiert wird. Weiterhin ist Ascorbinsäure ein kraftvolles Antioxidans, das in Früchten vorkommt und sehr oft als Zusatz für Lebensmittel verwendet wird. Vitamin C wird aber kontinuierlich oxidiert, wenn es, wie bei Industrieprodukten, dem Sauerstoff der Luft ausgesetzt wird. Es ist ein Reduktionsmittel, das mit milden Oxidationsmitteln reagiert und Dehydro-ascorbinsäure bildet. Schematisch kann diese Gleichung auch so geschrieben werden:

AA ⇐⇒ DHAA + 2H+ + 2e− (Ascorbinsäure) (Dehydroascorbinsäure)


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O

C CO

C C

OH OH

C CH2OH

OH

HBr

H 2C

H 2C C

O

C

O

N

O

C CO

C C

CH2OH

OH

H

O O

C

+ + HBrHH 2C

H 2C C

O

C

O

N+

Die meisten chemischen Methoden zur Bestimmung von Ascorbinsäure (AA) basieren auf ihrem reduzierenden Charakter. Eine Methode, die schnell und zuverlässig ist, ist die Titration der Säure mit N-Bromosuccinimid (NBS), das als Oxidationsmittel dient. Es wandelt sekundäre Alkohole in Ketone um, die wiederum Dehydroascorbinsäure (DHAA) produzieren. Die Ketone werden weiter zu Succinimid und Bromwasserstoffsäure reduziert. Diese schnelle und äquimolare Reaktion ist in dieser Gleichung gezeigt:

NBS ist ein Oxidationsmittel, das Iod freisetzt, wenn es mit Kaliumiodid in

essigsaurer Lösung reagiert. Wenn AA vorhanden ist, wird die Ascorbinsäure zuerst oxidiert. Wenn beide Substanzen gemeinsam in Lösung vorliegen, wird Iod nur freigesetzt, wenn AA vollständig oxidiert wurde. Ein kleiner Überschuss an NBS nach der Oxidation von AA ergibt, dass sich Iod in der Lösung befindet. Das kann nachgewiesen werden, indem man vorher ein paar Tropfen Stärkelösung hinzugibt, die mit Iod einen charakteristischen blauen bis blau-violetten Komplex bilden. Nun lass uns zur Arbeit schreiten, den Labormantel anziehen, und mit den Sicherheitsregeln im Hinterkopf führen wir folgendes Experiment durch: EXPERIMENTELLE DURCHFÜHRUNG: Um die Ascorbinsäure (AA) oder Vitamin C im Fruchtsaft zu bestimmen, benötigt ihr:

- einen Filzstift - Magnetrührer - drei Magnetrührstäbchen - Bürettenstativ - 250 mL Messkolben aus Plastik - 25 mL Bürette - Mikropipette und Spitzen - fünf 50 mL Bechergläser - 100 mL Becherglas - 25 mL Messzylinder aus Plastik - Plastiktrichter - Glasfläschen mit Ascorbinsäure [gekennzeichnet als Ascorbic acid] - N-Bromosuccinimidlösung [NBS sol.] - 4 % Kaliumjodidlösung, [KI(aq), 4 %] - 10% Essigsäurelösung, [Acetic acid, 10 %] - Stärkelösung [Starch] - Fruchtsaftprobe [Juice sample]


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WARNUNG: Wenn du die Titration beendet hast, gib Abfälle und Reste in die richtigen Behälter neben den Laborspülbecken. A) Standardisierung der NBS Lösung Um die Menge an Vitamin C in der Probe (Fruchtsaft) zu bestimmen, muss die NBS-Lösung vorerst standardisiert werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, sollte dies durch Titration mit mehreren AA-Lösungen bekannter Konzentration gemacht werden. Mit Hilfe eines Graphen können wir die Menge an AA-Lösung in Beziehung zum eingesetzten Volumen der NBS-Lösung setzen, die für die Titration benötigt wurde. Stellt zuerst eine AA-Lösung bekannter Konzentration her.

1. Wiegt die Menge an festen AA (Molare Masse 176.13 g mol-1), die zur Herstellung von 250 mL einer 3·10-3 M (3mM) Lösung benötigt wird, möglichst genau, in einem Becherglas ab. Schreibt die berechnete Masse und die tatsächlich eingewogene Masse in den Antwortbogen unter (A.1). Gebt 50-60 mL destilliertes Wasser in das Becherglas, legt ein Magnetrührstäbchen hinein und rührt vorsichtig mit Hilfe des Magnetrührers um. Sobald sich alles AA gelöst hat, stellt einen Trichter in den 250 mL Messkolben und gießt den Inhalt des Becherglases in den Messkolben. Spült das Becherglas dreimal mit einer kleinen Menge destilliertem Wasser und gebt dieses Spülwasser ebenfalls in den Messkolben. Füllt abschließend den Messkolben mit destilliertem Wasser bis zum Eichstrich auf, um die gewünschte Lösung zu erhalten.

