Steuerung und Regelung eines Bioreaktors mit dem ... · Abbildung 3-4: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs = Substratkonzentration; (Anlehnung an Hass

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.: 42093

Datum: 26.02.2010

Betreuer: Dipl. Ing. R. Miller

Erstprüfer: Prof. Dr. M. Hessling

Zweitprüfer: Prof. Dr. Dr. R. Blechschmidt-Trapp

Bearbeitungszeitraum: November-Februar 2010

I

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

II

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 (pO2). 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.

Inhaltsverzeichnis

III

III. Inhaltsverzeichnis

I. Eidesstattliche Erklärung ........................................................................................................ I

II. Zusammenfassung ................................................................................................................ II

III. Inhaltsverzeichnis................................................................................................................. III

IV. Abbildungsverzeichnis .......................................................................................................... VI

V. Tabellenverzeichnis .............................................................................................................. IX

VI. Symbolverzeichnis ................................................................................................................. X

1. Einleitung .......................................................................................................................... - 1 -

2. Aufgabenstellung .............................................................................................................. - 3 -

3. Grundlagen ....................................................................................................................... - 4 -

3.1. Der Fermentationsprozess .................................................................................................. - 4 -

3.1.1. Definition und Ablauf .................................................................................................. - 4 -

3.1.2. Bioreaktoren ................................................................................................................ - 5 -

3.1.3. Wichtige Prozessparameter ........................................................................................ - 6 -

3.1.4. Fermentationsverfahren ............................................................................................. - 9 -

3.1.5. Die Wachstumsphasen .............................................................................................. - 10 -

3.2. Regelungstechnik .............................................................................................................. - 12 -

3.2.1. Steuerung .................................................................................................................. - 12 -

3.2.2. Regelung .................................................................................................................... - 12 -

3.2.3. Regelung von Bioprozessen ....................................................................................... - 13 -

3.2.4. Wichtige Regler bei Bioprozessen ............................................................................. - 13 -

3.2.5. Ermitteln von Reglereinstellungen ............................................................................ - 17 -

3.3. Glukose-Zufütterung bei der Backhefe-Fermentation ...................................................... - 22 -

3.3.1. Stoffwechsel der Backhefe ........................................................................................ - 22 -

3.3.2. Theoretisches Zulaufschema ..................................................................................... - 22 -

3.3.3. Ausgleichsregelung des Zulaufschemas .................................................................... - 25 -

Inhaltsverzeichnis

IV

3.4. Prozessleitsystem WinErs .................................................................................................. - 26 -

3.4.1. WinErs Laborversion II ............................................................................................... - 26 -

3.4.2. Blockstrukturen ......................................................................................................... - 26 -

3.4.3. Grafcet-Pläne ............................................................................................................. - 27 -

3.4.4. Prozessbilder ............................................................................................................. - 27 -

3.4.5. Signaldefinition .......................................................................................................... - 28 -

3.4.6. Prozessanschlüsse ..................................................................................................... - 29 -

4. Technische Ausstattung des Bioreaktors ...........................................................................- 30 -

4.1. Sensoren ............................................................................................................................ - 30 -

4.2. Stelleinrichtungen ............................................................................................................. - 31 -

4.3. Prozessanschluss ............................................................................................................... - 32 -

5. Prozess-Software .............................................................................................................- 33 -

5.1. Prozessbilder ..................................................................................................................... - 33 -

5.1.1. Bedienfenster ............................................................................................................ - 33 -

5.1.2. Prozessverläufe ......................................................................................................... - 36 -

5.2. Allgemeine Blockstrukturen .............................................................................................. - 39 -

5.2.1. Pumpenleistung ......................................................................................................... - 39 -

5.2.2. Reaktorinhalt ............................................................................................................. - 42 -

5.3. Standard Modulgruppen ................................................................................................... - 43 -

5.3.1. Begasung ................................................................................................................... - 43 -

5.3.2. Korrekturmedien ....................................................................................................... - 47 -

5.3.3. Temperatur ................................................................................................................ - 50 -

5.3.4. Erntepumpe ............................................................................................................... - 51 -

5.3.5. Rührerdrehzahl .......................................................................................................... - 52 -

5.4. Optionale Modulgruppen .................................................................................................. - 53 -

5.4.1. Abgasanalytik............................................................................................................. - 53 -

5.4.2. Optische Dichte ......................................................................................................... - 55 -

5.4.3. Zufütterung ................................................................................................................ - 56 -

Inhaltsverzeichnis

V

6. Prozess-Fernüberwachung ................................................................................................- 60 -

6.1. Umsetzung ......................................................................................................................... - 60 -

7. Ermittlung der Reglereinstellungen ...................................................................................- 62 -

7.1. Pumpenkalibrierung .......................................................................................................... - 62 -

7.2. Temperatur-Regelung ....................................................................................................... - 63 -

7.3. pH-Regelung ...................................................................................................................... - 64 -

7.4. pO2-Regelung .................................................................................................................... - 65 -

7.5. Glukose-Regelung .............................................................................................................. - 69 -

Literaturverzeichnis .................................................................................................................- 74 -

A) Anhang ............................................................................................................................- 75 -

A.1) Signaldefinitionen .............................................................................................................. - 75 -

A.2) Blockstrukturen & Grafcet-Seiten ..................................................................................... - 80 -

Verzeichnisse

VI

IV. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 3-1: Prinzipieller Aufbau eines Rührkesselreaktors (Anlehnung an Chmiel, 2006) ........... - 6 -

Abbildung 3-2: pH-Wert Skala ............................................................................................................. - 7 -

Abbildung 3-3: Schematische Darstellung des Einflusses der Temperatur auf die Wachstumsrate von

E. coli (Anlehnung an Mordukhova, Lee, & Pan, 2008) ....................................................................... - 8 -

Abbildung 3-4: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs =

Substratkonzentration; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) ........................................................ - 10 -

Abbildung 3-5: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Fed-Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs =

Substratkonzentration; t1= Start des Substrat-Zulaufs (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) ........ - 11 -

Abbildung 3-6: Schematischer Aufbau einer Steuerung ................................................................... - 12 -

Abbildung 3-7: Schematischer Aufbau einer Regelung ..................................................................... - 12 -

Abbildung 3-8: Schaltverhalten eines Zweipunkt-Reglers................................................................. - 16 -

Abbildung 3-9: Sprungantwort mit Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) ...................... - 17 -

Abbildung 3-10: Sprungantwort ohne Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) ................. - 18 -

Abbildung 3-11: Auswertung einer Sprungantwort; Tu = Verzugszeit; Tg = Ausgleichszeit; ∆𝑦 =

Differenz der Stellgröße; ∆𝑥 = Differenz der Regelgröße; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) ... - 18 -

Abbildung 3-12: Auswertung einer Sprungantwort; T∑ = T-Summe; Ks=Streckenverstärkung; ∆𝑦 =

Differenz der Stellgröße; ∆𝑥 = Differenz der Regelgröße; (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009) ... - 20 -

Abbildung 3-13: Beispiel eines Regelkreises als Blockstruktur ......................................................... - 27 -

Abbildung 3-14: Beispiel eines Grafcet-Plans .................................................................................... - 27 -

Abbildung 4-1: Foto des Bioreaktors während einer Fermentation ................................................. - 30 -

Abbildung 5-1: Prozessbild – Bedienfenster ..................................................................................... - 37 -

Abbildung 5-2: Prozessbild - Prozessverläufe ................................................................................... - 38 -

Abbildung 5-3: Einstellfenster der Pumpenkalibrierung ................................................................... - 40 -

Abbildung 5-4: Kalibrierung des Pumpenantriebs PD 5201 .............................................................. - 41 -

Abbildung 5-5: Einstellungen für Reaktorinhalt ................................................................................ - 42 -

Abbildung 5-6: Einstellungen Begasungs-Modul ............................................................................... - 43 -

Abbildung 5-7: Anzeige des Begasungs-Moduls im Bedienfenster ................................................... - 46 -

Abbildung 5-8: Einstellungen des Korrekturmedien-Moduls ............................................................ - 47 -

Abbildung 5-9: Korrekturmedien-Anzeige im Bedienfenster ............................................................ - 50 -

Abbildung 5-10: Einstellungen des Temperatur-Moduls .................................................................. - 50 -

Abbildung 5-11: Einstellungen der Erntepumpe ............................................................................... - 51 -

Abbildung 5-12: Anzeige der Erntemenge im Bedienfenster ............................................................ - 51 -

