Steuerung und Regelung eines Bioreaktors mit dem Prozessleitsystem WinErs

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1 Steuerung und Regelung eines Bioreaktors mit dem Prozessleitsystem WinErs Bachelor-Thesis im Fachbereich Medizintechnik der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik an der Hochschule Ulm vorgelegt von: Andreas Zink Matrikel-Nr.: Datum: Betreuer: Dipl. Ing. R. Miller Erstprüfer: Prof. Dr. M. Hessling Zweitprüfer: Prof. Dr. Dr. R. Blechschmidt-Trapp Bearbeitungszeitraum: November-Februar 2010

2 I. Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, Andreas Zink, dass ich diese Bachelor-Thesis mit dem Thema: Steuerung und Regelung eines Bioreaktors mit dem Prozessleitsystem WinErs im Fachbereich Medizintechnik/ Biotechnologie der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik an der Hochschule Ulm, selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Ort, Datum Andreas Zink I

3 II. Zusammenfassung In dieser Bachelor-Thesis wird die Entwicklung einer Prozess-Software für die Steuerung und Regelung eines Bioreaktors beschrieben. Bei dem Bioreaktor handelt es sich um einen 7 Liter Labor- Fermenter der Hochschule Ulm. Dieser ging aus einer früheren Diplomarbeit hervor (Gruber, 2005). Aufgrund von technischen Erweiterungen des Reaktors ergaben sich neue Anforderungen und Möglichkeiten für die Prozess-Software, welche deshalb neu umgesetzt werden musste. Diese wurde mit der Laborversion II des Prozessleitsystems WinErs erstellt. WinErs ermöglicht neben dem Lösen von regelungstechnischen Aufgaben auch das Gestalten einer eigenen Prozessvisualisierung. So wurde eine individuelle und optisch ansprechende Benutzeroberfläche geschaffen. Die Prozess-Software des Bioreaktors wurde in Modulgruppen aufgeteilt. Diese entsprechen der Zusammengehörigkeit von Hardware-Komponenten. Die Trennung der Modulgruppen erfolgt logisch sowie optisch. Die Logik einer WinErs-Software steckt in Blockstrukturen und Grafcet-Plänen, welche somit Gruppenspezifisch angelegt sind. Die optische Trennung ist durch die Gestaltung der Benutzeroberfläche umgesetzt. Es wurden Regelkreise für alle wichtigen Prozessparameter des Bioreaktors erstellt. Hierzu zählen die Regelung von Temperatur, ph-wert, Schaumbildung und Sauerstoffpartialdruck (po 2 ). Für den Sauerstoffpartialdruck gibt es verschiedene Regelstrategien. Dieser kann über den Gasfluss, die Rührerdrehzahl oder beiden gleichzeitig geregelt werden. Der Gasfluss wird über zwei Massendurchflussregler eingestellt. Davon ist einer für Luft, der andere für Sauerstoff, wodurch man die Gaszusammensetzung selbst bestimmen kann. Weiterhin wurden Teile einer parallel laufenden Bachelor-Thesis zur Abgasanalyse (Princz, 2010) integriert. Zum Teil darauf aufbauend wurde ein erster Ansatz für die geregelte Glukose-Zufütterung bei der Hefe-Fermentation geschaffen. Um diese zu optimieren, müssen aber erst mehr Erfahrungen in weiteren Versuchen gesammelt werden. Es ist zum Beispiel noch unklar inwiefern und wie stark sich verschiedene Größen beeinflussen. Neben den Regelungen kann der gesamte Bioreaktor auch manuell gesteuert werden. Außerdem wurden eine Berechnung des Reaktorinhalts und eine Verbraucherabhängige Zellmassenbestimmung implementiert. Damit der Bioreaktor auch von anderen Standorten bedient werden kann, wurde eine Remote- Software eingerichtet, über welche man den Computer des Bioreaktors steuern kann. Dadurch können längere Fermentationen, die unter Umständen mehrere Tage dauern, auch von zuhause kontrolliert werden. II

4 Inhaltsverzeichnis III. Inhaltsverzeichnis I. Eidesstattliche Erklärung... I II. Zusammenfassung... II III. Inhaltsverzeichnis... III IV. Abbildungsverzeichnis... VI V. Tabellenverzeichnis... IX VI. Symbolverzeichnis... X 1. Einleitung Aufgabenstellung Grundlagen Der Fermentationsprozess Definition und Ablauf Bioreaktoren Wichtige Prozessparameter Fermentationsverfahren Die Wachstumsphasen Regelungstechnik Steuerung Regelung Regelung von Bioprozessen Wichtige Regler bei Bioprozessen Ermitteln von Reglereinstellungen Glukose-Zufütterung bei der Backhefe-Fermentation Stoffwechsel der Backhefe Theoretisches Zulaufschema Ausgleichsregelung des Zulaufschemas III

5 Inhaltsverzeichnis 3.4. Prozessleitsystem WinErs WinErs Laborversion II Blockstrukturen Grafcet-Pläne Prozessbilder Signaldefinition Prozessanschlüsse Technische Ausstattung des Bioreaktors Sensoren Stelleinrichtungen Prozessanschluss Prozess-Software Prozessbilder Bedienfenster Prozessverläufe Allgemeine Blockstrukturen Pumpenleistung Reaktorinhalt Standard Modulgruppen Begasung Korrekturmedien Temperatur Erntepumpe Rührerdrehzahl Optionale Modulgruppen Abgasanalytik Optische Dichte Zufütterung IV

6 Inhaltsverzeichnis 6. Prozess-Fernüberwachung Umsetzung Ermittlung der Reglereinstellungen Pumpenkalibrierung Temperatur-Regelung ph-regelung po 2 -Regelung Glukose-Regelung Literaturverzeichnis A) Anhang A.1) Signaldefinitionen A.2) Blockstrukturen & Grafcet-Seiten V

7 Verzeichnisse IV. Abbildungsverzeichnis Abbildung 3-1: Prinzipieller Aufbau eines Rührkesselreaktors (Anlehnung an Chmiel, 2006) Abbildung 3-2: ph-wert Skala Abbildung 3-3: Schematische Darstellung des Einflusses der Temperatur auf die Wachstumsrate von E. coli (Anlehnung an Mordukhova, Lee, & Pan, 2008) Abbildung 3-4: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs = Substratkonzentration; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Abbildung 3-5: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Fed-Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs = Substratkonzentration; t1= Start des Substrat-Zulaufs (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Abbildung 3-6: Schematischer Aufbau einer Steuerung Abbildung 3-7: Schematischer Aufbau einer Regelung Abbildung 3-8: Schaltverhalten eines Zweipunkt-Reglers Abbildung 3-9: Sprungantwort mit Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Abbildung 3-10: Sprungantwort ohne Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Abbildung 3-11: Auswertung einer Sprungantwort; Tu = Verzugszeit; Tg = Ausgleichszeit; y = Differenz der Stellgröße; x = Differenz der Regelgröße; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Abbildung 3-12: Auswertung einer Sprungantwort; T = T-Summe; Ks=Streckenverstärkung; y = Differenz der Stellgröße; x = Differenz der Regelgröße; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Abbildung 3-13: Beispiel eines Regelkreises als Blockstruktur Abbildung 3-14: Beispiel eines Grafcet-Plans Abbildung 4-1: Foto des Bioreaktors während einer Fermentation Abbildung 5-1: Prozessbild Bedienfenster Abbildung 5-2: Prozessbild - Prozessverläufe Abbildung 5-3: Einstellfenster der Pumpenkalibrierung Abbildung 5-4: Kalibrierung des Pumpenantriebs PD Abbildung 5-5: Einstellungen für Reaktorinhalt Abbildung 5-6: Einstellungen Begasungs-Modul Abbildung 5-7: Anzeige des Begasungs-Moduls im Bedienfenster Abbildung 5-8: Einstellungen des Korrekturmedien-Moduls Abbildung 5-9: Korrekturmedien-Anzeige im Bedienfenster Abbildung 5-10: Einstellungen des Temperatur-Moduls Abbildung 5-11: Einstellungen der Erntepumpe Abbildung 5-12: Anzeige der Erntemenge im Bedienfenster Abbildung 5-13: Rührer Einstellungen VI