2. Beschriftet die 50 mL Bechergläser von 1 bis 5 mit dem Filzstift. Pipettiert mit der Mikropipette exakt 1, 2, 3, 4 und 5 mL AA-Lösung in die nummerierten Bechergläser. Schreibt die Masse an AA in jedem Becherglas in den Antwortbogen unter (A.2). Füllt die Bürette mit NBS-Lösung. Gebt in ein Becherglas mit AA-Lösung

2 mL der 4%igen KI-Lösung, 0.5 mL der 10%igen Essigsäure-Lösung, 3 Tropfen der Stärkelösung und ungefähr 10 mL destilliertes Wasser (das

dest. Wasser kann mit einem Messzylinder abgemessen werden).

Gebt ein Magnetrührstäbchen in das Becherglas und stellt es auf den Magnetrührer. Rührt vorsichtig um. Beginnt mit der Titration, in dem ihr


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langsam die NBS-Lösung zutropft bis die Tropfen zu einer wieder verschwindenden blauen Färbung führen. Gebt dann zusätzlich zwei Tropfen Stärkelösung in das Becherglas und tropft nun sehr vorsichtig NBS-Lösung hinzu, bis sich im Becherglas eine dauerhaft blaue Lösung bildet. Wiederholt obiges Vorgehen mit den anderen vorbereiteten Bechergläsern. Schreibt in den Antwortbogen das Volumen an NBS-Lösung, das zum Erreichen des jeweiligen Äquivalenzpunktes benötigt wird und vervollständigt die Tabelle in (A.2). Tragt in einem Graph die Masse an AA, die sich in jedem Becherglas befindet, gegen das eingesetzte Volumen an NBS-Lösung auf, das ihr bei der jeweiligen Titration verbraucht habt (A.3).

B) Bestimmung des AA-Gehaltes in Fruchtsaft

Wiegt möglichst genau 5 g Fruchtsaft in einem trockenen 50 mL oder 100 mL Becherglas ab. Gebt 15-20 mL destilliertes Wasser dazu. Pipettiert die gleichen Mengen KI-Lösung, Essigsäure und Stärkelösung wie oben in das Becherglas. Titriert nun diese Lösung mit NBS. Wiederholt nun die Titration mit der gleichen Menge der selben Fruchtsaftlösung. Schreibt die Volumina der beiden Titrationen in den Antwortbogen unter (A.4). Benutzt den Graphen um die Masse AA, die jeder titrierten Probe Fruchtsaft entspricht, mit Hilfe der eingesetzten NBS-Lösung, zu bestimmen. Schreibt die Werte in den Antwortbogen unter (A.5). Berechnet nun den prozentualen Anteil (Masse/Masse) von AA, der im Fruchtsaft enthalten ist, und schreibt die Antwort in den Antwortbogen unter (A.6).

Herr Hero ist fasziniert von der Arbeit und den erhaltenen Ergebnissen. Trotzdem gibt es immer noch etwas, das ihn beschäftigt. Er fragt sich: ”Wieviele 200 mL Saftpäckchen müsste eine Person jeden Tag trinken, um den von der EU vorgeschlagenen Tagesbedarf von 60 mg Vitamin C pro Person zu decken?” Seine Geschäftspartner möchten ihm möglichst gut helfen und schlagen vor, dass er die Dichte des Saftes mit der von Wasser gleich setzen kann, um das Problem unter (A.7) im Antwortbogen zu lösen.