Abbildung 5-13: Rührer Einstellungen .............................................................................................. - 52 -

Verzeichnisse

VII

Abbildung 5-14: Anzeige der Modulgruppe für Abgasanalytik im Bedienfenster ............................ - 54 -

Abbildung 5-15:Einstellungen der Abgasanalytik .............................................................................. - 54 -

Abbildung 5-16: Einstellungen für optische Dichte ........................................................................... - 55 -

Abbildung 5-17: Anzeige der Modulgruppe für optische Dichte im Bedienfenster .......................... - 55 -

Abbildung 5-18: Einstellungen der Zufütterung ................................................................................ - 56 -

Abbildung 5-19: Anzeige des Zufütterung-Moduls im Bedienfenster ............................................... - 59 -

Abbildung 7-1: Temperatur-Regelung ............................................................................................... - 63 -

Abbildung 7-2: Sichere Temperatur-Regelung .................................................................................. - 63 -

Abbildung 7-3: pH-Regelung ............................................................................................................. - 64 -

Abbildung 7-4: pO2-Regelung durch Gasfluss ................................................................................... - 66 -

Abbildung 7-5: Bleibende Gasfluss-Schwankung bei Regelung ........................................................ - 66 -

Abbildung 7-6: Gasfluss-Schwankung bei Zugabe von Sauerstoff .................................................... - 67 -

Abbildung 7-7: pO2-Regelung durch Rührerdrehzahl ....................................................................... - 68 -

Abbildung 7-8: pO2-Regelung durch Gasfluss & Rührer ................................................................... - 68 -

Abbildung 7-9: Glukose- & Ethanol-Gehalt ....................................................................................... - 72 -

Abbildung 7-10: Zellwachstum & Zulaufrate ..................................................................................... - 72 -

Abbildung 7-11: Pumpendrehzahl-Regelung .................................................................................... - 73 -

Abbildung A-1: Pumpenleistung ........................................................................................................ - 81 -

Abbildung A-2: Reaktorinhalt ............................................................................................................ - 82 -

Abbildung A-3: Gasfluss-Regelung .................................................................................................... - 83 -

Abbildung A-4: Gaszusammensetzung .............................................................................................. - 84 -

Abbildung A-5: pH-Regelung ............................................................................................................. - 85 -

Abbildung A-6: Antischaum-Regelung ............................................................................................... - 86 -

Abbildung A-7: Temperatur-Regelung .............................................................................................. - 87 -

Abbildung A-8: Erntepumpe .............................................................................................................. - 88 -

Abbildung A-9: Rührer-Regelung ....................................................................................................... - 89 -

Abbildung A-10: Abgasanalytik.......................................................................................................... - 90 -

Abbildung A-11: Zufütterung Pumpensteuerung .............................................................................. - 91 -

Abbildung A-12: Glukose-Zufütterung; Bestimmung der Zulaufrate ................................................ - 92 -

Abbildung A-13: Glukose-Zufütterung; Bestimmung der Pumpendrehzahl ..................................... - 93 -

Abbildung A-14: Zellmassenbestimmung .......................................................................................... - 94 -

Abbildung A-15: Pumpenabschaltung der Abgasanalytik ................................................................. - 95 -

Abbildung A-16: Massendurchflussregler-Steuerung ....................................................................... - 96 -

Abbildung A-17: Tankzulauf Berechnung .......................................................................................... - 97 -

Abbildung A-18: Aktivierung anderer Module für Glukose-Zufütterung .......................................... - 98 -

Verzeichnisse

VIII

Abbildung A-19: Sprungantwort; Rührerdrehzahl= 400 [1/min]; Gasfluss 1 auf 4 [l/min] ............... - 99 -

Abbildung A-20: Sprungantwort; Gasfluss=3,5 [l/min]; Drehzahl 400 auf 700 [1/min] .................. - 100 -

Verzeichnisse

IX

V. Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1: Formelzeichen – Sauerstofflöslichkeit ............................................................................. - 7 -

Tabelle 3-2: Formelzeichen – P-Regler .............................................................................................. - 14 -

Tabelle 3-3: Formelzeichen – I-Glied ................................................................................................. - 14 -

Tabelle 3-4: Formelzeichen – D-Glied ............................................................................................... - 15 -

Tabelle 3-5: Formelzeichen – Zweipunktregler ................................................................................. - 16 -

Tabelle 3-7: Formelzeichen für Tabellenfaktor α .............................................................................. - 19 -

Tabelle 3-8: Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick (Hass & Pörtner, 2009) ...................... - 19 -

Tabelle 3-9: Einstellregeln nach T-Summen-Verfahren (Hass & Pörtner, 2009) ............................... - 20 -

Tabelle 3-10: Formelzeichen - Zellmasse .......................................................................................... - 23 -

Tabelle 3-11: Formelzeichen – Substratverbrauch ........................................................................... - 23 -

Tabelle 3-12: Formelzeichen – Substratbilanz .................................................................................. - 24 -

Tabelle 3-13: Formelzeichen – Respirationsquotient ....................................................................... - 25 -

Tabelle 5-1: Formelzeichen – Pumpenleistung ................................................................................. - 39 -

Tabelle 5-2: Formelzeichen – Reaktorvolumen ................................................................................. - 42 -

Tabelle 5-3: pO2 Regelstrategien ...................................................................................................... - 43 -

Tabelle 5-4: Formelzeichen - pO2-Gasfluss-Regelung ....................................................................... - 44 -

Tabelle 5-5: Formelzeichen – Obere Stellwertgrenze ....................................................................... - 45 -

Tabelle 5-6: Formelzeichen – Gaszusammensetzung am Eingang .................................................... - 46 -

Tabelle 5-7: Formelzeichen – pH-Regelung ....................................................................................... - 48 -

Tabelle 5-8: Formelzeichen – Restmenge eines Vorratstanks .......................................................... - 49 -

Tabelle 5-9: Formelzeichen – Gefördertes Volumen ........................................................................ - 57 -

Tabelle 5-10: Formelzeichen – Zulaufrate ......................................................................................... - 57 -

Tabelle 5-11: Formelzeichen – Berechnung Betriebsintervall .......................................................... - 58 -

Tabelle 7-1: Kalibrierungsdaten der PD5201-Pumpe mit 4mm Schlauchinnendurchmesser ........... - 62 -

Tabelle A-1: Analoge Signale ............................................................................................................. - 75 -

Tabelle A-2: Analoge Ausgänge ......................................................................................................... - 75 -

Tabelle A-3: Analoge Merker ............................................................................................................. - 77 -

Tabelle A-4: Binäre Eingänge ............................................................................................................. - 78 -

Tabelle A-5: Binäre Ausgänge ............................................................................................................ - 78 -

Tabelle A-6: Binäre Merker ............................................................................................................... - 79 -

Verzeichnisse

X

VI. Symbolverzeichnis

Symbol Einheit Beschreibung

𝑶𝟐 - Sauerstoff

𝑪𝑶𝟐 - Kohlenstoffdioxid

𝑵𝟐 - Stickstoff

𝒄𝑶𝟐∗ [kg/m³] Gelöste Sauerstoffkonzentration

𝒑 [bar] Druck

𝑻 [°C] Temperatur

𝒀(𝒕) - Stellsignal eines Reglers

𝒆(𝒕) - Regeldifferenz oder Eingangssignal eines Reglers

𝑲𝒑 - Reglerverstärkung

𝑻𝒏 [s] Nachstellzeit

𝑻𝒗 [s] Vorhaltzeit

𝑯 - Hysterese

𝒕𝒏 [s] Zeitpunkt n

𝑲𝒔 - Streckenverstärkung

∆𝒙 - Differenz der Regelgröße

∆𝒚 - Differenz des Stellgröße

𝛂 - Tabellenfaktor

𝐓𝐠 [s] Ausgleichszeit

𝐓𝐮 [s] Verzugszeit

𝑽𝑹 [l] Volumen des Reaktorinhalts

𝑿 [g] Zellmasse im Reaktor

𝒄𝒙 [g/l] Zellenkonzentration im Reaktor

𝝁𝒎𝒂𝒙 [1/h] Max. spezifische Wachstumsrate

𝑿𝟎 [g] Zellmasse zu Beginn der Fermentation

𝑺 [g] Substratmenge im Reaktor

𝒄𝒔 [g/l] Substratkonzentration im Reaktor

𝒀𝑿/𝑺 - Zellsubstratausbeute

𝑭 [l/h] Substratzulaufrate

𝒄𝒔𝟎 [g/l] Substratkonzentration im Substrat-Tank

𝑹𝑸 - Respirationsquotient

𝑸𝑪𝑶𝟐 [mol] Kohlendioxidbildungsrate

Verzeichnisse

XI

𝑸𝑶𝟐 [mol] Sauerstoffaufnahmerate

𝑽𝑷 [ml] Gefördertes Volumen einer Pumpe

𝒁𝑽𝑷 [ml/s] Pumpenzeitvolumen einer Pumpe

𝑻𝑮𝒆𝒔𝒂𝒎𝒕 - Summe der Gasbestandteile

𝑻𝑳𝒖𝒇𝒕 - Luftanteil am Gesamtvolumenstrom

𝑻𝑶𝟐 - O2-Anteil am Gesamtvolumenstrom

𝑸𝑳𝒖𝒇𝒕 [l/min] Volumenstrom des Luft-Durchflussreglers

𝑸𝑶𝟐 [l/min] Volumenstrom des O2 -Durchflussreglers

𝑸𝑮𝒆𝒔𝒂𝒎𝒕 [l/min] Gesamtvolumenstrom (PID Stellgröße)

