Bachelor-Thesis. im Fachbereich Medizintechnik der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik an der Hochschule Ulm

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1 ufbau einer Online-bgasanaly bgasanalytik für einen Labor-Fermenter Bachelor-Thesis im Fachbereich Medizintechnik der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik an der Hochschule Ulm Vorgelegt von Sascha Princz Matrikelnummer: 4159 Februar 010 rstprüfer: Zweitprüfer: Prof. Dr. rer. nat. Martin Heßling Prof. Dr. med. Dr.-Ing. Ronald Blechschmidt-Trapp Bearbeitungszeitraum: Oktober.009 bis Februar.010

2 idesstattliche rklärung idesstattliche rklärung Hiermit versichere ich, Sascha Princz, geboren am in Weißenhorn, dass ich die vorliegende Bachelor-Thesis mit dem Thema: ufbau einer Online-bgasanalytik für einen Labor-Fermente Fermenter: im Fachbereich Medizintechnik/ Biotechnologie der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik an der Hochschule Ulm, selbständig verfasst und keine anderen als die von mir angegebenen Hilfsmittel und Quellen verwendet habe. lle wörtlichen und sinngemäßen Zitate sind in dieser rbeit als solche kenntlich gemacht. (Ort, Datum) (Unterschrift) Sascha Princz I

3 Danksagung Danksagung Meine Bachelor-Thesis entstand im Biotechnologie-Labor des Fachbereichs Medizintechnik/ Biotechnologie der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik an der Hochschule Ulm. n dieser Stelle möchte ich mich recht herzlich bei Herrn Professor Dr. rer. nat. Martin Heßling und Herrn Professor Dr. med. Dr.-Ing. Ronald Blechschmidt-Trapp für die Betreuung meiner Bachelor-Thesis bedanken. Ganz besonders möchte ich mich bei Herrn Dipl. Ing. Rudolf Miller bedanken. r unterstütze mich in jeglicher rt und Weise mit seiner fachlichen Kompetenz bei der rstellung meiner Bachelor-Thesis. bschließend noch ein großer Dank an meine ltern für die Unterstützung während der gesamten Zeit meines Studiums und an meinen Sohn Jan für die schönen Momente der blenkung während meiner Bachelor-Thesis. Sascha Princz II

4 Zusammenfassung Zusammenfassung Im Rahmen dieser Bachelor-Thesis wurde der Bioreaktor der HS Ulm erfolgreich um eine voll funktionsfähige Online-bgasanalytik zur Bestimmung des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalts in der Reaktorabluft erweitert. Zur rreichung dieses Ziels war es zunächst notwendig die vorhandene Schnittstelle des Bioreaktors, zur Kommunikation und Signalübergabe von der Prozess- in die utomatisierungsebene, durch ein besser geeignetes Gerät den neuen nforderungen entsprechend zu optimieren. Diese Optimierung erfolgte mit Hilfe eines Beckhoff- Busklemmensystems, einem TCP/IP-Gerät welches sich bei Bedarf modular erweitern lässt. Zur exakten Massendurchflussregelung der Begasung des Bioreaktors mit Luft, Sauerstoff sowie der Kombination aus beidem wurden in die entsprechenden Begasungsstrecken zwei thermische Massendurchflussregler integriert. Diese Massendurchflussregler dienen gleichzeitig auch als Massendurchflussmesser und liefern den entsprechenden Volumenstrom der Begasung für die Berechnung der Sauerstoffaufnahme- sowie Kohlendioxidproduktionsrate während einer Fermentation. Das Kernstück dieser Bachelor-Thesis war der Gerätebau des bgasanalysators zur Messung des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalts in der Reaktorabluft. Dabei wurde ein Stand- lone-gerät ausgehend von einem Modul zur Messung des Sauerstoffgehalts in Gasen bis 95% und einem weiteren Modul zur Messung des Kohlendioxidgehalts in Gasen bis 30% sowie des Sauerstoffgehalts in Gasen bis 5% der Firma PWTRON G aufgebaut. rgänzt wurden diese Komponenten unter anderem mit drei digitalen inbauinstrumenten der Firma Schwille-lektronik zur nzeige der entsprechenden Messwerten und zwei THOMS Membranpumpen um bei Bedarf für die entsprechende Durchflussrate der Messmodule zu sorgen. Die Programmierung und rstellung der nwendersoftware erfolgte mit der Laborversion des Prozessleit- und utomatisierungssystems Winrs. Die nwendersoftware dient der Online- Bedienung des bgasanalysators, bestimmter Funktionen des Bioreaktors sowie zur uswertung der für die bgasanalyse relevanten Daten. In einer Testfermentation mit Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe) erfolgte der Funktionstest der Änderungen am Bioreaktor, der nwendersoftware sowie des bgasanalysators selbst. Die rgebnisse waren im vollen Umfang sehr zufrieden stellend und haben gezeigt, dass die gesamte bgasanalytik voll einsatzfähig ist. Sascha Princz III