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AUFGABE B

Herr Hero ist stark an biotechnologischen Verfahren interessiert, vor allem an den Teilbereichen, in denen seine Firma tätig ist. Er hat gehört, dass es im Bereich der Getränkeherstellung durch Mikroorganismen viele Neuerungen gibt wie zum Beispiel Multifruchtsäfte und/oder Fruchtgetränke auf Milchbasis, deren Herstellung bislang sehr problematisch und vor allem teuer war. Mit dem ihm typischen Eifer wendet er sich an die Universität vor Ort, wo ihm die Genetiker und Mikrobiologen zeigen, wie man diese Mikroorganismen erkennt und welche Techniken man anwenden muss um neuartige Produkte zu entwickeln. Bei der Analyse von Vitamin C hat er eine Gruppe von Studenten der EUSO kennen gelernt und hofft, dass diese ihm auf die Sprünge helfen, um sein Wissen auf den neuesten Stand der Dinge zu bringen. Das Beste, was wir hier tun können, ist, ihm ein paar Grundinformationen zum Thema zu liefern. Mikroorganismen sind Lebewesen, die kleiner als 0,1 mm sind, und die nur mit Hilfe eines Mikroskops sichtbar gemacht werden können. Sie gehören zu den drei großen Reichen: den Bakterien, den Archaea und den Eukaryonten. Bakterien und Archaea sind Prokaryonten, d.h. sie besitzen keinen Zellkern, so dass ihr Erbmaterial (DNA) frei im Zellplasma vorliegt. Zu den eukaryotischen Mikroorganismen zählen einige Pilzgruppen, nämlich die Hefepilze und die Schimmelpilze. Schimmelpilze haben eine fadenförmige Morphologie und bilden unterschiedlich geformte Sporen, die zur systematischen Einteilung herangezogen werden. Hefepilze dagegen sind einzellige, eiförmige Pilze. Sowohl eukaryotische als auch prokaryotische Mikroorganismen werden in biotechnologischen Verfahren zur Herstellung von Molekülen wie Aminosäuren, Vitaminen, Enzymen usw. genutzt. Zum Beispiel wird das Enzym Pektinase, industriell zum Abbau von Pektin, einem wichtigen Bestandteil der Zellwand von Pflanzen, eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie katalysiert dieses Enzym die Hydrolyse von Pektin und reduziert somit die Viskosität von Fruchtsäften und anderen Lebensmitteln. Mit diesem Grundwissen ausgestattet sollte Herr Hero in der Lage sein, die beiden Aufgaben zu verstehen, denen sich die EUSO-Studenten stellen müssen. Im ersten Teil, B1, sollen die Studenten die Mikroben der gelieferten Kulturen (A, B, und C) mit Hilfe des Mikroskops identifizieren. Im zweiten Teil, B2, wird die Pektinase-Aktivität des Kulturmediums bestimmt. Dazu ermitteln die Studenten die Abnahme der Viskosität eines Fruchtsaftes, nachdem der Überstand (inkl. extrazellulärer Enzyme) von verschiedenen Kulturen hinzugefügt wurde.


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Die Viskosität einer Flüssigkeit, in unserem Falle die unbehandelte Probe und die unterschiedlich behandelten Fruchtsäfte, werden mit einem so genannten Viskosimeter bestimmt. Dabei hängt die Durchflusszeit der Flüssigkeit durch ein bestimmtes Kapillarrohr von deren Viskosität ab. B1. Bestimmung Pektinase produzierender Mikroorgansimen, die zur Untersuchung von Fruchtsäften interessant sind. Aufpassen: Um zeitökonomisch zu arbeiten, muss Test B1 während der 40 min Inkubationszeit von Test B2 durchgeführt werden. Starte daher mit Test B2.

Benötigtes Material - 3 Untersuchungsproben in Eppendorf-Gefäßen (A, B und C) - Objektträger und Deckgläschen - Mikroskop - Immersionsöl - Kunststoff-Pasteurpipetten

Experimentelles Vorgehen

Entnimm zur Beobachtung der Mikroorganismen-Kulturen (A, B und C) aus jeder Probe jeweils mit einer frischen Pasteurpipette etwas Kultur und trage einen Tropfen davon auf je einen Objektträger auf. Decke die Präparate vorsichtig mit einem Deckgläschen ab.

Untersuche das erste Präparat mit dem Mikroskop. Drehe zuerst das 40x-Objektiv ein. Wenn es damit nicht möglich ist, den Mikroorganismus zu erkennen, drehe das 100x-Objektiv ein. Gib im letzten Fall zuerst einen Tropfen Immersionsöl im Strahlendurchgang auf das Deckgläschen, sodass beim Hereindrehen des Objektivs das Öl zwischen Linse und Deckgläschen Kontakt mit beiden hat (siehe Abbildung). Führe diese Schritte mit allen drei Kulturen durch.

Objektträger

Objektiv

1 Tropfen Immersionsöl

Deckgläschen


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Beantworte die Fragen im Antwortblatt durch den Vergleich der Fotografien B 1.1 mit den drei mikroskopischen Untersuchungen. B1.1. Setze auf der Basis der folgenden Fotos und deiner mikroskopischen Unter-suchungen jedes Präparat mit einem der Fotos in Beziehung. Mache die Beziehung durch Verbindungslinien im Antwortbogen zwischen der jeweiligen Probe und Fotonummer deutlich.

2. Staphylococcus

1. Aspergillus

3. Saccharomyces

4. Escherichia coli

5. Spirillum 6. Penicillium


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B.1.2. Kreuze mit einem (X) in dem entsprechenden Kästchen des Antwortbogens den Typ des Mikroorganismus an (Bakterie, Schimmelpilz oder Hefepilz), die du im Mikroskop für die Kulturen A, B und C beobachtet hast. B.1.3. Identifiziere mit Hilfe der folgenden schematischen Abbildungen, die die häufigsten Formen von Bakterien zeigen, sowie den Fotos in B 1.1 die Morphologie von Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Spirillum sp., durch Angabe der dazugehörigen Nummer im Antwortbogen (B.1.3).