𝑿𝑶𝟐𝑬 [%] Sauerstoffanteil im Gesamtgasfluss

𝑿𝑪𝑶𝟐𝑬 [%] Kohlenstoffdioxidanteil im Gesamtgasfluss

𝑿𝑵𝟐𝑬 [%] Stickstoffanteil im Gesamtgasfluss

𝑽𝑹𝒆𝒔𝒕𝒎𝒆𝒏𝒈𝒆∗ [ml] Restmenge eines Vorratstanks

𝑽𝑻𝒂𝒏𝒌∗ [ml] In den Vorratstank eingefüllte Menge

𝑽𝑷𝒖𝒎𝒑𝒆∗ [ml] Geförderte Pumpmenge

𝒕𝑬𝒊𝒏 [s] Pumpenlaufzeit pro Minute (Pumpenantrieb PD 5201)

𝒕𝑽 [s] Pumpeneinschaltverzögerung (Pumpenantrieb PD 5201)

1. Einleitung

- 1 -

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.

1. Einleitung

- 2 -

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.

2. Aufgabenstellung

- 3 -

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 pO2-Wert.

Dieser soll nun über die Sauerstoffzufuhr, die Rührerdrehzahl oder beiden geregelt werden

können. Außerdem soll man die Gasmischung aus Luft und O2 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.

3. Grundlagen

- 4 -

3. Grundlagen

3.1. Der Fermentationsprozess

3.1.1. Definition und Ablauf

Die Fermentation ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung biotechnologischer Produkte.

Ursprünglich ist der Begriff ein Synonym für Gärung1, 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)

3. Grundlagen

- 5 -

3.1.2. 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.

3. Grundlagen

- 6 -

Abbildung 3-1: Prinzipieller Aufbau eines Rührkesselreaktors (Anlehnung an Chmiel, 2006)

3.1.3. 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 𝒑𝑶𝟐-Wert

In Bezug auf den Sauerstoffbedarf gibt es bei Mikroorganismen folgende Unterscheidungen:

Obligat anaerob → kein Sauerstoffbedarf, O2 wirkt tödlich

Obligat aerob → O2 ist lebenswichtig

Fakultativ anaerob → können mit und ohne O2 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).

3. Grundlagen

- 7 -

Eine ausreichende Sauerstoffversorgung wird aber durch die begrenzte Löslichkeit von O2 in Wasser

erschwert. Diese kann durch andere Stoffe im Medium, wie Salze und Zucker, weiter reduziert

werden.

Löslichkeit von Luft (21% O2): 𝐶𝑂2∗ =

0,526 ∗ 𝑝

36 + 𝑇 Gleichung 3-1

Löslichkeit von O2: 𝐶𝑂2∗ =

2,506 ∗ 𝑝

36 + 𝑇 Gleichung 3-2


𝑪𝑶𝟐∗ [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 (pO2) kann somit

ein Maß für den O2-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 O2 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 𝐻3𝑂+ 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.

3. Grundlagen

- 8 -

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

3. Grundlagen

- 9 -

3.1.4. 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.

3. Grundlagen

- 10 -

3.1.5. 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)

3. Grundlagen

- 11 -

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.


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 .

3. Grundlagen

- 12 -

3.2. Regelungstechnik

3.2.1. 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

3.2.2. 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.

3. Grundlagen

- 13 -

3.2.3. 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.

3.2.4. 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.

3. Grundlagen

- 14 -

Mathematisch lässt sich der P-Regler wie folgt beschreiben:

P-Regler: 𝑌 𝑡 = 𝐾𝑝 ∗ 𝑒(𝑡) Gleichung 3-3


𝒀(𝒕) - Stellsignal des Reglers

𝒆(𝒕) - Regeldifferenz oder Eingangssignal des Reglers

𝑲𝒑 - 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


𝑻𝒏 [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 3-5

3. Grundlagen

- 15 -

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

𝑑𝑡𝑒(𝑡) Gleichung 3-6


𝑻𝒗 [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

𝑑𝑡𝑒 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 Hin-

und 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).

3. Grundlagen

- 16 -

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 𝑡𝑛 = 1 𝑓ü𝑟 𝑒 𝑡𝑛 > 𝐻

𝑌 𝑡𝑛 = 0 𝑓ü𝑟 𝑒 𝑡𝑛 < −𝐻

𝑌 𝑡𝑛 = 𝑌 𝑡𝑛 − 1 𝑓ü𝑟 − 𝐻 ≤ 𝑒 𝑡𝑛 ≤ 𝐻

Gleichung 3-8


𝒀(𝒕𝒏) - Stellsignal des Reglers

𝒆(𝒕𝒏) - Regeldifferenz oder Eingangssignal des Reglers

𝑯 - Hysterese

𝒕𝒏 [s] Zeitpunkt n

Tabelle 3-5: Formelzeichen – Zweipunktregler

3. Grundlagen

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3.2.5. 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 pO2-Wert, da die Löslichkeit von Sauerstoff im Medium begrenzt ist.

Abbildung 3-9: Sprungantwort mit Ausgleich (Anlehnung an Hass & Pörtner, 2009)

3. Grundlagen

- 18 -

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)

3. Grundlagen

- 19 -

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 = Tg

Ks ∗ Tu Gleichung 3-10


𝑲𝒔 - Streckenverstärkung

∆𝒙 - Differenz der Regelgröße

∆𝒚 - Differenz des Stellgröße

𝛂 - Tabellenfaktor

𝐓𝐠 [s] Ausgleichszeit

𝐓𝐮 [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.

Regler Parameter

Aperiodischer Verlauf Verlauf mit 20% Überschwingen

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)

3. Grundlagen

- 20 -

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.

Einstellung Regler

Regelparameter

Kp Tn Tv

Normal P 1

𝐾𝑠 - -

PI 0,5

𝐾𝑠 0,5𝑇∑ -

PID 1

𝐾𝑠 0,66𝑇∑ 0,167𝑇∑

Schnell PI 1

𝐾𝑠 0,7𝑇∑ -

PID 2

𝐾𝑠 0,8𝑇∑ 0,194𝑇∑

Tabelle 3-8: Einstellregeln nach T-Summen-Verfahren (Hass & Pörtner, 2009)

3. Grundlagen

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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.



Töpfer, H., & Besch, P. (1990). Grundlagen der Automatisierungstechnik. Berlin: VEB Verlag Technik.

3. Grundlagen

- 22 -

3.3. Glukose-Zufütterung bei der Backhefe-Fermentation

3.3.1. Stoffwechsel der Backhefe

Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist ein fakultativ anaerober Organismus. Die Energiegewinnung

kann daher mit oder ohne O2 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

Zellsubstratausbeute3 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.

3.3.2. 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 = 𝜇𝑚𝑎𝑥 ).