8 Verzeichnisse Abbildung 5-14: Anzeige der Modulgruppe für Abgasanalytik im Bedienfenster Abbildung 5-15:Einstellungen der Abgasanalytik Abbildung 5-16: Einstellungen für optische Dichte Abbildung 5-17: Anzeige der Modulgruppe für optische Dichte im Bedienfenster Abbildung 5-18: Einstellungen der Zufütterung Abbildung 5-19: Anzeige des Zufütterung-Moduls im Bedienfenster Abbildung 7-1: Temperatur-Regelung Abbildung 7-2: Sichere Temperatur-Regelung Abbildung 7-3: ph-regelung Abbildung 7-4: po 2 -Regelung durch Gasfluss Abbildung 7-5: Bleibende Gasfluss-Schwankung bei Regelung Abbildung 7-6: Gasfluss-Schwankung bei Zugabe von Sauerstoff Abbildung 7-7: po 2 -Regelung durch Rührerdrehzahl Abbildung 7-8: po 2 -Regelung durch Gasfluss & Rührer Abbildung 7-9: Glukose- & Ethanol-Gehalt Abbildung 7-10: Zellwachstum & Zulaufrate Abbildung 7-11: Pumpendrehzahl-Regelung Abbildung A-1: Pumpenleistung Abbildung A-2: Reaktorinhalt Abbildung A-3: Gasfluss-Regelung Abbildung A-4: Gaszusammensetzung Abbildung A-5: ph-regelung Abbildung A-6: Antischaum-Regelung Abbildung A-7: Temperatur-Regelung Abbildung A-8: Erntepumpe Abbildung A-9: Rührer-Regelung Abbildung A-10: Abgasanalytik Abbildung A-11: Zufütterung Pumpensteuerung Abbildung A-12: Glukose-Zufütterung; Bestimmung der Zulaufrate Abbildung A-13: Glukose-Zufütterung; Bestimmung der Pumpendrehzahl Abbildung A-14: Zellmassenbestimmung Abbildung A-15: Pumpenabschaltung der Abgasanalytik Abbildung A-16: Massendurchflussregler-Steuerung Abbildung A-17: Tankzulauf Berechnung Abbildung A-18: Aktivierung anderer Module für Glukose-Zufütterung VII

9 Verzeichnisse Abbildung A-19: Sprungantwort; Rührerdrehzahl= 400 [1/min]; Gasfluss 1 auf 4 [l/min] Abbildung A-20: Sprungantwort; Gasfluss=3,5 [l/min]; Drehzahl 400 auf 700 [1/min] VIII

10 Verzeichnisse V. Tabellenverzeichnis Tabelle 3-1: Formelzeichen Sauerstofflöslichkeit Tabelle 3-2: Formelzeichen P-Regler Tabelle 3-3: Formelzeichen I-Glied Tabelle 3-4: Formelzeichen D-Glied Tabelle 3-5: Formelzeichen Zweipunktregler Tabelle 3-7: Formelzeichen für Tabellenfaktor α Tabelle 3-8: Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick (Hass & Pörtner, 2009) Tabelle 3-9: Einstellregeln nach T-Summen-Verfahren (Hass & Pörtner, 2009) Tabelle 3-10: Formelzeichen - Zellmasse Tabelle 3-11: Formelzeichen Substratverbrauch Tabelle 3-12: Formelzeichen Substratbilanz Tabelle 3-13: Formelzeichen Respirationsquotient Tabelle 5-1: Formelzeichen Pumpenleistung Tabelle 5-2: Formelzeichen Reaktorvolumen Tabelle 5-3: po 2 Regelstrategien Tabelle 5-4: Formelzeichen - po 2 -Gasfluss-Regelung Tabelle 5-5: Formelzeichen Obere Stellwertgrenze Tabelle 5-6: Formelzeichen Gaszusammensetzung am Eingang Tabelle 5-7: Formelzeichen ph-regelung Tabelle 5-8: Formelzeichen Restmenge eines Vorratstanks Tabelle 5-9: Formelzeichen Gefördertes Volumen Tabelle 5-10: Formelzeichen Zulaufrate Tabelle 5-11: Formelzeichen Berechnung Betriebsintervall Tabelle 7-1: Kalibrierungsdaten der PD5201-Pumpe mit 4mm Schlauchinnendurchmesser Tabelle A-1: Analoge Signale Tabelle A-2: Analoge Ausgänge Tabelle A-3: Analoge Merker Tabelle A-4: Binäre Eingänge Tabelle A-5: Binäre Ausgänge Tabelle A-6: Binäre Merker IX

11 Verzeichnisse VI. Symbolverzeichnis Symbol Einheit Beschreibung O 2 - Sauerstoff CO 2 - Kohlenstoffdioxid N 2 - Stickstoff c O2 [kg/m³] Gelöste Sauerstoffkonzentration p [bar] Druck T [ C] Temperatur Y(t) - Stellsignal eines Reglers e(t) - Regeldifferenz oder Eingangssignal eines Reglers K p - Reglerverstärkung T n [s] Nachstellzeit T v [s] Vorhaltzeit H - Hysterese t n [s] Zeitpunkt n Ks - Streckenverstärkung x - Differenz der Regelgröße y - Differenz des Stellgröße α - Tabellenfaktor T g [s] Ausgleichszeit T u [s] Verzugszeit V R [l] Volumen des Reaktorinhalts X [g] Zellmasse im Reaktor c x [g/l] Zellenkonzentration im Reaktor μ max [1/h] Max. spezifische Wachstumsrate X 0 [g] Zellmasse zu Beginn der Fermentation S [g] Substratmenge im Reaktor c s [g/l] Substratkonzentration im Reaktor Y X/S - Zellsubstratausbeute F [l/h] Substratzulaufrate c s 0 [g/l] Substratkonzentration im Substrat-Tank RQ - Respirationsquotient Q CO2 [mol] Kohlendioxidbildungsrate X

12 Verzeichnisse Q O2 [mol] Sauerstoffaufnahmerate V P [ml] Gefördertes Volumen einer Pumpe ZV P [ml/s] Pumpenzeitvolumen einer Pumpe T Gesamt - Summe der Gasbestandteile T Luft - Luftanteil am Gesamtvolumenstrom T O2 - O 2 -Anteil am Gesamtvolumenstrom Q Luft [l/min] Volumenstrom des Luft-Durchflussreglers Q O2 [l/min] Volumenstrom des O 2 -Durchflussreglers Q Gesamt [l/min] Gesamtvolumenstrom (PID Stellgröße) E X O2 [%] Sauerstoffanteil im Gesamtgasfluss E X CO2 [%] Kohlenstoffdioxidanteil im Gesamtgasfluss E X N2 [%] Stickstoffanteil im Gesamtgasfluss V Restmenge [ml] Restmenge eines Vorratstanks V Tank [ml] In den Vorratstank eingefüllte Menge V Pumpe [ml] Geförderte Pumpmenge t Ein [s] Pumpenlaufzeit pro Minute (Pumpenantrieb PD 5201) t V [s] Pumpeneinschaltverzögerung (Pumpenantrieb PD 5201) XI