5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis idesstattliche rklärung I Danksagung II Zusammenfassung III Inhaltsverzeichnis IV bbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis VIII bkürzungsverzeichnis IX Formelabkürzungsverzeichnis X 1 inleitung ufgabenstellung Grundlagen Messwertdefinitionen Sauerstoffaufnahmerate Kohlenstoffdioxidproduktionsrate Respirationsquotient Sauerstofftransferrate Volumenbezogener Sauerstoffübergangskoeffizient Fließgleichgewichtsmethode Dynamische Methode Sensorik Methoden zur Messung von Sauerstoff Grenzstromprinzip zur O -Messung Massenspektrometer zur O -Messung Methoden zur Kohlenstoffdioxidmessung Nicht-dispersive Methode zur CO -Messung Spektroskopische Methode zur CO -Messung Methoden zur Messung des gelösten Sauerstoffs Funktionsprinzip einer Sauerstoffelektrode Funktionsprinzip Optischer Sensor Massendurchflussregler für Gase Prozessleit- und utomatisierungssystem Winrs Winrs Laborversion Winrs-Server... 3 Sascha Princz IV

6 Inhaltsverzeichnis 3.5 Hefe-Fermentation Physiologie von Saccharomyces cerevisiae Stoffwechsel von Saccharomyces cerevisiae Oxidation von Glucose Oxidation von thanol Crabtree-ffekt Pasteureffekt Gerätebau bgasanalysator Konstruktion Bauteile Sauerstoffmodul FCX-MC95-CH Kohlendioxid-Sauerstoffmodul Carbonoxy Membranpumpen Netzteil Displays lektroinstallation Pin-Belegung der nschlussbuchsen DC/ DC-Wandler nschlussbelegung der Relais Switch O -Relais Relais für die Membranpumpen Signalflussplan des bgasanalysators lektronikschaltplan des bgasanalysators bgasdurchfluss nwendersoftware Prozessfenster Prozessfenster bgasmessung Prozessfenster k La-Wert Bestimmung Spezielle Blöcke Programmgeber rithmetiksysteme Blockstruktur Blockstrukturseite Switch 5% nach 95% O Blockstrukturseite Ber. OUR/CPR/RQ/stat.kLa Blockstrukturseite Berechnung dyn. kla-wert Umstrukturierung des Bioreaktors nsteuerung der Magnetventile Massendurchflussregler Smart-Trak für Luft und Sauerstoff Integration in das Begasungssystem Sascha Princz V

7 Inhaltsverzeichnis 6.. Pin-Belegung der Verbindungsstecker nschluss der Sollwertvorgabe für Temperatur und Drehzahl Kommunikation/ Belegung Beckhoff-Busklemmensystem Buskoppler BK Binäre ingangsklemme KL Binäre usgangsklemme KL naloge ingangsklemme KL naloge usgangsklemme KL naloge usgangsklemme KL nschluss für Zufütterungspumpe Simulation mit dem Virtuellen Bioreaktor VBR Parametereinstellung der Simulation uswertung der Simulation Testfermentation Vorbereitung der Fermentation Durchführung der Fermentation uswertung der Fermentation Offline-uswertung Online-uswertung Zusammenfassung der rgebnisse und usblick Literaturverzeichnis nhang Datenblätter zu den Bauteilen Bedienungsanleitungen Offline-uswertung Sascha Princz VI