3 Verhältnis von gebildeter Biomasse zu verbrauchter Substratmenge

3. Grundlagen

- 23 -

Die Zulaufrate ist von der aktuellen Zellmasse abhängig. Die Zunahme der Zellmasse lässt sich

folgendermaßen beschreiben:

Zunahme der Zellmasse: 𝑑(𝑉𝑅 ∗ 𝑐𝑥)

𝑑𝑡=𝑑𝑋

𝑑𝑡= 𝜇𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑋 Gleichung 3-11

Mit den Anfangsbedingungen 𝑡0 = 0; 𝑋0 = 𝑋(𝑡0) und Integration von Gleichung 3-11 erhält man:

Aktuelle Zellmasse: 𝑋 = 𝑋0 ∗ 𝑒𝜇𝑚𝑎𝑥 ∗𝑡 Gleichung 3-12


𝑽𝑹 [l] Volumen des Reaktorinhalts

𝑿 [g] Zellmasse im Reaktor

𝒄𝒙 [g/l] Zellenkonzentration im Reaktor

𝝁𝒎𝒂𝒙 [1/h] Max. spezifische Wachstumsrate

𝑿𝟎 [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(𝑉𝑅 ∗ 𝑐𝑠)

𝑑𝑡=𝑑𝑆

𝑑𝑡= −

𝜇𝑚𝑎𝑥𝑌𝑋/𝑆

∗ 𝑋 Gleichung 3-13


𝑺 [g] Substratmenge im Reaktor

𝒄𝒔 [g/l] Substratkonzentration im Reaktor

𝒀𝑿/𝑺 - Zellsubstratausbeute

Tabelle 3-10: Formelzeichen – Substratverbrauch

3. Grundlagen

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Die Substratbilanz ergibt sich aus dem Substratverbrauch und dem Substratzulauf:

Substratbilanz: 𝑑(𝑉𝑅 ∗ 𝑐𝑠)

𝑑𝑡= −


∗ 𝑋 + 𝐹 ∗ 𝑐𝑠0 Gleichung 3-14


𝑭 [l/h] Substratzulaufrate

𝒄𝒔𝟎 [g/l] Reine Substratkonzentration

Tabelle 3-11: Formelzeichen – Substratbilanz

Nach 𝑑𝑐𝑠

𝑑𝑡 aufgelöst erhält man:

𝑑𝑐𝑠𝑑𝑡

= −𝑐𝑠 ∗𝑑𝑉𝑅

𝑉𝑅 ∗ 𝑑𝑡−

𝜇𝑚𝑎𝑥𝑉𝑅 ∗ 𝑌𝑋/𝑆

∗ 𝑋 +𝐹 ∗ 𝑐𝑠

0

𝑉𝑅 Gleichung 3-15

Die zeitliche Änderung des Reaktorvolumens wird durch den Zulauf bestimmt. Daher gilt: 𝑑𝑉𝑅

𝑑𝑡= 𝐹

𝑑𝑐𝑠𝑑𝑡

= −𝜇𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑅 ∗ 𝑌𝑋/𝑆∗ 𝑋 +

𝐹

𝑉𝑅∗ (𝑐𝑠

0 − 𝑐𝑠) Gleichung 3-16

Da die Substrat-Konzentration im Reaktor konstant gehalten werden soll, gilt für diesen Zustand:

𝑑𝑐𝑠

𝑑𝑡= 0

𝐹 ∗ 𝑐𝑠0 − 𝑐𝑠 =



Weiterhin gilt 𝑐𝑠 ≪ 𝑐𝑠0 ,da die Substrat-Konzentration im Reaktor sehr viel kleiner ist als im

Substrattank.

𝐹 ∗ 𝑐𝑠0 =



Durch Einsetzen von Gleichung 3-11 kommt man zu folgender Gleichung der optimalen Zulaufrate:

Zulaufrate: 𝐹 =𝜇𝑚𝑎𝑥

𝑐𝑠0 ∗ 𝑌𝑋/𝑆

∗ 𝑋0 ∗ 𝑒𝜇𝑚𝑎𝑥 ∗𝑡

Gleichung 3-19

3. Grundlagen

- 25 -

3.3.3. Ausgleichsregelung des Zulaufschemas

Der genaue Fermentationsverlauf kann nie mathematisch genau vorhergesagt werden. Das

theoretische Zulaufschema berücksichtigt somit nicht den tatsächlichen Prozesszustand oder den

Stoffwechsel der Organismen. Deshalb kann die Zulaufrate zusätzlich mit einer Regelung

ausgeglichen werden, um Rücksicht auf Störungen zu nehmen.

Als eine geeignete Regelgröße hat sich der Respirationsquotient RQ erwiesen. Dieser kann durch eine

Abgasanalyse am Bioreaktor ermittelt werden. Mathematisch wird der Respirationsquotient wie folgt

beschrieben (Diekmann & Metz, 1991):

Respirationsquotient: 𝑅𝑄 =𝑄𝐶𝑂2

𝑄𝑂2 Gleichung 3-20


𝑹𝑸 - Respirationsquotient

𝑸𝑪𝑶𝟐 [mol] Kohlendioxidbildungsrate

𝑸𝑶𝟐 [mol] Sauerstoffaufnahmerate

Tabelle 3-12: Formelzeichen – Respirationsquotient

Da durch den Glukosestoffwechsel der Mikroorganismen CO2 erzeugt und O2 verbraucht wird, kann

der Respirationsquotient Auskunft über die Zuckerkonzentration im Medium geben. Allgemein gelten

folgende Zusammenhänge (Miller, 2008):

RQ < 1: Die Zuckerzufuhr ist zu gering.

RQ ≈ 1: Optimale Zuckerkonzentration.

RQ > 1: Zuckerkonzentration zu hoch (Crabtree-Effekt).

Die berechnete Zulaufrate ist aber in der Regel ein sehr guter Anhaltspunkt. Daher bestimmt eine

Regelung aufgrund des RQ-Werts die Zulaufrate meist nicht komplett neu, sondern passt diese nur

an. Somit folgt die Zulaufrate einem festen Zulaufschema, wird aber durch den Regler an den

tatsächlichen Stoffwechsel der Mikroorganismen angepasst


Bucher, J., Hauck, A., & Müller, D. (kein Datum). Regelung der Zufütterung von Glukose beim

Wachstum von Saccharomyces cerevisiae. IBVT Stuttgart.



3. Grundlagen

- 26 -

3.4. Prozessleitsystem WinErs

WinErs ist eine Software für die Prozessautomatisierung. Es lässt sich für die Visualisierung,

Überwachung, Simulation, Regelung und Messwerterfassung von Prozessen nutzen. Es wird vom

Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH hergestellt und liegt derzeit in der Version 5.4.C vor.

3.4.1. WinErs Laborversion II

Für diese Bachelor-Thesis wurde die Laborversion II von WinErs benutzt. Die Laborversion ist eine

eingeschränkte Version und beinhaltet nur wenige Grundmodule der Vollversion. Diese sind aber

ausreichend für verschiedenste Simulationen oder Automatisierungen von Prozessen. Folgende

Module sind enthalten:

Messwerterfassung I zur Speicherung der Prozessdaten

Steuern & Regeln I zur Erstellung von Blockstrukturen

Steuern & Regeln II, u.a. zur Erstellung von Arithmetikblöcken oder

Programmgebern und Grafcet-Plänen

Prozessvisualisierung, um den Prozess darzustellen und zu steuern

Rezepturen, um das System in einen definierte Zustand zu setzen

Weiterhin ist die Anzahl der möglichen Signale eingeschränkt. Mit der Laborversion können jeweils

nur 16 binäre und 8 analoge Ein- und Ausgänge verwaltet werden. Zusätzlich können aber 80 binäre

und analoge Merker angelegt werden. Ein Merker ist eine Art virtuelles Signal, das zum Beispiel für

die Speicherung von berechneten Größen genutzt werden kann.

3.4.2. Blockstrukturen

Über Blockstrukturen werden in WinErs Steuerungen und Regelkreise realisiert. Die Eingabe erfolgt

grafisch, somit ist kein Programmieraufwand erforderlich. Es gibt eine große Anzahl vordefinierter

Blöcke aus den Kategorien Regelung, Arithmetik, und Binärblöcke. Weiterhin gibt es auch noch eine

Vielzahl spezieller Blöcke für besondere Fälle, die zum Beispiel den Zugriff auf Variablen des

Betriebssystems ermöglichen. Die Blöcke werden über Drag&Drop abgelegt und müssen dann

entsprechend eingestellt und verbunden werden.

Um eine Blockstruktur in den Regelungsablauf von WinErs einzubinden, muss man sie erst

kompilieren und anschließend aktivieren. Durch einen Ansicht-Modus kann man die laufende

Blockstruktur überwachen und kontrollieren. Dafür werden binäre Zustände von Leitungen farblich

dargestellt und analoge Werte von Blöcken numerisch angezeigt.

3. Grundlagen

- 27 -

Abbildung 3-13 zeigt als Beispiel eine Blockstruktur eines Regelkreises mit PID-Regler.