13 1. Einleitung 1. Einleitung Schon seit Jahrtausenden benutzen Menschen Mikroorganismen sehr vielseitig. Damals spielte vor allem die Herstellung von Lebensmitteln eine große Rolle, wobei nicht bekannt war, dass kleine Lebewesen für die verschiedenen Prozesse verantwortlich sind. Frühgeschichtliche Aufzeichnungen belegen, dass zum Beispiel schon mehrere Jahrhunderte vor Christus die Herstellung von Brot, alkoholischen Getränken oder Essig bekannt war. Heute hat sich die gezielte Anwendung von Mikroorganismen auf viele weitere Bereiche ausgedehnt. Eine der Ursachen hierfür, sind zum Beispiel die enormen Fortschritte der Gentechnik in den letzten Jahrzehnten. So haben sich Anwendungsgebiete für Bioprozesse erschlossen, die kaum mehr wegzudenken sind. Zum Beispiel werden viele wichtige Medikamente mit hoch entwickelter Bioprozesstechnik hergestellt. Hierzu zählen unter anderem Antibiotika, Insulin oder Impfstoffe. Doch auch in anderen Bereichen wie Landwirtschaft, Umweltschutz oder Chemieindustrie, erhalten Bioprozesse immer größere Bedeutung. So heißt es zum Beispiel: Ohne die heutigen Möglichkeiten zur biologischen Klärung von Abwässern käme es sicher zu einer ökologischen Katastrophe. (Bartholmes, Kaufmann, & Schwarz, 1996). Bioprozesse sind in der Regel sehr komplexe Vorgänge. Meist steht eine starke Vermehrung der Organismen oder die Gewinnung von Stoffwechselprodukten im Vordergrund. Um dies zu erreichen, muss ein optimales Milieu geschaffen werden. Dazu werden viele wichtige Zustandsgrößen ständig an die Bedürfnisse angepasst. Hierzu zählen zum Beispiel Temperatur, ph-wert oder die Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen. Um diese Forderung zu erfüllen, wird ein Bioprozess in einem abgeschlossenem System durchgeführt. Außerdem soll dadurch gewährleistet werden, dass keine Fremdkeime den Prozess stören oder beeinflussen. Dazu wird ein Bioreaktor eingesetzt, welcher die Rahmenbedingungen stellt, um den Prozess zu überwachen, zu steuern und ihn von der Außenwelt abzugrenzen. Diesen Prozessablauf in einem Bioreaktor nennt man Fermentation. Um die Ausbeute, Qualität und auch Kosten der Fermentation zu optimieren, ist ein hohes Maß an Automatisierung erforderlich. Ein Bioprozess hat aber keinen typischen linearen Ablauf, sondern ist von vielen dynamischen Einflussfaktoren abhängig. Zusätzlich lassen sich einige wichtige Prozessparameter nur indirekt und meist auch zeitverzögert messen. Es werden somit insgesamt hohe Ansprüche an Bioprozesstechnik und Regelungen gestellt. Um diesen Rechenaufwand zu bewältigen, ist ein Bioreaktor meist mit einem Computer verbunden. Auf diesem läuft eine spezialisierte Software für die Steuerung und Regelung des Reaktors. Durch die Verwendung eines Computers, ergeben sich außerdem Vorteile in der Bedienung und vor allem auch in der Messerwerterfassung und Verarbeitung

14 1. Einleitung Diese Bachelor-Thesis befasst sich primär mit dem Entwickeln und Verbessern einer Software dieser Art, mit dem Prozessleitsystem WinErs. Diese soll dann bei dem vorhandenen Bioreaktor der Hochschule Ulm zum Einsatz gebracht werden. Literatur zu Abschnitt 1 Bartholmes, P., Kaufmann, M., & Schwarz, T. (1996). Schadstoffabbau durch optimierte Mikroorganismen. Berlin: Springer. Diekmann, H., & Metz, H. (1991). Grundlagen und Praxis der Biotechnologie. Stuttgart: Gustav Fischer Verlag. Schmid, R. (2002). Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH

15 2. Aufgabenstellung 2. Aufgabenstellung Die Fakultät Mechatronik und Medizintechnik der Hochschule Ulm besitzt einen funktionsfähigen Bioreaktor. Dieser ist das Ergebnis einer vorangegangen Diplomarbeit (Gruber, 2005). Der Reaktor wurde in jüngster Zeit technisch erweitert und verändert. Zu den Erweiterungen zählen die Implementierung einer Abgasanalyse (Princz, 2010) und der Einbau von zwei Massendurchflussreglern für Luft und Sauerstoff. Die Gaszufuhr erfolgte bisher über Magnetventile, was keine genaue Dosierung des Gasstroms zuließ. Dies ist nun über die Durchflussregler möglich, wodurch man auch die genaue Gaszusammensetzung berechnen kann. Da der alte Prozessanschluss über die serielle Schnittstelle keine weiteren Signale mehr aufnehmen konnte, musste auch dieser erneuert werden. Der Prozessanschluss ist nun über einen Ethernet-TCP/IP-Buskoppler realisiert. Durch diese Veränderungen werden neue Forderungen an die Prozesssoftware gestellt. Das Hauptziel dieser Bachelor-Thesis ist eine Neuentwicklung der Prozess-Software des Bioreaktors der Hochschule Ulm. Dies soll wie bisher mit dem Prozessleitsystem WinErs erfolgen. Die Software muss benutzerfreundlich gestaltet sein und alle relevanten Prozessdaten anzeigen. Ebenso muss es möglich sein alle Prozessparameter einzustellen, um den Verlauf einer Fermentation zu steuern. Der Fermentationsverlauf soll aufgezeichnet werden können, um nachträgliche Auswertungen anzustellen. Weiterhin ergeben sich folgende Aufgaben: Erstellen einer Regelung für ph-wert, Temperatur und Schaumbildung. Durch die Massendurchflussregler ergeben sich neue Regelstrategien für den po 2 -Wert. Dieser soll nun über die Sauerstoffzufuhr, die Rührerdrehzahl oder beiden geregelt werden können. Außerdem soll man die Gasmischung aus Luft und O 2 bestimmen können. Eine geregelte Glukose-Zufütterung für die Hefe-Fermentation. Hierfür muss die Steuerung einer weiteren Pumpe mit dosierbarer Zulaufrate integriert werden. Die Regelkreisstrukturen der Abgasanalytik müssen integriert und angepasst werden. Ansteuerung der Erntepumpe. Dies war bisher nicht möglich, da der Prozessanschluss keine weiteren Signale verarbeiten konnte. Berechnung des Reaktorinhalts durch Zu- und Abläufe aller Pumpen. Verbraucherabhängige Zellmassenbestimmung aufgrund der optischen Dichte. Fermentationen können mehrere Tage dauern und müssen regelmäßig kontrolliert werden. Da der Bioreaktor der Hochschule Ulm nicht mobil ist, muss ständig eine Person vor Ort sein um diese Kontrollen durchzuführen. Deshalb soll zusätzlich eine geeignete Möglichkeit gefunden werden, den Bioreaktor über das Hochschul-Netzwerk oder das Internet zu steuern