B.1.4. Kreuze mit einem X an, ob die Aussagen im Antwortbogen richtig oder falsch sind.


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Aufgabe B2. Bestimmung der Pektinase-Produktion in Kulturen von Mikroorganismen Benötigtes Material

- Viskosimeter - Heizofen mit einer Temperatur von 37 ºC - Saftprobe - 6 Reagenzgefäße mit Schraubverschluss - Ein Plastik-Container für die Gefäße - Destilliertes Wasser - Eppendorf-Reagenzgefäßständer mit den folgenden Proben:

1.- Wasser 2.- in Wasser gelöste Pektinase mit einer Konzentration von 0,005 Units/mL 3.- in Wasser gelöste Pektinase mit einer Konzentration von 0,02 Units/mL 4.- in Wasser gelöste Pektinase mit einer Konzentration von 0,06 Units/mL 5.- Überstand der Kultur A 6.- Überstand der Kultur B

- Uhr - Pipettierhilfe - Mikropipette - Spitzen für die Mikropipette - Markierstift - Taschenrechner - Plastikbecher zur Verwendung als Wasserbad - Plastiktrichter aus der Aufgabe A

Versuchsdurchführung

a) Gib je 10 mL der Saftprobe in jedes Reagenzglas. b) Beschrifte die Gefäße mit 1-6. c) Gib zu jedem Gefäß 0,5 mL der Lösung vom zugehörigen Eppi, also 0,5 mL

von der Probe im Eppendorfgefäß Nummer 1 zum Reagenzglas Nummer 1, 0,5 mL vom Eppendorfgefäß Nummer 2 zum Reagenzglas Nummer 2 usw.

d) Mische den Inhalt jedes Reagenzglases gut. e) Stelle die Reagenzgläser in den Reagenzglashalter und erkundige dich beim

Laborassistenten, wo sich der Heizofen befindet. f) Inkubiere die Reagenzgläser bei 37 ºC für 40 Minuten. Gehe jetzt zur Frage B1

zurück! g) Kühle nach der Inkubationszeit die Reagenzgläser in Leitungswasser für 30

Sekunden.


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Viskosität ist eine Eigenschaft, die mit der inneren Reibung oder Zähigkeit einer fließenden Substanz verbunden ist. Sie kann leicht unter Bedingungen einer laminaren (wirbelfreien) Strömung gemessen werden, bei der man sich vorstellen kann, dass dünne Schichten der Flüssigkeit sich übereinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.

Bei der Strömung von Flüssigkeiten mit gemäßigter Geschwindigkeit durch Röhren handelt es sich ebenfalls um eine laminare Strömung: die dünne Flüssigkeitsschicht, die mit der Gefäßwand in Kontakt steht, ist stationär, die nächste Schicht bewegt sich langsam, die darauffolgende Schicht etwas schneller etc. Daher kann man die Flüssigkeit als eine Reihe konzentrischer Zylinder betrachten, von denen sich jeder mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, die zum Zentrum hin zunimmt. Poiseuille studierte die Bewegung von Flüssigkeiten in Kapillaren und fand eine direkte Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsvolumen, welches die Kapillare pro Zeit durchströmt, und deren Geschwindigkeit. Für ein bestimmtes Viskosimeter kann die Viskosität folgendermaßen beschrieben werden:

ν = kν· tc

wobei ν die dynamische Viskosität, kν eine (für das Viskosimeter und die Dichte) charakteristische Konstante und tc die Fallzeit darstellen. Die am häufigsten verwendete Einheit für die Viskosität ist ein Centipoise, cP, also ein Hundertstel eines Poise, P, (1 g cm-1 s-1).

Das Gerät zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit ist als Viskosimeter bekannt. Manche einfachen Geräte wie z. B. das in der Abbildung gezeigte Cannon-Fenske-Viskosimeter, beruhen auf der Messung der Zeit, welche die Flüssigkeit zur Passage durch eine Kapillare aufgrund der Schwerkraft benötigt. Gehe nun folgendermaßen vor, um die Viskosität der Proben nach der Inkubations-zeit mit Hilfe eines solchen Viskosimeters zu bestimmen:


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- Gib mit Hilfe des Plastiktrichters aus der vorherigen Aufgabe 10 mL der Lösung Nummer 1 nach der Inkubation in die breitere Öffnung des Viskosimeters, das sich im Wasserbad befinden soll.

- Richte das Viskosimeter möglichst senkrecht aus und warte ausreichend lange, damit die Flüssigkeit die Temperatur des Wasserbades erreichen kann.

- Sauge mit Hilfe der Pipettierhilfe über die Öffnung des dünneren Armes des Viskosimeters etwas von der Flüssigkeit nach oben, bis der Kolben A bis zur Hälfte gefüllt ist.

- Entferne die Pipettierhilfe von der Öffnung und lass die Flüssigkeit herunterströmen, so dass das Gerät damit gespült wird.