Abbildung 3-13: Beispiel eines Regelkreises als Blockstruktur

3.4.3. Grafcet-Pläne

GRAFCET (frz. Graphe Fonctionenel de Commande Etape Transition) ist eine Beschreibungssprache

für das Verhalten eines Systems und ist durch die Norm DIN EN 60848 (bzw. IEC 60848) definiert.

Hauptsächlich werden damit Funktionspläne für Ablaufsteuerungen realisiert. Ein Grafcet-Plan

besteht aus Transitionen (Übergangsbedingungen), Schritten und Aktionen. Ist die Bedingung einer

Transition erfüllt, wird der darauf folgende Schritt ausgelöst. Dieser Schritt kann wiederum eine

Aktion auslösen. Ist die Aktion ausgeführt, bleibt der Schritt so lange aktiv bis die nächste Transition

erfüllt ist. In Abbildung 3-14 ist das Prinzip eines Grafcet-Plans dargestellt. Wenn die Transition 1

erfüllt ist (z.B. durch Betätigen eines Schalters), wird der Schritt 1 und dessen Aktion 1 ausgeführt

(z.B. inkrementieren eines Zählers). Anschließend wird der Plan beendet, wenn Transition 2 erfüllt ist.

Abbildung 3-14: Beispiel eines Grafcet-Plans

In WinErs können Grafcet-Pläne ähnlich wie Blockstrukturen erstellt werden. Dafür gibt es ebenfalls

vordefinierte Blöcke, die über Drag&Drop abgesetzt werden und anschließend verbunden werden

müssen.

3.4.4. Prozessbilder

Die Prozessvisualisierung erfolgt über Prozessbilder. Der Aufbau eines Prozessbildes erfolgt aus

statischen und dynamischen Elementen sowie Eingabeelementen. Auch hier gibt es wieder eine

umfangreiche Auswahl an vordefinierten Elementen. Vor allem durch die dynamischen Elemente

lässt sich der zeitliche Prozessverlauf gut darstellen. Es können Balkengrafiken, dynamische Bilder

oder Farbverläufe in Abhängigkeit von Signalwerten erstellt werden. Es gibt auch die Möglichkeit

3. Grundlagen

- 28 -

Signalzustände anzuzeigen und zu setzen. Zusätzlich können Eingabeelemente wie Schalter mit einer

großen Vielfalt an Funktionen belegt werden.

3.4.5. Signaldefinition

Bevor mit Blockstrukturen oder Prozessbildern gearbeitet werden kann, müssen die Signale definiert

werden. Im Prinzip macht WinErs nichts anderes als Signale zu verarbeiten. Diese stellen den Kern

der ganzen Anwendung dar. Deshalb ist eine gute und fehlerfreie Signaldefinition unbedingt

erforderlich. Hierzu zählen:

Signaltyp

Bevor ein neues Signal erzeugt wird, muss der Typ festgelegt werden. Es wird unterschieden

in binäre oder analoge Signale und in Eingänge, Ausgänge oder Merker.

Signalname

Ein treffender Signalname ist wichtig. Dadurch wird die spätere Programmbearbeitung

erleichtert.

Signalbeschreibung

Da der Signalname in der Zeichenlänge begrenzt ist, kann auch noch eine ausführlichere

Signalbeschreibung erstellt werden.

Definitionsbereich

Der Definitionsbereich stellt die Wertgrenzen des Signals dar. Bei binären Signalen spielt das

keine Rolle, da sie nur zwei Zustände kennen. Bei analogen Signalen ist der

Definitionsbereich aber entscheidend. Er legt die logische Ober- und Untergrenze fest. Alle

analogen Ein- und Ausgänge besitzen physikalische Grenzen von 0-10 Volt. Somit erfolgt mit

dem Definitionsbereich eine Art Analog-Digital-Wandlung.

Einheit

Die Angabe der Einheit ist unverzichtbar, da diese für Berechnungen oder Auswertungen

bekannt sein muss.

Kanalzuordnung

Die Kanalzuordnung ist nur für Ein- und Ausgänge relevant. Sie legt fest, auf welchem Kanal

das Signal empfangen wird. Dies ist von der Verdrahtung des Prozessanschlusses abhängig.

3. Grundlagen

- 29 -

3.4.6. Prozessanschlüsse

Der Prozessanschluss ist das Bindeglied zwischen WinErs und Hardware. WinErs stellt mehrere

Treiber für unterschiedliche Prozessanschlüsse zur Verfügung. Die Laborversion umfasst folgende

Anschlusstreiber:

OPC-Treiber

APCI3120-Treiber PC Karte von ADDI-DATA

S7- Treiber MPI - Bus oder Ethernet CP für S7

MicApp- Treiber für Elektronikbox, serieller RS232-Anschluss

TCP/IP Modbus-Treiber Ethernet-Anschluss für Beckhoff, Wago, Phoenic Contact

EasyPort von Festo Didaktik

Hier soll nur weiter auf den TCP/IP-Treiber eingegangen werden, da nur dieser für diese Bachelor-

Thesis relevant ist.

Ethernet-TCP/IP

Werden in einem Computernetzwerk Daten versendet, durchlaufen diese mehrere Stufen. Jede

dieser Stufen hat eine spezielle Funktion, auf die die nächste Stufe aufbaut. Die unterste Ebene ist

die physikalische Ebene. Sie legt fest, auf welchem physikalischen Weg die Daten gesendet werden.

Für lokale Netzwerke ist Ethernet die am häufigsten verwendete physikalische

Vernetzungstechnologie. In den darauf folgenden Stufen werden über Protokolle die Adressierung

und die Übertragung geregelt. Das Internet Protocol (IP) ist für die Adressierung der

Netzwerkteilnehmer zuständig. Jeder Teilnehmer erhält eine einmalige IP-Adresse. Diese ist 32-Bit

lang und wird immer in mit Punkten voneinander getrennten 8-Bit Blöcken angegeben (z.B.

192.168.1.20). Das Transport Control Protocol (TCP) regelt dann den Ablauf des Datentransports

zwischen den Teilnehmern des Netzwerks.


Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH. (September 2008). WinErs - Laborversion (Einführung und

erste Schritte).

Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH. (April 2009). WinErs:GRAFCET - Laborversion.

Santifaller, M. (1990). TCP/IP und NFS. Addison-Wesley.

4. Technische Ausstattung des Bioreaktors

- 30 -


Dieser Abschnitt soll die aktuelle technische Ausstattung des Bioreaktors (Abbildung 4-1) kurz

zusammenfassen. Bei diesem handelt es sich um einen 7 Liter Labor-Fermenter der Firma

Bioengineering. Die ursprüngliche Ausstattung des Bioreaktors geht auf eine frühere Diplomarbeit

(Gruber, 2005) zurück. Dieser Abschnitt soll ebenfalls die in der Aufgabenstellung erwähnten neuen

Hardware-Komponenten abdecken.

Abbildung 4-1: Foto des Bioreaktors während einer Fermentation

4.1. Sensoren

Um den Prozesszustand zu erfahren, verfügt der Bioreaktor über Sensoren zur Erfassung folgender

Größen:

Temperatur im Reaktor

Rührerdrehzahl des Magnetrührers

pH-Wert des Mediums

optische Dichte des Reaktorinhalts

Sauerstoffpartialdruck (pO2) im Medium

O2 und CO2 in der Abluft durch Abgasanalyse (Princz, 2010)

Schaumbildung im Reaktor

Volumenstrom des Luft-Durchflussreglers


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4.2. Stelleinrichtungen

Folgende Stelleinrichtungen ermöglichen die Steuerung des Reaktors und somit den Eingriff in den

Verlauf einer Fermentation:

Heiz/Kühlmantel

Über den wassergefüllten Mantel des Bioreaktors wird die Temperatur geregelt. Dieser wird

von einer externen Regelungsanlage von Bioengineering gesteuert. An diese muss der

gewünschte Temperatur-Sollwert übergeben werden.

Magnetrührer

Für die Durchmischung und Zerteilung der Gasblasen sorgt ein Magnetrührer. Die

Ansteuerung des Magnetrührers erfolgt ebenfalls über die Regelungsanlage von

Bioengineering.

Massendurchflussregler

Der Bioreaktor verfügt über zwei Massendurchflussregler, einen für Luft und einen für reinen

Sauerstoff. Diese ermöglichen jeweils einen Volumenstrom zwischen 0-10 [l/min].