16 3. Grundlagen 3. Grundlagen 3.1. Der Fermentationsprozess Definition und Ablauf Die Fermentation ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung biotechnologischer Produkte. Ursprünglich ist der Begriff ein Synonym für Gärung 1, wodurch man schließen kann, dass eine Fermentation früher meist ein Gärprozess war. Heute versteht man darunter allgemein die kontrollierte Kultivierung von Mikroorganismen in einem Bioreaktor, welche durch ihren Stoffwechsel biologisches Material umsetzen. Dies kann mit oder ohne Sauerstoff erfolgen. Das dadurch gewonnene Produkt kann neben Stoffwechselprodukten des Organismus, auch der Organismus selbst sein, indem für eine starke Vermehrung gesorgt wird. Um ein optimales Ergebnis zu erreichen, wird die Fermentation ständig überwacht und das Milieu im Bioreaktor an die Lebensbedingungen des Organismus angepasst. Einsatz findet dieses Verfahren in vielen Bereichen wie Lebensmittelindustrie, Pharmaindustrie, Chemieindustrie, Umweltschutz oder Landwirtschaft. Der Fermentationsprozess wird in folgende Phasen eingeteilt: Upstreaming Umfasst jeden Vorbereitungsschritt für die Fermentation. Hierzu zählt unter anderem die Herstellung von Nährmedien, Züchtung der Vorkulturen, Sterilisation der Nährmedien und sämtlicher Bauteile des Reaktors. Fermentation Die Fermentation beginnt mit dem Beimpfen des Reaktors mit Vorkulturen. Nach einer kurzen Anpassungszeit der Organismen beginnen diese mit der Umsetzung von Stoffen. In dieser Phase wird unter kontrollierten Bedingungen das gewünschte Produkt hergestellt. Dabei ist streng darauf zu achten, dass keine Fremdkeime in den Reaktor gelangen. Downstreaming Downstreaming ist die Isolierung, Konzentrierung und Aufbereitung des Produkts. Dies kann mit sehr viel Aufwand verbunden sein und verursacht in der Regel mehr als die Hälfte der Gesamtproduktkosten. 1 Mikrobielles Umsetzen von Stoffen ohne Sauerstoff (z.b. alkoholische Gärung) - 4 -

17 3. Grundlagen Bioreaktoren Um den Verlauf einer Fermentation zu überwachen und zu steuern wird ein Bioreaktor benötigt. Der Bioreaktor ist ein geschlossenes System und gibt die Rahmenbedingungen für die Fermentation. An ihn werden mehrere Anforderungen gestellt: Der Reaktor sollte keine Fremdkeime beinhalten. Dafür muss der gesamte Reaktor, inklusive aller Anschlüsse, sterilisierbar und dicht sein. Außerdem müssen alle Zuflüsse keimfrei sein, wofür verschiedene Filtertechniken eingesetzt werden. Das Material des Reaktors muss allen auftretenden physikalischen Einflüssen stand halten und darf keine Stoffe an das Medium abgeben. Typische Materialien für Bioreaktoren sind Glas, Edelstahl oder spezielle Kunststoffe. Der Aufbau muss so gestaltet sein, dass alle chemischen Bestandteile des Mediums homogen verteilt werden können und auch alle physikalischen Eigenschaften überall gleich sind. Dafür wird der Reaktorinhalt kontinuierlich durchgemischt, was zum Beispiel durch einen Rührer erfolgen kann. Der Reaktor muss über mehrere Schnittstellen zur Prozessüberwachung und Steuerung verfügen. Dazu zählen Anschlüsse für Sensoren oder verschiedene Zufuhrleitungen. Bioreaktoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen. Am häufigsten vertreten sind jedoch begaste Rührkesselreaktoren (Abbildung 3-1). Dies sind meist zylindrische Gefäße mit einem Doppelmantel für die Temperierung (nur bis zu einer gewissen Größe). Am Boden befindet sich ein Gasverteiler über den Sauerstoff eingeführt wird. Durch einen Rührer werden die Gasblasen zerteilt und das Medium vermischt. Ein Strombrecher soll eine turbulente Strömung unterstützten, so dass eine bessere Durchmischung stattfindet. Weiterhin befinden sich an der Decke des Reaktors Anschlussmöglichkeiten für weitere Sensoren oder Zufuhrleitungen

18 3. Grundlagen Abbildung 3-1: Prinzipieller Aufbau eines Rührkesselreaktors (Anlehnung an Chmiel, 2006) Wichtige Prozessparameter Der Erfolg einer Fermentation ist hauptsächlich von einigen wichtigen Prozessparametern abhängig. Diese nehmen einschlägig Einfluss auf das Wachstum und Aktivität der Mikroorganismen. Sauerstoffbedarf und po 2 -Wert In Bezug auf den Sauerstoffbedarf gibt es bei Mikroorganismen folgende Unterscheidungen: Obligat anaerob kein Sauerstoffbedarf, O 2 wirkt tödlich Obligat aerob O 2 ist lebenswichtig Fakultativ anaerob können mit und ohne O 2 leben Fermentationen sind oft aerobe Prozesse, was bedeutet, dass auf eine ständige Sauerstoffversorgung geachtet werden muss. Hierfür wird Luft oder reiner Sauerstoff in den Fermenter eingeblasen. Der Sauerstoff wird dann aus der Gasblase in die wässrige Phase und anschließend in die Zelle transportiert. Um für eine möglichst große Austauschfläche der Gasblasen zur sorgen, werden diese beim Eintritt in den Reaktor zerkleinert und verteilt. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, wobei meistens die Drehzahl des Rührers den größten Einfluss darauf hat. Für den Transport von der Gasblase zur Zelle muss der Sauerstoff eine Reihe von Teilwiderständen überwinden. Dazu gibt es mehrere Modellvorstellungen, wie zum Beispiel die Zweifilmtheorie, das Penetrationsmodell oder die Theorie der Oberflächenerneuerung (Chmiel, 2006)

19 3. Grundlagen Eine ausreichende Sauerstoffversorgung wird aber durch die begrenzte Löslichkeit von O 2 in Wasser erschwert. Diese kann durch andere Stoffe im Medium, wie Salze und Zucker, weiter reduziert werden. Löslichkeit von Luft (21% O 2 ): C O2 = 0,526 p 36 + T Gleichung 3-1 Löslichkeit von O 2 : C O2 = 2,506 p 36 + T Gleichung 3-2 Symbol Einheit Beschreibung C O2 [kg/m³] Gelöste Sauerstoffkonzentration p [bar] Druck T [ C] Temperatur Tabelle 3-1: Formelzeichen Sauerstofflöslichkeit Der Gesamtdruck, den eine Gasmischung in einem Raum ausübt, kann in Partialdrücke der Gasbestandteile zerlegt werden. Der Partialdruck eines Gases gibt an, welchen Druck dieses Gas verursacht, wenn es den Raum alleine ausfüllen würde. Der Sauerstoff-Partialdruck (po 2 ) kann somit ein Maß für den O 2 -Gehalt im Medium sein. Er wird daher als Regelgröße für den Sauerstoffbedarf verwendet und ist meist in Prozent angegeben. Dies ist der prozentuale Wert des maximalen Partialdrucks, welcher durch die beschriebene Löslichkeit von O 2 begrenzt ist. Eine 100%ige Sättigung ist meist nicht erforderlich. Jedoch sollte die Sauerstoffkonzentration, je nach Mikroorganismus, eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreiten. Dies könnte zu Ausbeuteverlusten oder im schlimmsten Fall zum Absterben der Organismen führen. ph-wert Der ph-wert ist eine Konzentrationsangabe für H 3 O + Ionen in einer Lösung. Er gibt an, wie sauer oder basisch eine Lösung ist und kann Werte zwischen 0 und 14 annehmen (Abbildung 3-2). Abbildung 3-2: ph-wert Skala Jeder Mikroorganismus hat einen für ihn optimalen ph-wert und unterschiedliche Toleranzbereiche, was Abweichung betrifft. Da der Stoffwechsel der Mikroorganismen während der Fermentation Einfluss auf den ph-wert nimmt, sollte dieser ebenfalls geregelt werden