8 bbildungsverzeichnis bbildungsverzeichnis bb. 1: Schema zum Gastransport und Bilanzierung... 5 bb. : Schema für die Bestimmung des k La-Wertes mit der dynamischen Methode bb. 3: Prinzipskizze amperometrischer Sauerstoffsensor (nach Fujikura) bb. 4: Prinzipskizze spektroskopische CO -Messung Messung bb. 5: Prinzipskizze po -lektrode bb. 6: Schema zur Integration von Massedurchflussreglern bb. 7: Pinanordnung der nschlussbuchsen für den Gasanalysator (Draufsicht)... 8 bb. 8: Pinanordnung des DC/ DC-Wandlers Wandlers bb. 9: nschlussanordnung des Switch O -Relais bb. 10: nschlussanordnung der Relais für die Membranpumpen bb. 11: Signalflussplan der Sensormodule des bgasanalysators bb. 1: lektronikschaltplan des bgasanalysators bb. 13: bgasdurchflussschema ssschema von Fermenter und bgasanalysator bb. 14: Prozessfenster bgasmessung bb. 15: Prozessfenster k La-Wert Bestimmung bb. 16: Blockstruktur Switch 5% nach 95% O bb. 17: Blockstruktur zur Berechnung der OUR bb. 18: Blockstruktur zur Berechnung der CPR bb. 19: Blockstruktur zur Berechnung von RQ bb. 0: Blockstruktur zur Berechnung der Begasungsrate bb. 1: Blockstrukturen zur Berechnung des k La-Wertes nach der stationären Methode bb. : Blockstruktur zum ktivieren und Starten der dyn. k La-Wert Messung bb. 3: Blockstruktur zur co -usgabe und Zeitdifferenzerfassung bb. 4: Blockstruktur zur Berechnung des dynamischen k La-Wertes Wertes bb. 5: lektronikschaltplan der Magnetventile bb. 6: Pneumatischer Schaltplan zur Integration der Massendurchflussregler bb. 7: Pinanordnung HD DB-15 Stecker (Rückansicht) bb. 8: Pinanordnung der Buchse für die Zufütterungspumpe (Draufsicht) bb. 9: Biomassezuwachs und Substratverbrauch der simulierten Hefefermentation bb. 30: OUR, CPR und RQ der simulierten Hefefermentation bb. 31: Offline-uswertung zu Biomassezuwachs und Substratverbrauch der Testfermentation bb. 3: Online-uswertung von OUR, CPR und RQ der Testfermentation bb. 33: Temperaturverlauf erlauf der Testfermentation Sascha Princz VII

9 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 1: nzeigenbereiche der verschiedenen Displays... 8 Tabelle : Pin-Belegung der nschlussbuchse am Gasanalysator Tabelle 3: Pin-Belegung der nschlussbuchse am Bioreaktor... 9 Tabelle 4: Pinbelegung des DC/ DC-Wandlers Tabelle 5: nschlussbelegung des Switch O -Relais Relais Tabelle 6: nschlussbelegung des Relais O /CO -Pumpe Pumpe Tabelle 7: nschlussbelegung des Relais O -Pumpe... 3 Tabelle 8: uswahlkriterien für die Massendurchflussregler Tabelle 9: Pinbelegung des Verbindungssteckers für Massendurchflussregler Luft Tabelle 10: Pinbelegung des Verbindungssteckers für Massendurchflussregler Sauerstoff.. 5 Tabelle 11: Belegung der binären ingänge Tabelle 1: Belegung der binären usgänge Tabelle 13: Belegung der analogen ingänge Tabelle 14: Belegung der analogen usgänge (4-0 m) Tabelle 15: Belegung der analogen usgänge (0-10 V) Tabelle 16: Pinbelegung der nschlussbuchse für die Zufütterungspumpe Tabelle 17: Zusammensetzung des Nährmediums für die Hefefermentation Tabelle 18: Zusammensetzung der Korrekturmittel ph-wert Wert Sascha Princz VIII

10 bkürzungsverzeichnis bkürzungsverzeichnis BK-Nr CPR C 6H 1O 6 HS IR k La KCl LDO OD OTR OUR po POM R-Nr RQ VBR VK-Nr WRPServ ZPumpe ZrO Beckhoff-Busklemmen-Nummer Kohlenstoffdioxidproduktionsrate Glucose Hochschule Infrarot volumenbezogener Sauerstoffübergangskoeffizient Kaliumchlorid Luminescent Dissolved Oxygen Optische Dichte Sauerstofftransferrate Sauerstoffaufnahmerate Sauerstoffpartialdruck Polyoxymethylen Relais-Nummer Respirationsquotient Virtueller Bioreaktor Verteilerkasten-Nummer Winrs-Server Zufütterungspumpe Zirkoniumdioxid Sascha Princz IX