Rollenpumpen

Insgesamt gibt es vier einfache Rollenpumpen. Drei davon sind für die Zufuhr von Säure,

Lauge und Antischaum zuständig. Die letzte wird verwendet, um dem Reaktor Proben zu

entnehmen. Die Drehzahl der Pumpen kann nicht eingestellt werden, sondern ist fest

vorgegeben.

Steuerbarer Pumpenantrieb

Für die weitere Zufuhr von Stoffen, wie zum Beispiel der Glukose-Zufütterung, gibt es einen

steuerbaren Pumpenantrieb. Dies ist der Pumpenantrieb PD 5201 der Firma Heidolph,

welcher mit verschiedenen Pumpenköpfen betrieben werden kann. Die Steuerung erfolgt

über eine analoge Schnittstelle. Somit kann der Pumpenantrieb über eine Steuerspannung

an- und ausgeschaltet werden oder die Pumpendrehzahl und Drehrichtung bestimmt

werden. Es sind Drehzahlen zwischen 5-120 [1/min] möglich. Weiterhin kann die Pumpe mit

unterschiedlichen Schlauchdurchmessern betrieben werden. Für genaue technische Daten

sei auf die Betriebsanleitung verwiesen (Heidolph Instruments GmbH & Co KG, 2004).


- 32 -

4.3. Prozessanschluss

Der Prozessanschluss des Bioreaktors mit WinErs, erfolgt über einen Ethernet-TCP/IP-Buskoppler. Ein

Buskoppler verwaltet das Empfangen und Senden von Signalen über einen Feldbus und besitzt

mehrere Busklemmen. Eine Busklemme kann binäre und analoge Signale verarbeiten. An ihr werden

die Endgeräte, wie Sensoren oder mechanische Elemente, direkt verdrahtet. Durch den Buskoppler

müssen somit nicht alle Endgeräte parallel mit dem Kommunikationspartner verbunden werden,

sondern die Übertragung erfolgt über eine Datenleitung durch den Feldbus. Der Feldbus, in diesem

Fall Ethernet-TCP/IP, regelt dann die genaue Übertragungsreihenfolge.

Ein Ethernet-TCP/IP-Buskoppler kann in ein lokales Computernetzwerk integriert werden. Somit

können andere Netzwerkteilnehmer mit ihm kommunizieren. Der Buskoppler wird über seine IP-

Adresse identifiziert und kann dann sämtliche Signalzustände der Busklemmen übertragen. Ein

Prozessanschluss über einen Ethernet-TCP/IP-Buskoppler bietet somit den Vorteil, dass der Prozess

von jedem Computer im Netzwerk über WinErs gesteuert werden kann. Außerdem kann man den

Buskoppler leicht um Busklemmen erweitern, um mehr Signale zu verwalten.

5. Prozess-Software

- 33 -

5. Prozess-Software

Im Folgenden soll der Aufbau und die Funktion der Prozess-Software beschrieben werden. Diese

wurde ausschließlich mit der WinErs Laborversion II erstellt, wobei auch andere Programme als

Unterstützung verwendet wurden. Zum Beispiel sind alle Grafiken mit einem externen

Grafikprogramm (Photoimpact v12) entstanden.

Insgesamt verarbeitet die Software 108 unterschiedliche Signale zur Steuerung und Regelung des

Bioreaktors (Siehe Anhang A.1). Diese sind eingeteilt in:

8 analoge Eingänge

7 analoge Ausgänge

57 analoge Merker

1 binärer Eingang

15 binäre Ausgänge

20 binäre Merker

Weiterhin gibt es 18 Prozessbilder, 14 Blockstrukturen und 4 Grafcet-Pläne, welche für die

Prozessdarstellung und Logik verantwortlich sind.

5.1. Prozessbilder

5.1.1. Bedienfenster

Das Bedienfenster (Abbildung 5-1) stellt sozusagen die äußere Schale der Prozess-Software dar. Es

enthält alle relevanten Prozessanzeigen, gibt aber gleichzeitig die Möglichkeit, alle Parameter zu

setzen oder mechanische Elemente zu steuern.

Grundsätzlich wurde das Prinzip verfolgt, die Prozessvisualisierung von den Prozesseinstellungen zu

trennen. Diese Umsetzung ist so gewählt, damit der Benutzer bei einer Kontrolle des Prozesses auf

den ersten Blick sofort den Ist-Zustand erfährt. Deshalb ist das Bedienfenster in erster Linie ein reines

Anzeigefenster zur Prozessvisualisierung. Sämtliche Einstellmöglichkeiten auf dieselbe Seite zu setzen

würde das Bedienfenster nur unübersichtlich machen. Außerdem ist die gesamte Funktionalität des

Bioreaktors in Modulgruppen aufgeteilt. Die Aufteilung erfolgt in:

Begasung Korrekturmedien Temperatur

Ernte Reaktorinhalt Abgasanalytik

Zufütterung Optische Dichte Rührer

5. Prozess-Software

- 34 -

Um die Übersicht zusätzlich zu verbessern, werden alle Modulgruppen in eigenen Blöcken mit

Gruppenüberschriften angezeigt. In diesen Blöcken befinden sich dann nur Prozessparameter zur

jeweiligen Modulgruppe.

Jeder Block besitzt außerdem neben der Überschrift ein bis drei Schaltflächen. Diese Schaltflächen

führen bestimmte Aktionen für die Modulgruppe aus. Zu den Aktionen gehören:

Prozessverlauf der Gruppe (Symbol: )

Diese Aktion ermöglicht es, den bisherigen zeitlichen Verlauf von Prozessparametern dieser

Gruppe anzuzeigen. Dafür öffnet sich ein zusätzliches Fenster, in dem die Verläufe in einem

Koordinatensystem über die Zeit aufgetragen sind. Dies ist sehr nützlich für

Prozesskontrollen.

Einstellungen der Gruppe (Symbol: )

Das Bedienfenster dient zwar primär der Anzeige von Prozessdaten, aber es besteht keine

komplette Trennung zu den Prozesseinstellungen. Das heißt, der Benutzer muss nicht das

Prozessbild wechseln um Einstellungen zu treffen. Dies ermöglicht eine einfache und vor

allem schnelle Bedienung. Jede Modulgruppe besitzt diese Schaltfläche, über die ein kleines

Zusatzfenster geöffnet wird. In diesem befinden sich dann nur individuelle Einstellungen für

diese Modulgruppe. Durch dieses Konzept der Gruppeneinteilung und Trennung in Anzeige

und Einstellungen wird die Suche nach Anzeigewerten, sowie deren Einstellmöglichkeiten auf

ein Minimum reduziert.

An- und Ausschalten der Gruppe (Symbol: )

Es gibt die Möglichkeit einige Modulgruppen zu deaktivieren. Das ist notwendig, weil ein

paar Module, wie zum Beispiel die Abgasanalytik, nicht bei jeder Fermentation

angeschlossen werden. Diese Modulgruppen werden als optionale Modulgruppen

bezeichnet. Die Anzeigeblöcke werden bei Deaktivierung grau hinterlegt und zeigen keine

laufenden Werte mehr an. Dadurch erkennt der Benutzer sofort, welche Module aktiv sind

und welche nicht.

5. Prozess-Software

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In der Kopfleiste des Bedienfensters befinden sich drei Schaltflächen:

Hilfe

Öffnet die Html-Hilfe zur Prozesssoftware. In dieser finden sich nützliche Informationen und

Besonderheiten zur Bedienung und Erweiterung der Software. Außerdem gibt es eine

Checkliste, in der alle wichtigen Schritte für den Beginn einer Fermentation aufgelistet

werden. Dies ist vor allem für ungeübte Benutzer gedacht, wie zum Beispiel Studenten

während eines Labor-Praktikums.

WinErs

Schließt das Bedienfenster und wechselt zu WinErs. In WinErs kann man dann

Systemeinstellungen treffen oder die hinterlegten Blockstrukturen betrachten.

Beenden

Beendet die Prozesssoftware samt WinErs und kehrt ins Betriebssystem zurück.

In der Fußleiste gibt es noch ein paar Statusanzeigen. Diese umfassen Datum, Uhrzeit, Prozessdauer

und den Status der Messwerterfassung (An/Aus). Außerdem gibt es weitere fünf Schaltflächen:

Pumpeneinstellungen

Öffnet das Einstellungsfenster zur Pumpenkalibrierung. Eine genauere Beschreibung erfolgt

in Abschnitt 5.2.1.