20 3. Grundlagen Temperatur Die Temperatur im Fermenter nimmt starken Einfluss auf das Wachstum der Mikroorganismen. Je nach Art und Herkunft des Organismus, gibt es eine optimale Temperatur mit maximaler Wachstumsrate. Abbildung 3-3 zeigt schematisch die Abhängigkeit der spezifischen Wachstumsrate von der Temperatur bei Escherichia coli 2. Geringe Temperaturschwankungen lassen sich meistens gut ausgleichen, jedoch gibt es eine Unter- und Obergrenze, die nicht durchschritten werden darf. Wird die minimale Temperatur unterschritten, erstarrt die Zellmembran und Transportvorgänge werden so stark verlangsamt, dass kein Wachstum mehr möglich ist. Bei einem Überschreiten der maximalen Temperatur kommt es zu einer Auflösung der Zellen und zur Denaturierung von Proteinen. Abbildung 3-3: Schematische Darstellung des Einflusses der Temperatur auf die Wachstumsrate von E. coli (Anlehnung an Mordukhova, Lee, & Pan, 2008) Die Temperatur des Reaktorinhalts wird von mehreren Größen beeinflusst. So entsteht zum Beispiel durch den Stoffwechsel der Mikroorganismen oder durch den Leistungseintrag des Rührers Wärme. Eine Überwachung und Regelung der Temperatur ist somit unerlässlich. Nährstoffe Für die Vermehrung oder die Bildung von Stoffen verbraucht ein Mikroorganismus Nährstoffe. Daher müssen diese in ausreichender Form im Nährmedium enthalten sein. Bei manchen Fermentationsverfahren werden auch während der Fermentation Nährstoffe zugeführt. Unterschieden wird in: Synthetische Medien Zusammensetzung der Nährstoffe genau bekannt Komplexe Medien Zusammensetzung nicht bekannt (meist aus Naturstoffen) 2 Eines der weltweit am besten erforschten Bakterien - 8 -

21 3. Grundlagen Fermentationsverfahren Neben der Bauform des Reaktors und den verschiedenen Prozessparametern spielt auch die Betriebsweise eine Rolle. Grundsätzlich wird in diskontinuierliche (Batch, Fed-Batch) und kontinuierliche Verfahren unterschieden. Batch-Verfahren Das Batch-Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass während der Fermentation kein Substrat hinzugefügt wird. Zu Beginn werden alle benötigten Stoffe eingefüllt und der Reaktor verschlossen. Trotzdem ist der Batch-Betrieb kein komplett abgeschlossenes System, da Sauerstoff, Säure, Lauge oder Antischaummittel in den Reaktor eingeführt werden. Der Prozess kommt dann spätestens aufgrund eines Nährstoffmangels zum erliegen. Ein frühzeitiger Abbruch ist auch möglich, wenn die maximale Produktkonzentration erreicht wird oder wenn gebildete Nebenprodukte das Wachstum hemmen. Das Verfahren ist mit viel Arbeitsaufwand verbunden, weil der Reaktor öfter neu aufbereitet und sterilisiert werden muss. Jedoch ist es dadurch sehr flexibel einsetzbar und durch die relativ kurzen Prozesszeiten nicht besonders infektionsanfällig. Fed-Batch-Verfahren Das Fed-Batch-Verfahren unterscheidet sich vom Batch-Verfahren dadurch, dass während der Fermentation Substrate hinzugefügt werden können. Somit kann die Prozesszeit verlängert und meist die Produktausbeute erhöht werden. Die Substrat-Zulaufrate kann durch eine Regelung bestimmt werden, wodurch immer für ein optimales Wachstum gesorgt wird. Jedoch ist das Verfahren mit größerem technischem Aufwand verbunden. Außerdem ist die Infektionsgefahr aufgrund des Substrat-Zulaufs und der längeren Prozesszeiten höher. Kontinuierliche Verfahren Bei den kontinuierlichen Verfahren wird dem Bioreaktor in gleicher Menge Medium zugeführt wie entnommen. Prinzipiell wird nochmals unterschieden in Verfahren mit und ohne Zellrückhaltung. Es eignet sich besonders, wenn der Reaktor nur sehr einseitig genutzt wird. Da es durchgehend läuft und keine Zwischenschritte erforderlich sind, ist es mit wenig Arbeitsaufwand verbunden. Da sich diese Bachelor-Thesis auf diskontinuierliche Verfahren beschränkt, soll dieses Verfahren nicht näher erläutert werden

22 3. Grundlagen Die Wachstumsphasen Mikrobielles Wachstum wird von einer Vielzahl an Größen beeinflusst. Neben den bereits genannten Faktoren, spielen zum Beispiel auch Art des Mikroorganismus oder ihr physiologischer Zustand eine Rolle. Eine exakte mathematische Beschreibung des Wachstums ist daher nicht möglich. Es gibt aber unterschiedlich komplexe Modelle, die mehr oder weniger genau arbeiten. Eines der bekannteren Modelle ist zum Beispiel das Monod-Modell (Chmiel, 2006). Ohne genaue Zahlenangaben zu machen gibt es jedoch einen vorhersehbaren Verlauf des Wachstums. Dieser ist vom gewählten Fermentationsverfahren abhängig. Verlauf einer Batch-Kultur Hier treten Faktoren auf, welche das Wachstum nach einer bestimmten Zeit einschränken, zum Beispiel, wenn die Nährstoffe ausgehen und nicht nachgegeben werden. Ein derartiger Verlauf lässt sich in fünf Phasen einteilen (Abbildung 3-4): Die 1. Phase (Lag-Phase) beginnt mit dem Beimpfen des Reaktors mit der Vorkultur. Die Mikroorganismen müssen sich erst an die neue Umgebung anpassen und vermehren sich nicht bzw. langsam. Ab Phase 2 (exponentielle Phase) liegt unter optimalen Bedingungen ein maximales Wachstum mit steilem Anstieg vor. In der 3. Phase (Übergangsphase) treten erstmals die das Wachstum limitierenden Faktoren auf, zum Beispiel, weil die Substratkonzentration unter einen bestimmten Schwellenwert gesunken ist. In der 4. Phase (stationäre Phase) herrscht ein Gleichgewicht zwischen neu gebildeten und absterbenden Zellen. Ab Phase 5 (Absterbephase) nimmt die Zellzahl wieder ab. Es werden keine neuen Zellen mehr gebildet. Abbildung 3-4: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs = Substratkonzentration; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009)