11 Formelabkürzungsverzeichnis Formelabkürzungsverzeichnis Symbol inheit Beschreibung a m -1 Phasengrenzfläche m Gesamtoberfläche aller dispergierten Gasblasen c * O g L -1 O -Sättigungskonzentration der Flüssigphase c O g L -1 aktuelle O -Konzentration der Flüssigphase c mol L -1 Konzentration der Messkomponente c O mol L -1 treibende Konzentrationsgefälle am Gasaustritt c O mol L -1 treibende Konzentrationsgefälle am Gaseintritt c m O mol L -1 mittlere treibende Konzentrationsgefälle d cm Länge der Mess-/ Referenzküvette λ - xtinktion O % Signal der Sauerstoffelektrode He O bar L mol -1 Henry-Koeffizient für O I 0 W sr -1 ungeschwächte Lichtintensität I W sr -1 geschwächte Lichtintensität k L m h -1 Stoffübergangszahl k La s -1 oder h -1 volumenbezogener Sauerstoffübergangskoeffizient K SV L g -1 Stern-Volmer-Konstante M g mol -1 Molekulargewicht p O bar Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase p Ob bar log. Mittelwert des Sauerstoffpartialdrucks in der Gasphase p t bar Totaldruck der Gasphase P bar Druck q O mol L -1 h -1 Molare Sauerstoffaufnahmerate q O mol L -1 h -1 Molare Sauerstoffaustragsrate Q i g L -1 h -1 ustragsrate des jeweiligen Gases i Q i g L -1 h -1 ngebotsrate des jeweiligen Gases i R bar L K -1 mol -1 llg. Gaskonstante, 8, T K Temperatur V* L h -1 Volumenstrom V F L Volumen der Flüssigphase V L m 3 Flüssigkeitsvolumen VVM min -1 Begasungsrate X - Molenbruch Sascha Princz X

12 Formelabkürzungsverzeichnis τ 1 s bklingzeit ohne O τ s bklingzeit mit O ε λ L mol -1 cm -1 xtinktionskoeffizient Indizes - ustrag - intrag N - Normbedingung (1,0135 bar; 73,15 K) m - mittlere Sascha Princz XI

13 inleitung 1 inleitung Die Produktion von Biomasse, Metabolit oder Fremdprodukt unter Zuhilfenahme von Mikroorganismen oder Zellkulturen bezeichnet man als Fermentation. Bei der Fermentation handelt es sich um einen der wichtigsten biotechnologischen Prozesse. So sind Fermentationsprodukte aus der heutigen Industrie nicht mehr wegzudenken, sei es in Form von nzymen für die Lebensmittelindustrie oder bei der Herstellung von Medikamenten wie Penicillin. Die Pharmaindustrie arbeitet aktuell vermehrt an der Herstellung von neuen Medikamenten basierend auf Fermentationsprodukten. bhängig von der Stoffwechseleigenschaft der verwendeten Mikroorganismen läuft eine Fermentation aerob oder anaerob ab. ine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen in Form von optimalen Kulturbedingungen während einer Fermentation lässt sich jedoch nur mit einer sehr komplexen Mess- und Regelungstechnik erfolgreich verwirklichen. s muss für die richtige Temperatur gesorgt, ein konstanter ph-wert gehalten und bei einer aeroben Fermentation auf einen ausreichenden Sauerstoffeintrag geachtet werden. Da Fermentationen vorwiegend aerob ablaufen, und Mikroorganismen nur den Sauerstoff aufnehmen können, welcher in der Fermenterbrühe gelöst ist, kommt dem Sauerstoffeintrag eine sehr große Bedeutung zu. Den Übergang von der Gasblase in die Fermenterbrühe bezeichnet man als Sauerstofftransferrate OTR (Oxygen Transfer Rate), welche vom volumenbezogenen Sauerstoffübergangskoeffizienten k La und der Sauerstoffsättigungskonzentration in der Flüssigphase abhängig ist. Die schlechte Löslichkeit des Sauerstoffs in der Fermenterbrühe und der hohe Sauerstoffverbrauch der Mikroorganismen können schnell zu einer Sauerstoffunterversorgung führen, welche letztendlich zu einer Sauerstofflimitierung und somit zu einem verringerten Zellwachstum führt. Daraus resultieren eine geringere Produktionsrate und weitere unerwünschte Nebeneffekte. Dies gilt es durch ein geschicktes Zusammenwirken von Mess- und Regelungssystemen zu verhindern. in geeignetes Instrument zur Überwachung von aeroben Prozessen ist die bgasanalyse. Dabei werden der Volumenstrom der Sauerstoffzufuhr und die Konzentration von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in der bluft kontinuierlich gemessen. Da es sich hierbei um eine nicht invasive rt der nalytik handelt, besteht keine Kontaminationsgefahr, und man erhält mit dieser weniger arbeitsintensiven, kontinuierlich messenden Methode Resultate ohne signifikante Zeitverzögerung. [1] Sascha Princz 1