Reglereinstellungen

Öffnet das Einstellungsfenster für Reglereinstellungen. Hier können die Regelparameter für

die wichtigsten Regler eingestellt werden. Außerdem kann man auch den Reglertyp

festlegen. Dadurch können die Regler wahlweise als PID- oder PI-Regler eingestellt werden.

Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an neue Verhältnisse oder eine einfache und

schnelle Korrektur der Regelungen.

Messungseinstellungen

Öffnet das WinErs-Fenster für die Einstellungen zur Messwerterfassung. Dies ist notwendig

um den Speicherzyklus der Messwerterfassung zu bestimmen. Außerdem können die Signale

ausgewählt werden, die von der Messung erfasst werden sollen.

Messung Start/Stopp

Startet oder Stoppt eine Messung.

Prozessverläufe

Wechselt in das Prozessbild für Prozessverläufe.

5. Prozess-Software

- 36 -

Weiterhin übernimmt das Bedienfenster Aufgaben der Ablaufsteuerung. Wenn zum Beispiel die

Software gestartet wird, werden automatisch alle Prozessparameter in den Ursprungszustand

gesetzt. Hierfür gibt es in WinErs sogenannte Rezepturen. Rezepturen definieren konstante Zustände

oder Werte mehrerer Signale. Beim auslösen einer Rezeptur werden dann die Signale in den

definierten Zustand versetzt. Somit startet die Software jedes Mal mit den gleichen Signalzuständen.

Dies ist notwendig, da WinErs die Signalzustände der letzten Sitzung speichert und bei einem

Neustart des Programms wieder lädt.

5.1.2. Prozessverläufe

Dieses Prozessbild kann über das Bedienfenster erreicht werden und dient der Anzeige und Analyse

von Messungen (Abbildung 5-2). Dies umfasst alte und laufende Messungen.

Die Fußleiste umfasst folgende Schaltflächen:

Exporteinstellungen

WinErs bietet die Möglichkeit, alle aufgenommenen Messungen in Textdateien zu

exportieren. Dies ist nützlich, um die Messdaten in anderen Programmen, wie zum Beispiel

Excel, bearbeiten zu können. Über diese Schaltfläche können Einstellungen für den Export

von Messdaten getroffen werden.

Messungen löschen

Gibt die Möglichkeit alte Messungen zu löschen.

Messungsauswahl

Öffnet den Dialog zur Messungsauswahl. Über diese Schaltfläche wählt man die Messung

und die Signale, die angezeigt werden sollen.

Bedienfenster

Wechselt zurück zum Bedienfenster.

5. Prozess-Software

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Abbildung 5-1: Prozessbild – Bedienfenster

5. Prozess-Software

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Abbildung 5-2: Prozessbild - Prozessverläufe

5. Prozess-Software

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5.2. Allgemeine Blockstrukturen

Es gibt Blockstrukturen, die nicht nur einer Modulgruppe zugeordnet werden können. Diese

übernehmen Aufgaben, welche in mehreren Modulgruppen gefordert sind oder berechnen

Zustandsgrößen, die sich prozessübergreifend aus mehreren Modulgruppen ergeben.

5.2.1. Pumpenleistung

Insgesamt gibt es am Bioreaktor fünf Pumpen, welche über unterschiedliche Modulgruppen

angesteuert werden. Dies sind die vier einfachen Rollenpumpen und der steuerbare Pumpenantrieb.

Die Zu- und Abläufe durch die Pumpen sind Grundlage für sämtliche Füllstandberechnungen des

Reaktors. Die geförderte Menge einer Pumpe ergibt sich aus einer Multiplikation der Pumpenlaufzeit

mit dem Pumpenzeitvolumen.

Gefördertes Volumen: 𝑉𝑃 = 𝑡𝑃 ∗ 𝑍𝑉𝑃 Gleichung 5-1

Die Blockstruktur für die Pumpenleistung (Abbildung A-1) berechnet das Pumpenzeitvolumen der

vier Rollenpumpen. Hierfür müssen die Pumpen erst kalibriert werden. Dazu misst man welches

Volumen die Pumpe über einen bestimmten Zeitraum fördern kann. Im Einstellungsfenster der

Pumpenkalibrierung (Abbildung 5-3) kann man dann das geförderte Volumen und die benötigte Zeit

eintragen, worauf das Pumpenzeitvolumen berechnet wird.

Pumpenzeitvolumen: 𝑍𝑉𝑃 =𝑉𝑃𝑘𝑎𝑙

𝑡𝑃𝑘𝑎𝑙 Gleichung 5-2


𝑽𝑷 [ml] Gefördertes Volumen der Pumpe

𝒕𝑷 [s] Gesamtpumpenlaufzeit

𝒁𝑽𝑷 [ml/s] Pumpenzeitvolumen

𝑽𝑷𝒌𝒂𝒍 [ml] Gefördertes Volumen der Pumpe bei Kalibrierung

𝒕𝑷𝒌𝒂𝒍 [s] Pumpenlaufzeit bei Kalibrierung

Tabelle 5-1: Formelzeichen – Pumpenleistung

5. Prozess-Software

- 40 -

Abbildung 5-3: Einstellfenster der Pumpenkalibrierung

Das Einstellungsfenster bietet weiterhin die Möglichkeit die Fördermenge einer Pumpe wieder auf

Null zu setzen. Dadurch kann der Totraum der Zuleitung ausgeglichen werden. Zu Beginn der

Fermentation, wenn die Pumpe noch nicht aktiv war, ist der Zufuhrschlauch noch mit Luft gefüllt.

Erst wenn die Pumpe ein paar Sekunden aktiv war, ist die Luft im Schlauch verdrängt und der

Schlauch mit Flüssigkeit gefüllt. Durch das Zurücksetzen der Fördermenge, kann somit ein minimaler

Fehler in der Füllstandberechnung ausgeglichen werden.

5. Prozess-Software

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Die Kalibrierung des Pumpenantriebs PD 5201 ist etwas aufwendiger, da das Pumpenzeitvolumen

von der eingestellten Drehzahl und dem verwendeten Schlauchdurchmesser abhängig ist. Deshalb

können für verschiedene Schlauchdurchmesser, die Kennlinien für den Zusammenhang zwischen

Drehzahl und Fördermenge erstellt werden. Hierfür muss das Pumpenzeitvolumen für mehrere

Drehzahlen gemessen werden und anschließend im Kalibrierungsfenster (Abbildung 5-4) eintragen

werden. Die Drehzahl wird auf der X-Achse aufgetragen und die daraus resultierende Fördermenge in

[ml/s] auf der Y-Achse. Die eingetragenen Daten können dann für den gewählten

Schlauchdurchmesser abgespeichert und später auch wieder geladen werden.

Abbildung 5-4: Kalibrierung des Pumpenantriebs PD 5201

5. Prozess-Software

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5.2.2. Reaktorinhalt

Diese Blockstruktur (Abbildung A-2) berechnet das aktuelle Volumen des Reaktorinhalts, da der

Bioreaktor hierfür keine Messtechnik besitzt. Es ergibt sich aus dem Reaktorinhalt zu Beginn der

Fermentation und den Zu- und Abläufen der Pumpen.

Reaktorvolumen: 𝑉𝑅 = 𝑉𝑅0 + 𝑉𝑃

𝑆 + 𝑉𝑃𝐿 + 𝑉𝑃

𝐴𝑆 + 𝑉𝑃𝑍𝐹 − 𝑉𝑃

𝐸 Gleichung 5-3


𝑽𝑹 [L] Volumen des Reaktorinhalts

𝑽𝑹𝟎 [L] Anfangsmenge (Einfüllmenge)

𝑽𝑷𝑺 [ml] Geförderte Menge der Säurepumpe

𝑽𝑷𝑳 [ml] Geförderte Menge der Laugenpumpe

𝑽𝑷𝑨𝑺 [ml] Geförderte Menge der Antischaumpumpe

𝑽𝑷𝒁𝑭 [ml] Geförderte Menge der Zufütterungs-Pumpe

𝑽𝑷𝑬 [ml] Geförderte Menge der Erntepumpe

Tabelle 5-2: Formelzeichen – Reaktorvolumen

Die Anfangsmenge 𝑽𝑹𝟎 kann im Einstellungsfenster des Reaktors festgelegt werden (Abbildung 5-5).