- Sauge die Flüssigkeit nochmals genauso hoch und miss dieses Mal mit Hilfe der Uhr die Zeit, die die Flüssigkeit zum Herunterfallen von der oberen Marke des Kolbens B zur unteren Marke benötigt.

- Nimm das Viskosimeter aus dem Wasserbad heraus. (Löse dazu die Gummi-Befestigung, die es hält.) Gib etwas destilliertes Wasser in das Viskosimeter und entleere den gesamten Inhalt ins Waschbecken. Spüle das Viskosimeter zweimal mit destilliertem Wasser aus bevor du es wieder in das Wasserbad zur Messung der nächsten Probe stellst.

- Miss auf die gleiche Weise die Viskosität der Flüssigkeiten in den anderen Probengefäßen.

B2.1. Schreibe die Fallzeiten für jede Flüssigkeit in die Tabelle. B2.2. Fertige einen Graphen an, in dem die Fallzeiten der Proben, die mit der käuflichen Pektinase behandelt wurden, über die Enzymkonzentration aufgetragen werden. Vergiss nicht, diesen Graphen mit dem Antwortbogen abzugeben! B2.3. Identifiziere die Mikroorganismenkultur (A oder B), die Pektinase produziert. Berechne darin die Pektinaseaktivität und gib diese in Aktivitätseinheiten pro Milliliter Überstand an. B2.4. Berechne die Änderung der Viskosität der Probe (in cP) als Ergebnis der Behandlung mit der pektinaseproduzierenden Kultur unter Verwendung der Angabe: Viskosität = 0,25 cP s-1 x Zeit B2.5. Wie sieht die Einheit der Viskosität in Einheiten des Internationalen Systems (SI) aus? Was ist ihr Äquivalent in Centipoises? B2.6. In einer Firma soll Saft mit einer Viskosität von 16 cP hergestellt werden. Wie hoch muss die Konzentration der Pektinase zur Behandlung von 10 mL der Fruchtpräparation sein, wenn die Behandlung wie im vorherigen Versuch erfolgt? Wie viele Aktivitätseinheiten Pektinase werden dann für 5000 L der Fruchtpräparation benötigt?


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AUFGABE C Jetzt benötigt Herr Hero noch Informationen über die thermischen Eigenschaften von Säften. Damit kann er die Wärmeenergie berechnen, welche dem Fruchtsaft entzogen werden muss, um ihn für den Transport abzukühlen.

In der physikalischen Fakultät werden Versuche ausgeführt, um die spezifische Wärme von Flüssigkeiten basierend auf Callendar und Barnes' Methode zu ermitteln. Die EUSO Studenten werden auch mit dieser Aufgabe betraut und nach einigen Experimenten ist es ihnen gelungen ein geeignetes Kalorimeter zu bauen, um die Messung auszuführen. Wissend, dass er ebenso viel wie bei den anderen Experimenten lernt, tritt Herr Hero ins Team ein, das im Begriff ist, die spezifische Wärmekapazität von einem der Säfte zu messen, die sie analysiert haben. Ihr braucht: • Ein Durchflusskalorimeter. Das Gerät ist thermisch isoliert und mit einer internen

Heizung (Widerstand, R = 100 Ω) und einem Durchflussregler (Ventil) ausgestattet. • Zwei Temperatursensoren • Uhr • Vorratsgefäß für den Fruchtsaft • Spannungsregler, um die Spannung (U) für die Heizung zu regeln.

Achtung! Hohe Spannung, nur den Schalter, nicht die Leitungen berühren! • Digitales Vielfachmessgerät • Ein 500 mL Plastikbecher • Waage

1.- Vorratsgefäß 2.- Durchflussregler 3.- Ausflussrohr 4.- Isolation 5.- Spannungsregler 6.- Abfluss T1 und T2.- Sensoren der Thermometer.

Das Bild zeigt den Versuchsaufbau


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Das Verfahren besteht darin, den Saft durch die isolierte Röhre zu leiten, in der ein Widerstand die Flüssigkeit (Saft) erhitzt. Mit der zugeführten Energie und dem Temperaturanstieg (bei einem gegebenen Massenfluss und konstantem Druck), kann die spezifische Wärmekapazität vom Saft aus einer Energiebilanz bestimmt werden.

Die folgenden Annahmen müssen dabei gemacht werden: - die Flüssigkeit ist nicht komprimierbar, - die Dichte der Flüssigkeit bleibt trotz des Temperaturanstiegs konstant; - die bei der Reibung zwischen der Flüssigkeit und den Wänden vom Schlauch

entstehende Wärme kann vernachlässigt werden; - der Wert des elektrischen Widerstands bleibt trotz Änderungen der Temperatur

konstant; - der Gleichgewichtszustand wird erreicht, wenn sich die Eingangs- und

Ausgangstemperaturen mit der Zeit nicht mehr ändern; - die Änderung der kinetischen und potentiellen Energie zwischen Eingang und

Ausgang der Flüssigkeit ist vernachlässigbar; - die Eingangs- und Ausgangsquerschnitte sind gleich.