14 inleitung Das Messen der Konzentration von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff in der Fermenterabluft ermöglicht jedoch nicht nur eine Überwachung von Substratverwertung, Wachstums- und Produktbildungsrate und der Biomasse selbst, sondern auch eine Funktionskontrolle der lektrode zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks in der Fermenterbrühe. Durch eine geschickte Integration der Online-bgasanalyse in die Prozesssoftware, kann neben der Überwachung auch direkt in den Verlauf einer Fermentation eingegriffen werden. [1] Die igenschaft, mit einer kontinuierlichen Überwachung durch eine bgasanalyse jederzeit uskunft über den Verlauf und Stand einer Fermentation zu erhalten, bietet auch eine interessante insatzmöglichkeit für die Lehre. Mit Hilfe einer Online-bgasanalytik kann man sich nun die Visualisierung einer Fermentation zu igen machen. In chtzeit kann bei einem Respirationsquotient (RQ, Volumenverhältnis von abgegebenen Kohlendioxid zu aufgenommenen Sauerstoff) sehr viel größer als eins der Crabtree-ffekt während einer aeroben Hefefermentation verfolgt werden, oder wie bei einem RQ kleiner eins das zuvor produzierte thanol zum Wachsen verbraucht wird. benso lassen sich die bereits erwähnten inflüsse auf den k La-Wert, wie das Verändern der Rührerdrehzahl oder die Gabe von ntischaummittel, praxisnah und vor allem zeitgetreu visualisieren. Sascha Princz

15 ufgabenstellung ufgabenstellung Die Hochschule Ulm (HS Ulm) besitzt im Labor für die Biotechnologie einen sieben Liter Laborfermenter. Dieser Rührkesselreaktor wurde ausgehend von einem autoklavierbaren Fermenterbehälter, einer Begasungseinrichtung sowie einer Drehzahl- und Temperiereinrichtung der Firma Bioengineering G, im Rahmen einer Diplomarbeit an der HS Ulm um eine lektrode zur Messung des gelösten Sauerstoffs, ph- und ntischaummesseinrichtung erweitert und zu einem voll funktionsfähigen Bioreaktor aufgebaut. Zur Kontrolle und Regelung der gängigen Fermentationsparameter stehen entsprechende Sensoren wie zur Messung der Temperatur, des ph-werts, des Schaumstands, der Optischen Dichte und dem in der Fermentationsbrühe gelösten Sauerstoff zur Verfügung. Das Ziel der vorliegenden Bachelor-Thesis ist die rweiterung des Bioreaktors der HS Ulm um eine Online-bgasanalytik. Zur Realisierung der bgasanalyse soll ein voll funktionsfähiges Stand-lone-Gerät konzipiert und gebaut werden, welches bei Bedarf auch andernorts eingesetzt werden kann. us diesem Grund muss der nalysator manuell genauso wie online bedienbar sein. Die zur Online-rfassung und uswertung der Messergebnisse notwendige nwendersoftware soll mit Hilfe des Prozessleit- und utomatisierungssystem Winrs- Laborversion erstellt werden. Neben der Online-Bedienung des nalysators muss die nwendersoftware auch eine Bedienung grundlegender Funktionen des Bioreaktors ermöglichen. Teilfunktionen wie Messwerterfassung und -auswertung sollen sich anschließend problemlos in die nwendersoftware des Bioreaktors implementieren lassen. ls Schnittstelle zwischen PC und Bioreaktor dient eine lektronikbox zur Prozessautomatisierung. Diese lektronikbox besitzt eine beschränkte nzahl von analogen und binären us- und ingängen und bietet nur die Möglichkeit einer direkten nsteuerung über die serielle RS3-Schnittstelle eines (Vorort-)PCs. us diesem Grund soll die lektronikbox durch einen Buskoppler ersetzt werden. Dieser Buskoppler übernimmt ebenfalls die Funktion der Schnittstelle zur utomatisierung des Prozesses, hat jedoch eine größere nzahl an binären und analogen us- und ingängen. Da es sich bei dem Buskoppler um ein TCP/IP-Gerät handelt bietet dieser einen weiteren großen Vorteil. Durch die neue nsteuerungsmöglichkeit über die thernet-schnittstelle kann der Biorektor in das Netzwerk der HS Ulm integriert werden. Somit kann mit autorisierten Rechnern, über das Sascha Princz 3