23 3. Grundlagen Verlauf einer Fed-Batch-Kultur Der Verlauf einer Fed-Batch-Kultur wird in der Regel nicht in feste Phasen eingeteilt, da hier weitere Faktoren auf den Verlauf Einfluss nehmen. Es ist zum Beispiel nicht generell festgelegt, ab wann mit dem Substrat-Zulauf begonnen wird. Abbildung 3-5 zeigt den prinzipiellen Verlauf einer Fed-Batch- Kultur. Anfangs ähnelt er dem der Batch-Kultur, doch ab dem Erreichen einer bestimmten Substrat- Konzentration, wird mit dem Substrat-Zulauf begonnen. Dadurch sinkt die Substrat-Konzentration nicht ganz ab und das Wachstum wird aufrecht erhalten. Abbildung 3-5: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Fed-Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs = Substratkonzentration; t1= Start des Substrat-Zulaufs (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Literatur zu Abschnitt 3.1 Chmiel, H. (2006). Bioprozesstechnik. München: Spektrum Akademischer Verlag. Diekmann, H., & Metz, H. (1991). Grundlagen und Praxis der Biotechnologie. Stuttgart: Gustav Fischer Verlag. Hass, V. C., & Pörtner, R. (2009). Praxis der Bioprozesstechnik. Spektrum Akademischer Verlag. Miller, R. (2008). Einführung in die Fermentationstechnik. Mordukhova, E. A., Lee, H.-S., & Pan, J.-G. (2008, Dezember). Improved Thermostability and Acetic Acid Tolerance of Escherichia coli. APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY

24 3. Grundlagen 3.2. Regelungstechnik Steuerung Bei einer Steuerung beeinflussen ein oder mehrere Eingangsgrößen andere Ausgangsgrößen in Abhängigkeit der Eigenschaften eines Systems. Ein Steuergerät verarbeitet die Eingangsgrößen in einen Stellwert. Dieser wird dem System zugeführt und nimmt somit Einfluss auf die Ausgangsgrößen. Auf Störungen wird keine Rücksicht genommen und der Ist-Zustand wird auch nicht zurückgeführt. Kennzeichen ist somit der offene Wirkungskreis. Abbildung 3-6: Schematischer Aufbau einer Steuerung Regelung Bei einer Regelung wird die zu regelnde Größe ständig erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Hierfür wird die Ausgangsgröße mit einem entsprechenden Messfühler erfasst und zurückgeführt. Die Abweichung vom Sollwert wird durch einen Regler in eine Stellgröße umgerechnet, welche dann durch ein Stellglied ausgegeben wird. Das System und deren Ausgangsgröße werden dann von Stellglied und Störungsgrößen beeinflusst. Kennzeichen der Regelung ist der geschlossene Wirkungskreis. Abbildung 3-7: Schematischer Aufbau einer Regelung Sinn einer Regelung ist somit, eine bestimmte Größe einem vorgegebenen Sollwert möglichst genau anzupassen und Störungen zu kompensieren. Für diesen Zweck gibt es, je nach Problemstellung, unterschiedliche Regler. Die Einstellungen des Reglers bestimmen dann die Qualität der Regelung, welche durch Genauigkeit, Schnelligkeit und Stabilität bewertet wird. Da sich Schnelligkeit und Stabilität meist widersprechen, muss hier ein Kompromiss eingegangen werden, um beide Kriterien ausreichend zu erfüllen

25 3. Grundlagen Regelung von Bioprozessen Bei Bioprozessen spielen Regelungen eine große Rolle, da viele Prozessparameter stets auf einem bestimmten Wert gehalten werden müssen. Dies liegt daran, dass Mikroorganismen definierte Verhältnisse brauchen um ein optimales Wachstum zu entwickeln. Sind diese Verhältnisse nicht gegeben, wird das Wachstum gebremst oder es kommt im schlimmsten Fall zu einem Absterben der Mikroorganismen. Der Verlauf eines Bioprozesses kann allerdings nicht als linear angesehen werden und wird zusätzlich leicht von äußeren Faktoren beeinflusst. Aufgabe der Regelung ist es, sich diesem variablen Verlauf anzupassen und für das gewünschte Milieu zu sorgen. Dafür müssen alle wichtigen Prozessparameter kontinuierlich gemessen werden. Die meisten Sensoren haben aber ein verzögertes Ansprechverhalten, was bei der Einstellung der Regler berücksichtigt werden muss. Im Wesentlichen umfasst die Regelung von Bioprozessen drei Bereiche: Die Steuerung und Regelung von mechanischen Elementen des Bioreaktors, die nicht direkt auf den Prozess Einfluss nehmen. Dazu gehört zum Beispiel das Schalten von Rohrleitungen oder das Ansteuern einer Pumpe. Die Messung und Regelung von physikalischen und chemischen Zustandsgrößen im Reaktor. Dies ist wohl der umfassendste Bereich, zu dem unter anderem die Regelung von ph-wert oder Temperatur gehört. Die Messung und Regelung von Zustandsgrößen, die den physiologischen Zustand der Mikroorganismen beschreiben. Diese können meist nicht direkt gemessen werden, sondern müssen aus den physikalischen Zustandsgrößen berechnet werden, zum Beispiel die Regelung einer Glukose-Zufütterung aufgrund des Sauerstoffverbrauchs der Mikroorganismen Wichtige Regler bei Bioprozessen P-Regler Ein P-Regler erzeugt eine Stellgröße, die sich proportional zur Regeldifferenz verhält. Dies wird mit dem Verstärkungsfaktor Kp eingestellt. Der P-Regler ist zwar schnell, jedoch bleibt immer eine Regelabweichung vorhanden. Die Ursache hierfür liegt darin, dass ein Stellsignal aufgrund der Proportionalität nur bei bleibender Regeldifferenz erzeugt werden kann. Dieses Stellsignal ist nötig, um vorhandene Störungen auszugleichen

26 3. Grundlagen Mathematisch lässt sich der P-Regler wie folgt beschreiben: P-Regler: Y t = Kp e(t) Gleichung 3-3 Symbol Einheit Beschreibung Y(t) - Stellsignal des Reglers e(t) - Regeldifferenz oder Eingangssignal des Reglers K p - Reglerverstärkung Tabelle 3-2: Formelzeichen P-Regler PI-Regler Um die Regelabweichung des P-Reglers auszugleichen, kann er mit einem I-Glied zu einem PI-Regler erweitert werden. Ein I-Glied berechnet über zeitliche Integration der Regeldifferenz eine Stellgröße. Es wird über die Nachstellzeit Tn eingestellt, welche die Steigung der Stellgröße bestimmt. Zum Beispiel eine Nachstellzeit von Tn = 1s bei konstanter Regeldifferenz bedeutet, dass die Stellgröße nach einer Sekunde den Wert der Regeldifferenz erreicht hat. Die mathematische Gleichung lautet: I-Glied: Y t = 1 Tn e t dt Gleichung 3-4 Symbol Einheit Beschreibung T n [s] Nachstellzeit Tabelle 3-3: Formelzeichen I-Glied Durch die Kombination zu einem PI-Regler tritt keine bleibende Regelabweichung mehr auf. Jedoch muss bei den Reglereinstellungen ein Kompromiss zwischen Schnelligkeit und Genauigkeit gefunden werden. Mathematisch lässt es sich wie folgt beschreiben: PI-Glied: Y t = Kp e(t) + 1 Tn e t dt Gleichung