Die Energie, die einer gegebenen Masse, die durch den Schlauch fließt, zugeführt

wird, beträgt:

Energiezugeführt = Energieaufgenommen von der Flüssigkeit + Verluste

Diese in der Zeit t zugeführt Energie ist die vom Widerstand R umgewandelte Energie

Energiezugeführt = (U2/R)·t

wobei U die angelegte Spannung am Widerstand ist. Die von der Flüssigkeit aufgenommene Energie ist:

Energieaufgenommen von der Flüssigkeit = m·cp·ΔT wo m die Masse der Flüssigkeit, cp seine spezifische Wärmekapazität und ΔT der Temperaturanstieg der Flüssigkeit zwischen dem Eingang (T1) und Ausgang (T2) sind.

Obwohl das Kalorimeter isoliert ist, gibt es zwangsläufig einen kleinen Energieverlust an die Umgebung. Wir müssen diese Wärmeverluste berücksichtigen.


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Deshalb kann die Energiebilanz durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

(U2/R)·t = m·cp·ΔT + Verluste Wenn wir diese Gleichung durch die Zeit dividieren, erhalten wir:

KTcmR

UP +Δ⋅⋅= &

2

(1)

wo m& der Massefluss (Masse pro Zeit), bei einer gleich bleibenden Stellung des Durchflussreglers ist und K die an die Umgebung abgegebene Energie (Verluste) pro Zeit bezeichnet. Der erste Teil der Gleichung ist die zugeführte elektrische Leistung. Weil der Term Verluste unbekannt ist, müssen experimentelle Messungen mindestens zweimal unter unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt werden. Durch Einstellen des Masseflusses m& bei verschiedenen Spannungen U kann ein Gleichgewichtszustand mit gleicher Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur erreicht werden. In diesem Fall kann der Term Verluste (K) für alle Experimente gleich angenommen werden. EXPERIMENTELLES VORGEHEN

Bittet die Laboraufsicht vor Einschalten der Apparatur darum, alle Verbindungen zu überprüfen und nachzusehen, dass das Kalorimeter mit Saft gefüllt ist. Bittet die Laboraufsicht, im Antwortbogen unter C.1 zu unterschreiben. Sie wird die Apparatur für euch einschalten. OHNE DIE UNTERSCHRIFT DER LABORAUFSICHT BEKOMMT IHR KEINE PUNKTE FÜR DIESEN TEIL DES TESTS! Experiment 1 - Öffnet das Ventil zur Regulierung des Massenflusses, um sicherzustellen, dass das

Kalorimeter mit Saft versorgt wird. Stellt sicher, dass der ausfließende Saft in den Ausfluss fließt.

- Schaltet das Kalorimeter an und stellt die Spannung mit Hilfe des Spannungsreglers auf einen Wert von etwa 100 V ein.

- Beachtet, dass die Temperatur T2 mit der Zeit zunimmt, bis sie einen nahezu konstanten Wert annimmt. T1 ändert sich während des Experimentes nur wenig. Versucht, in diesem Versuchsteil einen möglichst geringen Massenfluss einzustellen. Verstellt dazu den Durchflussregler sehr vorsichtig. Der Massenfluss sollte so gewählt werden, dass die Ausflusstemperatur ungefähr 37°C, aber nicht mehr als 40°C beträgt.


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- Überprüft die Temperatur des ein- und ausfließenden Saftes (lasst die Temperatur des ausfließenden Saftes um die 37°C sein). Es ist nicht notwendig, die Temperaturen an dieser Stelle aufzuschreiben. Wenn sich die Temperatur des ausfließenden Saftes nur noch wenig ändert (weniger als 0,2°C in der Minute), kann angenommen werden, dass ein Gleichgewichtszustand erreicht worden ist.

- Wartet, bis sich dieser Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Fangt dann die in einer bestimmten Zeitdauer ausfließende Menge Saft mit dem Becherglas auf. Die Zeit muss mit der Uhr genau gemessen werden (z.B. 1 Minute, eine andere Zeitdauer ist aber auch in Ordnung). Tragt in den Antwortbogen (C.2) sowohl die beiden gemessenen Temperaturen als auch die Spannung jeweils am Start in der Mitte und am Ende der Zeitdauer ein. Notiert ebenfalls die Zeitdauer, die Ihr zum Auffangen der Flüssigkeit in dem Becherglas verwendet habt.

- Berechnet die Mittelwerte der Temperaturen T1, T2 und der Spannung U für das Experiment und tragt diese in die Tabelle unter C.2 ein.