16 ufgabenstellung thernet, auf den Prozess zugegriffen werden und man ist nicht mehr an den Vorort-PC gebunden. Für die uswertung der Online-bgasanalytik muss der exakte Massendurchfluss des jeweiligen Gases zur Begasung bekannt sein. us diesem Grund muss der Bioreaktor mit Massendurchflussreglern für das Regeln und Messen der Begasung mit Luft sowie mit Sauerstoff ausgestattet werden. Falls erforderlich sollen weitere notwendige Änderungen der Infrastruktur am Bioreaktor vorgenommen werden. Sascha Princz 4

17 Grundlagen 3 Grundlagen 3.1 Messwertdefinitionen Die Grundlagen für die mathematische Formulierung der bgasanalyse beruhen auf Bilanzgleichungen. Diese Gleichungen entstammen der Betrachtung des in bb. 1 dargestellten Bilanzsystems. Dabei sind bestimmte Parameter wie die einzelnen Konzentrationen des zugeführten Gases und der Begasungsvolumenstrom bekannt. ndere Parameter wie O - und CO -Gehalt in der bluft müssen gemessen oder, wie der Volumenstrom der bluft, berechnet werden. [] Gaszufuhr V* X N P p O p CO Gasphase bgas V* X O X N X CO nalysator X CO OUR X O Bioreaktor c * O c O T V F CPR (Fermentations - brühe ) Flüssigphase Fermenter bb. 1: : Schema zum Gastransport und Bilanzierung Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Kapitel sollen zunächst die in bb. 1 verwendeten Bezeichnungen kurz erklärt werden. Der Volumenstrom V * gibt das Volumen eines bei der Begasung des Fermenters pro Stunde zugeführten Gases in L h -1 an und wird gemessen. nalog dazu gibt V * das Volumen des bgases, welches pro Stunde den Fermenter verlässt, an und wird berechnet. Die Bezeichnung X i steht für den Molenbruch des Gases i und gibt, entsprechend seiner Indizes für intrag und für ustrag, den nteil des Gases i im Gasgemisch der Zu- bzw. bluft an. Sascha Princz 5

18 Grundlagen Der Molenbruch X i entspricht dabei der nzahl der Mole des Gases i dividiert durch die Gesamtmolanzahl des Gasgemisches [16]. Im Fermentationsgefäß des Bioreaktors spricht man von zwei Phasen, einer Gas- und einer Flüssigphase. In diesen Phasen spielen wiederum verschiedene Größen wie der Druck P, die Temperatur T oder das Volumen der Fermentationsbrühe V F eine wesentliche Rolle. Weitere wichtige Größen der Gasphase sind der Partialdruck von Sauerstoff p O und Kohlendioxid p CO. Der Partialdruck entspricht dem Druckanteil des jeweiligen Gases am Gesamtdruck des Gasgemisches. In der Flüssigphase spielt neben der aktuell gelösten Sauerstoffkonzentration in der Fermentationsbrühe c O die Sauerstoffsättigungskonzentration c * O eine wesentliche Rolle. Die Sauerstoffsättigungskonzentration entspricht der maximal möglichen gelösten Sauerstoffkonzentration in einer Flüssigkeit [16]. Die Sauerstoffaufnahmerate OUR (Oxygen Uptake Rate) gibt an wie viel gelöster Sauerstoff von einem Verbraucher in der Fermentationsbrühe aufgenommen und verstoffwechselt wird. Die Kohlenstoffproduktionsrate CPR (Carbon Dioxide Production Rate) liefert die Mengenangabe des von dem Verbraucher gebildeten Kohlendioxids. Die Indizes für intrag und für ustrag bezeichnen die entsprechenden Größen in der Gaszufuhr () und dem bgas () Sauerstoffaufnahmerate Mit den aus einer bgasanalyse erhaltenen Messdaten kann die Sauerstoffaufnahmerate OUR berechnet werden. s wird vorausgesetzt, dass es keinen Biomassezuwachs und somit auch keinen Sauerstoffverbrauch während der Messwerterfassung gibt, und der in der Luft enthaltene Stickstoff den Fermenter ohne zu reagieren passiert. Man geht somit von einem quasistationären Zustand aus und erhält den nsatz in Gl. (3.1). Dabei ist die Menge des über die Begasung angebotenen Stickstoffs (ngebotsrate) gleich der über die bluft ausgetragenen Menge des Stickstoffs (ustragsrate). = (3.1) N Q N Q mit Q i ngebotsrate des jeweiligen Gases i [g L -1 h -1 ] Q i ustragsrate des jeweiligen Gases i [g L -1 h -1 ] und Indizes ustrag intrag Sascha Princz 6