27 3. Grundlagen PID-Regler Bei höheren Anforderungen in Bezug auf Schnelligkeit wird der PI-Regler oft mit einem D-Glied erweitert. Ein D-Glied reagiert nicht auf die Regelabweichung, sondern auf deren Änderungsgeschwindigkeit. Es wird mit der Vorhaltzeit Tv eingestellt. Zum Beispiel liefert das D-Glied bei einem linearen Eingangssignal mit konstantem Anstieg ein konstantes Ausgangssignal, welches sich proportional zum Anstieg so wie zur Vorhaltzeit verhält. Mathematisch lässt sich das D-Glied wie folgt beschreiben: D-Glied: Y t = Tv d dt e(t) Gleichung 3-6 Symbol Einheit Beschreibung T v [s] Vorhaltzeit Tabelle 3-4: Formelzeichen D-Glied Das heißt, die Stellgröße des PID-Reglers verhält sich proportional zur Regeldifferenz selbst, sowie zum Integral und Differential der Regeldifferenz. Somit ergibt sich folgende Gesamt- Differentialgleichung: PID-Regler: Y t = Kp e t + 1 Tn e t dt + Tv d dt e t Gleichung 3-7 Zweipunkt-Regler Zur Regelung von Bioprozessen können auch unstetige Regler eingesetzt werden. Der Zweipunkt- Regler gehört zu den einfachsten dieser Art. Er kennt nur zwei Zustände, je nachdem ob die Regeldifferenz positiv oder negativ ist. Bei einer positiven Regeldifferenz (Sollwert > Istwert) ist die Ausgabe High, bei einer negativen Regeldifferenz Low. Dies würde aber bereits bei minimalen Schwankungen der Regeldifferenz zu einem ständigen Hinund Herschalten führen. Um das zu vermeiden kann man zusätzlich eine Hysterese einstellen. Dadurch wird der Umschaltzeitpunkt verzögert. Der Regler schaltet nun erst bei einem Über- bzw. Unterschreiten der Hysterese (Abbildung 3-8)

28 3. Grundlagen Abbildung 3-8: Schaltverhalten eines Zweipunkt-Reglers Bei dem oben dargestellten Signalverlauf würde der Regler beim Zeitpunkt t1, wenn die Hysterese überschritten wird, auf High schalten. Anschließend wird erst wieder beim Unterschreiten der negativen Hysterese auf den Zustand Low gewechselt, obwohl hier zwischendurch der Nullpunkt mehrmals durchschritten wird. Zweipunkt-Regler kommen meist nur zum Einsatz, wenn die Regelgüte keine allzu große Rolle spielt oder das Stellglied nur die Zustände ein bzw. aus kennt. Mögliche Anwendungsbereiche währen ph- Wert-, Temperatur- oder Füllstand-Regelungen. Mathematisch lässt sich das Übertragungsverhalten wie folgt beschreiben: Übertragungsverhalten: Y t n = 1 für e t n > H Y t n = 0 für e t n < H Y t n = Y t n 1 für H e t n H Gleichung 3-8 Symbol Einheit Beschreibung Y(t n ) - Stellsignal des Reglers e(t n ) - Regeldifferenz oder Eingangssignal des Reglers H - Hysterese t n [s] Zeitpunkt n Tabelle 3-5: Formelzeichen Zweipunktregler

29 3. Grundlagen Ermitteln von Reglereinstellungen Die Qualität einer Regelung ist von den Einstellungen des Reglers abhängig. Je mehr Größen die Regelgröße beeinflussen, desto schwieriger wird es, diese Einstellungen zu optimieren. Oft wird zuerst ein komplettes Model des Regelkreises entworfen, um die Reglereinstellungen zu finden. Dafür müssen aber die Eigenschaften des Systems bekannt sein. Aufgrund der Komplexität von biologischen Prozessen ist es aber sehr aufwendig, dieses System als Modell nachzubilden. Deswegen gibt es alternative Methoden, die sich in der Praxis bei Bioprozessen bewährt haben. Dafür wird zunächst die Sprungantwort des Systems auf eine Eingangsgröße aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Aufzeichnen von Sprungantworten Durch das Aufzeichnen der Sprungantwort wird das dynamische Verhalten einer Regelstrecke auf eine Eingangsgröße festgehalten. Hierfür wird das Stellglied mit einem bestimmten Stellsignal belastet und die Auswirkung auf die entsprechende Ausgangsgröße verfolgt. Bei biologischen Prozessen unterscheidet man zwischen: Regelstrecken mit Ausgleich Diese erkennt man daran, dass sich die Ausgangsgröße nach gewisser Zeit auf einen Wert einpendelt. Zum Beispiel ergibt sich bei der kontinuierlichen Zugabe von Sauerstoff, ein endlicher po 2 -Wert, da die Löslichkeit von Sauerstoff im Medium begrenzt ist. Abbildung 3-9: Sprungantwort mit Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009)

30 3. Grundlagen Regelstrecken ohne Ausgleich Hier pendelt sich das Ausgangssignal nicht auf einen endlichen Wert ein, sondert nimmt ständig zu. Ein Beispiel wäre eine Füllstand-Regelung, bei der ein ständiger Zulauf auch eine ständige Erhöhung des Füllstands bewirkt. Abbildung 3-10: Sprungantwort ohne Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Für die folgenden Verfahren werden nur Regelstrecken mit Ausgleich behandelt, da nur diese bei der vorliegenden Bachelor-Thesis relevant sind. Verfahren nach Chien, Rhones und Reswick Bei diesem Verfahren werden mit Hilfe einer Wendetangente durch die Sprungantwort zwei Kenngrößen ermittelt (Abbildung 3-11). Das sind die Verzugszeit Tu und die Ausgleichszeit Tg. Hierfür legt man zuerst zwei zur X-Achse parallele Geraden, die den Anfangs- und End-Wert der Sprungantwort eingrenzen. Anschließend bestimmt man grafisch die Wendetangente durch die Sprungantwort. Die Schnittpunkte der Geraden mit der Wendetangente markieren die Start- und Stopp-Zeit der Kenngröße Tg. Tu ist die Zeit, ab Beginn einer Änderung der Stellgröße, bis zum Beginn von Tg. Abbildung 3-11: Auswertung einer Sprungantwort; Tu = Verzugszeit; Tg = Ausgleichszeit; y = Differenz der Stellgröße; x = Differenz der Regelgröße; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009)

31 3. Grundlagen Anschließend muss noch die Streckenverstärkung Ks berechnet werden: Streckenverstärkung: Ks = x y Gleichung 3-9 Mit diesen Kennwerten kann dann der Faktor α berechnet werden, welcher für die Bestimmung der Reglereinstellungen notwendig ist: Faktor α: α = T g K s T u Gleichung 3-10 Symbol Einheit Beschreibung Ks - Streckenverstärkung x - Differenz der Regelgröße y - Differenz des Stellgröße α - Tabellenfaktor T g [s] Ausgleichszeit T u [s] Verzugszeit Tabelle 3-6: Formelzeichen für Tabellenfaktor α Unterschieden wird zwischen einer möglichst guten Regelung nach Sollwertänderung (Führung) und einem möglichst guten Ausgleich von Störgrößen (Störung). Weiterhin wird unterschieden zwischen einem möglichst aperiodischem Verlauf oder einem Verlauf mit 20% Überschwingen. Hier liegt der Unterschied in der Geschwindigkeit der Regelung. Der aperiodische Verlauf führt in der Regel zu einer vergleichsweise langsamen aber genaueren Regelung. Der Verlauf mit Überschwingen ist zwar schneller, aber es treten dafür Schwingungen auf. Aperiodischer Verlauf Verlauf mit 20% Überschwingen Regler Parameter Störung Führung Störung Führung P Kp 0,7 α 0,7 α 0,3 α 0,3 α PI KP 0,7 α 0,6 α 0,6 α 0,35 α Tn 2,3 Tu Tg 4 Tu 1,2 Tg PID KP 1,2 α 0,95 α 0,95 α 0,6 α Tn 2 Tu 1,35 Tg 2,4 Tu Tg Tv 0,42 Tu 0,47 Tu 0,42 Tu 0,5 Tu Tabelle 3-7: Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick (Hass & Pörtner, 2009)