- Wiegt mit der Waage die Masse MSaft des Saftes aus und berechnet den Massenfluss unter Berücksichtigung der Zeit, die Ihr zum Auffangen der Flüssigkeit verwendet habt. (Achtung: Benutzt zwei Bechergläser zur Bestimmung der Masse des aufgefangenen Saftes, wenn die Masse zu groß für die Anzeige der Waage ist). Tragt diese Ergebnisse in die Tabelle unter C.2 auf dem Antwortbogen ein.

Experiment 2 - Verstellt den Durchflussregler um etwa eine halbe Drehung und beobachtet, wie

die Ausflusstemperatur sinkt. Stellt die Spannung auf etwa 140 V ein. - Nach einer Weile wird die Ausflusstemperatur (T2) beginnen anzusteigen.

Verändert den Massenfluss, um die gleichen Temperaturen in diesem Experiment wie in dem ersten zu erhalten.

- Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes mit gleichen Temperaturen des ein- und ausfließenden Saftes wie in Experiment 1: Fangt die in einer bestimmten Zeitdauer ausfließende Menge Saft mit dem Becherglas auf. Die Zeit muss mit der Uhr genau gemessen werden (es kann die gleiche Dauer wie im 1. Experiment oder eine andere sein). Tragt eure Messwerte wie vorher in den Antwortbogen ein (C.2).


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Experiment 3 - Wiederholt dieses Vorgehen für eine neue Spannung (etwa 180 V) und einen

neuen Massenfluss. Schreibt alle Werte in das Antwortblatt unter C.2. Zeichnet ein Diagramm der Leistung U²/R über dem Massenfluss m& (C.3). Bestimmt mit Hilfe dieser Zeichnung die spezifische Wärmekapazität cP, in SI-Einheiten (C.4).

Wie viel Energie hat die Widerstandsheizung während der Zeit, die für das

Sammeln des Saftes in Experiment 2 benötigt wurde, abgegeben (C.5)? Wie viel Energie muss von 10.000 L Saft abgeführt werden, um den Saft von

15°C auf 4°C (der üblichen Temperatur in Vorratstanks) abzukühlen (C.6)? Eine wichtige Voraussetzung bei diesen Experimenten ist das Erreichen eines

Gleichgewichtszustandes, bei dem sich die Temperaturen für den ein- und ausfließenden Saft nicht ändern. Wesentlich dafür ist der Massenfluss. Um einen gleichmäßigen Massenfluss zu gewährleisten, wird eine sogenannte MARIOTTE-FLASCHE als Vorratsbehälter verwendet (Vorratsgefäß in der Zeichnung). Sie besteht aus einem abgeschlossenen Behälter, in das ein dünnes Röhrchen eingeführt wurde. Das untere Ende des Röhrchens taucht dabei in die Flüssigkeit ein, während das obere Ende an der Umgebungsluft ist. Gib unter C.7 auf dem Antwortbogen an, welche Aussage FALSCH ist:

a) Die Mariotte-Flasche stellt sicher, dass der Massenfluss beim Abfließen der Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß zeitlich konstant bleibt.

b) Die Mariotte-Flasche stellt sicher, dass der Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Vorratsgefäß bei der Entleerung zunimmt.

c) Die Mariotte-Flasche stellt sicher, dass der Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Vorratsgefäß bei der Entleerung abnimmt.

d) Die Mariotte-Flasche ist so konstruiert, dass die Außenluft den oberen Teil des Vorratsgefäßes erreichen kann.

HERZLICHEN GLÜCKWUNSCH!

IHR HABT ES GESCHAFFT!

VERGESST NICHT, EURE MEDAILLEN UND URKUNDEN AM SAMSTAG, DEN 04. APRIL ABZUHOLEN.

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ANTWORTBOGEN

TEST 2

2. April 2009

Country________________

Team ______

Namen und Unterschriften ___________________ ___________ ___________________ ___________ ___________________ ___________ Ihr habt drei Kopien dieser Antwortblätter erhalten. Verwendet zwei davon als Konzeptblätter und bewahrt die dritte Kopie auf, um dort eure Endergebnisse einzutragen!!

Country _______________ Team _________

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Aufgabe A

A.2.

A.3. Diagramm

Vergesst nicht euer Diagramm mit dem Antwortbogen abzugeben!!!

Becher-glas Nr.