19 Grundlagen Mit Hilfe des idealen Gasgesetzes folgt Gl. (3.). V * P V F N X N R T M N N V = * P V F X N R T M N (3.) mit V* Volumenstrom [L h -1 ] P Druck [bar] X Molenbruch [-] M Molekulargewicht [g mol -1 ] V F Volumen der Flüssigphase [L] R llg. Gaskonstante, 8, [bar L K -1 mol -1 ] T Temperatur [K] und Indize N Normbedingung (1,0135 bar, 73,15 K) Da OUR die Differenz zwischen Sauerstoffeintrag und -austrag ist, folgt: OUR Q Q O O = Q O QO (3.3) = M O qo (3.4) = M O qo (3.5) mit q O Molare Sauerstoffaufnahmerate [mol L -1 h -1 ] q O Molare Sauerstoffaustragsrate [mol L -1 h -1 ] Dabei entspricht q O der Menge Sauerstoff in mol, die pro h in einen L Fermentationsbrühe durch einen Verbraucher aufgenommen bzw. verbraucht wird. Die Menge des Sauerstoffs in mol, der pro h in einem L der bluft enthalten ist gibt q O an. Nach dem man Gl. (3.4) und Gl. (3.5) in Gl (3.3) einsetzt folgt Gl. (3.6). OUR q q = O QO 1 (3.6) O Gl. (3.6) wird mit Gl. (3.) erweitert zu Gl. (3.7) Sascha Princz 7

20 Grundlagen Sascha Princz 8 = O N F N O F O X T R V P V X T R V P V Q OUR * * 1 (3.7) Formt man Gl. (3.) um erhält man Gl. (3.8). F N F N N N T R V P V T R V P V X X = * * (3.8) Nach dem insetzen von Gl. (3.8) in GL. (3.7), und kürzen erhält man Gl. (3.9). = O N O N O X X X X Q OUR 1 (3.9) Jetzt werden Gl. (3.10), Gl. (3.11) und Gl. (3.1) in Gl. (3.9) eingesetzt. CO O N X X X 1 = (3.10) CO O N X X X 1 = (3.11) N F O O N N O T R V M X P V Q = * (3.1) bschließend erhält man Gl. (3.13) zur Berechnung von OUR. [], [3]

21 Grundlagen OUR 1 ( 1 X O X CO ) ( 1 X X ) * N N = V P X O M O X O N V F R T X O O CO (3.13) Die OUR beschreibt wie viel von dem gelösten Sauerstoff von den Organismen aufgenommen und somit auch verbraucht wird Kohlenstoffdioxidproduktionsrate Nach ähnlicher bleitung wie für OUR in Kapitel beschrieben erhält man die Gl. (3.14) zur Berechnung der CPR. [], [3] * N N V P X CO M ( 1 ) CO X CO X O X CO = 1 N V ( 1 ) F R T X CO X O X CO CPR (3.14) Die CPR ist ein Maß für die Menge Kohlenstoffdioxid, welche von den Organismen während einer aeroben Fermentation gebildet wird Respirationsquotient Der Respirationsquotient RQ berechnet sich, wie man in Gl. (3.15) sieht, aus dem Verhältnis von gebildetem CO zu verbrauchtem O und wird mit den entsprechenden Molekulargewichten multipliziert. [] RQ CPR M O = (3.15) OUR M CO Verwertet ein Organismus unter zu Hilfenahme von O Glucose (C 6H 1O 6), entstehen im Idealfall aus den sechs O -Molekülen sechs CO -Moleküle gemäß der Reaktionsgleichung für die tmung Gl. (3.16), und der RQ beträgt eins. Sascha Princz 9