32 3. Grundlagen T-Summen-Verfahren Auch bei diesem Verfahren werden aus der Sprungantwort zwei Kenngrößen ermittelt (Abbildung 3-12), mit denen dann aus einer Tabelle die Reglereinstellungen gelesen werden. Die erste Kenngröße T ermittelt man am einfachsten grafisch. Hierfür legt man eine senkrechte Linie durch die Sprungantwort, so dass sich zwei gleich große Flächen A1 und A2 ergeben. Die Streckverstärkung Ks wird wieder durch Gleichung 3-9 berechnet. Abbildung 3-12: Auswertung einer Sprungantwort; T = T-Summe; Ks=Streckenverstärkung; y = Differenz der Stellgröße; x = Differenz der Regelgröße; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) Nachdem die Kenngrößen ermittelt sind, können die Reglereinstellungen bestimmt werden. Hier kann man zwischen einer normalen und einer schnellen Einstellung wählen. Regelparameter Einstellung Normal Schnell Regler P PI PID PI PID Kp Tn Tv 1 Ks 0,5 Ks 1 Ks 1 Ks 2 Ks - - 0,5T - 0,66T 0,167T 0,7T - 0,8T 0,194T Tabelle 3-8: Einstellregeln nach T-Summen-Verfahren (Hass & Pörtner, 2009)

33 3. Grundlagen Empirisches Nachbessern Meistens werden aber durch die oben beschriebenen Verfahren nicht sofort die optimalen Reglereinstellungen erreicht. Deshalb sollte man die Regler nachträglich optimieren. Dies wird meist durch empirische Verfahren erreicht. Allgemein kann man sich an folgende Regeln halten (Hass & Pörtner, 2009): Wird der Sollwert zu langsam erreicht, muss die Reglerverstärkung erhöht oder die Nachstellzeit vermindert werden. Wird der Sollwert zu langsam erreicht und es tritt ein wellenförmiger Istwert auf, muss die Reglerverstärkung erhöht oder die Vorhaltzeit vermindert werden. Tritt ein zu starkes Überschwingen auf, wird die Reglerverstärkung vermindert oder die Nachstellzeit erhöht. Literatur zu Abschnitt 3.2 Hass, V. C., & Pörtner, R. (2009). Praxis der Bioprozesstechnik. Spektrum Akademischer Verlag. Töpfer, H., & Besch, P. (1990). Grundlagen der Automatisierungstechnik. Berlin: VEB Verlag Technik

34 3. Grundlagen 3.3. Glukose-Zufütterung bei der Backhefe-Fermentation Stoffwechsel der Backhefe Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist ein fakultativ anaerober Organismus. Die Energiegewinnung kann daher mit oder ohne O 2 erfolgen. Hauptsächlich wird Zucker (Glukose, Fructose, Saccharose, Maltose) für den Stoffwechsel verwendet. Unter anaeroben Bedingungen wird Zucker zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid verarbeitet. Dieser Vorgang ist als Gärung oder auch Pasteur-Effekt bekannt. Unter aeroben Bedingungen wird der Zucker komplett in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Man spricht hier auch von Atmung. Der Energiegewinn und somit auch das Zellwachstum, sind im Vergleich zur Gärung sehr viel größer. Die industrielle Produktion von Backhefe wird deswegen auch aerob durchgeführt. Aber auch bei der Atmung kann Ethanol gebildet werden. Diesen Vorgang nennt man Crabtree- Effekt, welcher bei zu hohen Zuckerkonzentrationen im Nährmedium auftritt. Die kritische Konzentrationsobergrenze liegt ungefähr bei 100 [mg/l]. Bei der Vermehrung und Produktion von Backhefe ist der Crabtree-Effekt aber unerwünscht, da das Ethanol zu einer geringeren Zellsubstratausbeute 3 führt. Die Zuckerkonzentration darf aber auch nicht zu niedrig sein, da sonst die Wachstumsrate verringert wird. Deshalb versucht man die kritische Konzentrationsobergrenze immer zu halten, um beide Größen im Ausgleich zu halten. Hierfür arbeitet man mit einem Fed- Batch-Verfahren, bei dem immer die richtige Menge an Glukose zugefüttert wird. Dafür wird ein theoretisches Zulaufschema berechnet, welches optimalerweise noch durch eine Regelung ausgeglichen wird Theoretisches Zulaufschema Das theoretische Zulaufschema beschreibt den erforderlichen Verlauf der Zulaufrate. Das Ziel ist die Glukosekonzentration im Medium konstant bei der kritischen Konzentrationsobergrenze zu halten. Dadurch soll ein maximales Wachstum erreicht werden. Durch diesen stationären Zustand sind die theoretische Wachstumsrate und die Zellsubstratausbeute bekannt. Somit kann die Zulaufrate aufgrund von Zellmasse im Reaktor und Glukosekonzentration im Substrat berechnet werden. Im Folgenden soll die Gleichung der Zulaufrate hergeleitet werden (Bucher, Hauck, & Müller). Diese gilt nur für die exponentielle Wachstumsphase. In dieser kann die spezifische Wachstumsrate μ als konstant angenommen werden (μ = μ max ). 3 Verhältnis von gebildeter Biomasse zu verbrauchter Substratmenge

35 3. Grundlagen Die Zulaufrate ist von der aktuellen Zellmasse abhängig. Die Zunahme der Zellmasse lässt sich folgendermaßen beschreiben: Zunahme der Zellmasse: d(v R c x ) dt = dx dt = μ max X Gleichung 3-11 Mit den Anfangsbedingungen t 0 = 0; X 0 = X(t 0 ) und Integration von Gleichung 3-11 erhält man: Aktuelle Zellmasse: X = X 0 e μ max t Gleichung 3-12 Symbol Einheit Beschreibung V R [l] Volumen des Reaktorinhalts X [g] Zellmasse im Reaktor c x [g/l] Zellenkonzentration im Reaktor μ max [1/h] Max. spezifische Wachstumsrate X 0 [g] Zellmasse zu Beginn der Fermentation t [s] Laufzeit der Fermentation Tabelle 3-9: Formelzeichen - Zellmasse Ohne Substratzulauf ergibt sich der Substratverbrauch aus Wachstumsrate, Zellsubstratausbeute und Zellmasse. Substratverbrauch: d(v R c s ) dt = ds dt = μ max Y X/S X Gleichung 3-13 Symbol Einheit Beschreibung S [g] Substratmenge im Reaktor c s [g/l] Substratkonzentration im Reaktor Y X/S - Zellsubstratausbeute Tabelle 3-10: Formelzeichen Substratverbrauch