Volumen der Ascorbinsäure-lösung (mL)

Masse der enthaltenen

Ascorbinsäure (g)

Benötigtes NBS-Volumen

(mL)

Konzentration der NBS-Lösung

(M)

1

2

3

4

5

A.1. Berechnung der Masse der benötigten Ascorbinsäure um 250 mL einer 3·10-3 M Lösung zu erhalten. (Angabe mit drei signifikanten Stellen!) Eingewogene Masse der Ascorbinsäure

Country _______________ Team _________

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A.5. Masse der Ascorbinsäure : Probe 1 Probe 2

A.6. Prozentualer Anteil (Masse/Masse) der Ascorbinsäure im Fruchtsaft:

A.4. Masse des Fruchtsaftes (Titration 1)

Bei Titration 1 benötigtes NBS-Volumen Masse des Fruchtsaftes (Titration 2) Bei Titration 2 benötigtes NBS-Volumen

A.7. Wie viele 200 mL Päckchen dieses Fruchtsaftes muss eine Person pro Tag trinken, um die empfohlene EU-Tagesdosis zu erreichen:

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AUFGABE B B1.1 Bildnummer:

Kultur: 1

A 2 3 B 4 C 5 6

B1.2 Bakterien Schimmelpilze Hefepilze A B C

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B1.4 Richtig Falsch

Sowohl Prokaryoten als auch eukaryotische Zellen haben Zellorganellen mit Membranen wie die, die Mitochondrien und Chloroplasten einhüllen.

Penicillin ist für die Behandlung bakterieller Infektionen wirksam, weil es zellwandähnliche Strukturen angreift, die im menschlichen Körpergewebe nicht vorkommen.

Nur prokaryotische Zellen haben an der Proteinbiosynthese beteiligte Ribosomen.

Nur eukaryotische Zellen haben Mikrotubuli, die an der Wanderung der Chromosomen während der Mitose beteiligt sind.

B1.3. Ordne den folgenden drei Bakterienarten die äußeren morphologischen Merkmale aus dem gegebenen Schema (1-6) zu:

Escherichia coli Staphylococcus aureus Spirillum sp.

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B2.2. Tragt auf dem mm-Papier Fallzeiten gegen Enzymkonzentrationen ein und zeichnet den Graphen. VERGESST NICHT, DIESES DIAGRAMM MIT DEN ANTWORTBLÄTTERN ZUSAMMEN ABZUGEBEN!

B2.3. Identifiziert die Kolonie der Mikroorganismen, A oder B, die Pektinase produziert und berechnet die Pektinase-Aktivität in ihr (ausgedrückt durch Aktivitätseinheiten pro Milliliter Überstand).

Kultur: Pektinaseaktivität:

B2.4. Berechnet die Viskositätsänderung (in cP) der Probe, die als Folge der Behandlung mit der Pektinase-produzierenden Kultur auftritt, indem ihr berücksichtigt, dass: Viskosität = 0,25 cP s-1 x Fallzeit

B2.1. Tabelle. Röhrchen Nummer Enzymkonzentration (Units/mL) Fallzeiten (s)

1

2

3

4

5 -

6 -

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B2.6. In einer Firma soll Saft mit einer Viskosität von 16 cP hergestellt werden. Wie hoch muss die Konzentration der Pektinase zur Behandlung von 10 mL der Fruchtpräparation sein, wenn die Behandlung wie im vorherigen Versuch erfolgt?

Wie viele Aktivitätseinheiten Pektinase werden dann für 5000 L der Fruchtpräparation benötigt?

B2.5. Wie sieht die Einheit der Viskosität in Einheiten des Internationalen Systems (SI) aus? Was ist ihr Äquivalent in Centipoises? Berücksichtige, dass 1 cP = 1x10-2 P. SI-Einheit:

…. cP

SI

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AUFGABE C C.1. Unterschrift der Laboraufsicht (OHNE DIE UNTERSCHRIFT DER LABORAUFSICHT GIBT ES KEINE PUNKTE FÜR DIESEN TEIL DES TESTS!)

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C.2 Untersuchung T1 oC T2

oC U (Volt) MSaft (g) Zeit (s) Massenfluss (g/s)

1 Start Mitte Ende

2 Start Mitte Ende

3 Start Mitte Ende

Untersuchung Mittelwerte

T1 oC T2oC U (Volt)

1 2 3

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C.3. Füge dein Diagramm der Leistung U²/R über dem Massenfluss m& hinzu! C.4. Wert von cp in SI-Einheiten cp =

C.7. Welche von folgenden Aussagen ist FALSCH?

a) Die Mariotte-Flasche stellt sicher, dass der Massenfluss beim Abfließen der Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß zeitlich konstant bleibt.

b) Die Mariotte-Flasche stellt sicher, dass der Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Vorratsgefäß bei der Entleerung zunimmt.

c) Die Mariotte-Flasche stellt sicher, dass der Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Vorratsgefäß bei der Entleerung abnimmt.

d) Die Mariotte-Flasche ist so konstruiert, dass die Außenluft den oberen Teil des Vorratsgefäßes erreichen kann.

C.5. Wie viel Energie hat die Widerstandsheizung während der Zeit, die für das Sammeln des Saftes in Experiment 2 benötigt wurde, abgegeben?

C.6. Es sollen 10 000 L Saft von 15°C auf 4°C abgekühlt werden. Wie viel Energie muss dem Saft entzogen werden? Nehmt an, die Dichte des Safts sei gleich derjenigen des Wassers.

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