22 Grundlagen C 6H 1O O 6 CO + 6 H O (3.16) Somit weist eine bweichung des RQ auf eine Änderung im Verlauf des Fermentationsprozesses hin. Die Gründe für diese Änderung können, mit einer unzureichenden Sauerstoffversorgung, aufgebrauchtes oder nicht mehr verwertetes Substrat sowie ein Umstieg auf ein während der Fermentation gebildetes Substrat, verschiedene Gründe haben. [1] Sauerstofftransferrate ansferrate Die OTR beschreibt den Transport der O -Moleküle von der Gasphase in das Medium. OTR * ( c c ) = kla O O (3.17) mit c * O O -Sättigungskonzentration der Flüssigphase [g L -1 ] c O aktuelle O -Konzentration der Flüssigphase [g L -1 ] Das für den Sauerstofftransport von der Gas- in die Flüssigphase zuständige treibende Konzentrationsgefälle bildet sich, wie in Gl. (3.17) zu sehen, aus der Differenz der O - Sättigungskonzentration und der aktuellen O -Konzentration der Flüssigphase. Die O - Sättigungskonzentration, also das thermodynamische Gleichgewicht zwischen der Flüssigund Gasphase, lässt sich mit Hilfe des Henry-Gesetzes aus GL. (3.18) berechnen. [] * O c O = (3.18) mit p O Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase [bar] He O Henry-Koeffizient für O [bar L mol -1 ] p He O In Gl. (3.18) kann für p O der in der Fermentationsbrühe tatsächlich gemessene Wert verwendet werden. [4] Da der Henry-Koeffizient unter anderem auch von der Temperatur abhängig ist, kann c * O mit der Korrelation von Truesdale, Gl. (3.19) genauer berechnet werden. [5] Sascha Princz 10

23 Grundlagen c p 3 ( 67,75 1,887 T + 0,036 T 0, T ) * O O = (3.19) pt mit p t Totaldruck der Gasphase [bar] Volumenbezogener Sauerstoffübergan gangs gskoeffizient Bei dem k La handelt es sich um ein Produkt, welches sich aus der Stoffübergangszahl k L und der auf das Flüssigkeitsvolumen bezogenen Phasengrenzfläche a bildet. Dabei ist a wie folgt definiert: [3] V L mit a Phasengrenzfläche [m -1 ] a = (3.0) Gesamtoberfläche aller dispergierten Gasblasen [m ] V L Flüssigkeitsvolumen [m 3 ] Fließgleichgewichtsmethode Bei dieser Methode zur Bestimmung des k La-Wertes handelt es sich um die exakteste Methode, da sie während der Fermentation unter realen Betriebsbedingungen erfolgt. Voraussetzung zur nwendung der Fließgleichgewichtsmethode ist jedoch eine genau funktionierende bgasanalyse. Da während der Fermentation die zeitliche Änderung der gelösten O -Konzentration der Differenz zwischen OTR und OUR entspricht erhält man: dc O dt = k L a * ( c c ) OUR O O (3.1) Da die rfassung der Messwerte in einem sehr kurzen Zeitraum erfolgt, kann dc O = 0 (3.) dt angenommen werden und man erhält Gl. (3.3). = k a * ( c c ) OUR 0 L O O (3.3) Sascha Princz 11

24 Grundlagen Nach Umformen erhält man Gl. (3.4) zur Berechnung des k La-Wertes. [3], [4] k L a OUR = * (3.4) co co Die Berechnung des k La-Wertes mit Gl. (3.4) gilt für die nnahme einer ideal durchmischten Gasphase, hier muss also im gesamten Fermentationsraum ein konstanter p O vorherrschen. Da jedoch in einem Fermenter die Gasphase nicht ideal durchmischt ist, lässt sich das treibende Konzentrationsgefälle durch einen logarithmischen Mittelwert der beiden Partialdrücke und somit der treibenden Konzentrationsgefälle am Gaseintritt ( c O) und - austritt ( c O) genauer berechnen. Man erhält somit das mittlere treibende Konzentrationsgefälle c m O gemäß Gl. (3.5). [], [6] c m O co c O = c O ln co mit c O treibende Konzentrationsgefälle am Gasaustritt [mol L -1 ] c O treibende Konzentrationsgefälle am Gaseintritt [mol L -1 ] c m O mittlere treibende Konzentrationsgefälle [mol L -1 ] (3.5) Zur Berechnung des k La-Wertes bei einer nicht ideal durchmischten Gasphase gilt dann Gl. (3.6). k L a OUR = m (3.6) co Sascha Princz 1

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