Abbildung 5-5: Einstellungen für Reaktorinhalt

Die einzelnen Fördermengen der Pumpen werden in den Blockstrukturen der jeweiligen

Modulgruppen berechnet. Das Volumen des Reaktorinhalts nimmt Einfluss auf die integrierte

Abgasanalytik (Abschnitt 5.4.1) und auf die Glukose-Zufütterung (Abschnitt 5.4.3).

Die Anzeige des Reaktorinhalts erfolgt in der Mitte des Bedienfensters über eine Säulengrafik und

eine numerische Anzeige.

5. Prozess-Software

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5.3. Standard Modulgruppen

Diese Modulgruppen umfassen die Funktionalität, die fast bei jeder Fermentation gebraucht wird. Sie

sind somit für die Steuerung und Regelung der wichtigsten Prozessparameter zuständig.

5.3.1. Begasung

Die primäre Aufgabe des Begasungs-Moduls besteht darin, die Massendurchflussregler für Luft und

Sauerstoff zu steuern. Das kann entweder manuell oder durch Aktivieren der pO2-Gasfluss-Regelung

erfolgen. Dies wird im Einstellungsfenster des Moduls festgelegt (Abbildung 5-6). Dort wird auch der

pO2-Sollwert für die Regelung festgelegt.

Abbildung 5-6: Einstellungen Begasungs-Modul

Der pO2-Wert wird vom Gesamtvolumenstrom der beiden Durchflussregler sowie der

Rührerdrehzahl beeinflusst. Somit ergeben sich vier unterschiedliche Regelstrategien:

Strategie Gasfluss Rührerdrehzahl

S1 geregelt geregelt

S2 geregelt manuell

S3 manuell geregelt

S4 manuell manuell

Tabelle 5-3: pO2 Regelstrategien

Diese Modulgruppe beinhaltet nur die pO2-Regelung über den Gasfluss. Die pO2-Regelung über die

Rührerdrehzahl wird in Abschnitt 5.3.5 behandelt.

5. Prozess-Software

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𝒑𝑶𝟐-Gasfluss-Regelung

Bei deaktivierter Gasfluss-Regelung, kann man im Einstellungsfenster (Abbildung 5-6) über

Schieberegler, die Volumenströme der Durchflussregler festlegen. Ist die Gasfluss-Regelung

(Abbildung A-3) jedoch aktiviert, wird nun über die Schieberegler das Mischungsverhältnis von Luft

zu Sauerstoff eingestellt.

Der Regler berechnet dann aus der pO2-Regeldifferenz den Gesamtvolumenstrom, worauf durch das

Mischungsverhältnis die einzelnen Volumenströme für Luft und Sauerstoff berechnet werden:

Summe der Gasbestandteile: 𝑇𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 = 𝑇𝐿𝑢𝑓𝑡 + 𝑇𝑂2 Gleichung 5-4

Volumenstrom Luft: 𝑄𝐿𝑢𝑓𝑡 = 𝑇𝐿𝑢𝑓𝑡

𝑇𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡∗ 𝑄𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 Gleichung 5-5

Volumenstrom O2: 𝑄𝑂2 = 𝑇𝑂2

𝑇𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡∗ 𝑄𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 Gleichung 5-6


𝑻𝑮𝒆𝒔𝒂𝒎𝒕 - Summe der Gasbestandteile

𝑻𝑳𝒖𝒇𝒕 - Luftanteil am Gesamtvolumenstrom

𝑻𝑶𝟐 - O2-Anteil am Gesamtvolumenstrom

𝑸𝑳𝒖𝒇𝒕 [l/min] Volumenstrom des Luft-Durchflussreglers

𝑸𝑶𝟐 [l/min] Volumenstrom des O2-Durchflussreglers

𝑸𝑮𝒆𝒔𝒂𝒎𝒕 [l/min] Gesamtvolumenstrom (PID Stellgröße)

Tabelle 5-4: Formelzeichen - pO2-Gasfluss-Regelung

Jeder Durchflussregler hat einen maximalen Volumenstrom von 10 [l/min]. Dadurch ergibt sich

theoretisch ein maximaler Stellwert von 20 [l/min] für den Regler. Um das Gasmischungsverhältnis zu

gewährleisten, muss der maximale Stellwert aber gegebenenfalls verkleinert werden. Dies wird durch

folgendes Beispiel erläutert:

5. Prozess-Software

- 45 -

Beispiel zur Notwendigkeit der Stellwertbegrenzung

Unter Annahme einer starken Regeldifferenz, würde der Regler seinen maximalen Stellwert von 20

[l/min] anfahren. Weiterhin sei ein Mischungsverhältnis von 1:4 (𝑇𝑂2 = 1; 𝑇𝐿𝑢𝑓𝑡 = 4) angenommen.

Nach Gleichung 5-5 und Gleichung 5-6 würden sich dann folgende Volumenströme ergeben:

𝑄𝑂2 = 4 [𝑙/𝑚𝑖𝑛]

𝑄𝐿𝑢𝑓𝑡 = 16 [𝑙/𝑚𝑖𝑛]

𝑄𝐿𝑢𝑓𝑡 kann aber aufgrund der erwähnten technischen Kapazitäten nur 10 [l/min] erreichen. Somit

wäre das eingestellte Mischungsverhältnis zerstört. In diesem Fall müsste der Stellwert des Reglers

auf 12,5 [ l/min] begrenzt werden, um das Mischungsverhältnis beizubehalten.

Für eine mathematische Berechnung der oberen Stellwertgrenze muss zuerst bestimmt werden,

welches Gas den größeren und welches den kleineren Anteil an der Gesamtmischung hat. Der

größere Anteil wird dann als 𝑇𝑚𝑎𝑥 bezeichnet, der kleinere Anteil als 𝑇𝑚𝑖𝑛 . Im vorherigen Beispiel

wäre 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 4 und 𝑇𝑚𝑖𝑛 = 1. Der obere Stellwert ergibt sich dann aus:

Obere Stellwertgrenze: 𝑌(𝑡)𝑚𝑎𝑥 = 10 + 10 ∗𝑇𝑚𝑖𝑛𝑇𝑚𝑎𝑥

Gleichung 5-7


𝒀(𝒕)𝒎𝒂𝒙 [l/min] Obere Stellwertgrenze

𝑻𝒎𝒊𝒏 - Kleinerer Gasanteil

𝑻𝒎𝒂𝒙 - Größerer Gasanteil

Tabelle 5-5: Formelzeichen – Obere Stellwertgrenze

Weiterhin gehört zu dieser Modulgruppe ein Grafcet-Plan (Abbildung A-16). Dieser stellt, wenn die

Gasfluss-Regelung aktiviert wird, automatisch ein Teileverhältnis von 1 Teil Luft : 0 Teile O2 ein.

Dadurch ist gewährleistet, dass immer ein Teileverhältnis eingestellt ist, auch wenn der Benutzer dies

vergessen hat. Wenn die Gasfluss-Regelung deaktiviert wird, setzt der Grafcet-Plan die

Volumenströme der Durchflussregler nicht zurück, sondern setzt sie auf ihren aktuellen Stellwert.

5. Prozess-Software

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Anzeige im Bedienfenster

Die Anzeige des Begasungs-Moduls (Abbildung 5-7) enthält Informationen zur Gasmischung, zum

Gasfluss, zum pO2-Wert und dessen Regelung. Das Mischungsverhältnis von Luft zu Sauerstoff wird

in einer Balkengrafik dargestellt, alle anderen Werte numerisch.

Abbildung 5-7: Anzeige des Begasungs-Moduls im Bedienfenster

Über den Gesamtgasfluss und das Mischungsverhältnis kann die Gaszusammensetzung am Eingang

bestimmt werden (Abbildung A-4). Hier werden nur die Anteile von Sauerstoff, Stickstoff und

Kohlenstoffdioxid betrachtet, da diese den Hauptbestandteil ausmachen und bei der Abgasanalyse

(Abschnitt 5.4.1) eine Rolle spielen. Die prozentualen Anteile ergeben sich aus:

O2-Anteil im Gesamtgasfluss: 𝑋𝑂2𝐸 =

𝑄𝐿𝑢𝑓𝑡 ∗ 20,9 + 𝑄𝑂2 ∗ 100

𝑄𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 Gleichung 5-8

CO2-Anteil im Gesamtgasfluss: 𝑋𝐶𝑂2𝐸 =

𝑄𝐿𝑢𝑓𝑡 ∗ 0,033


N2-Anteil im Gesamtgasfluss: 𝑋𝑁2𝐸 =

𝑄𝐿𝑢𝑓𝑡 ∗ 79,03



𝑿𝑶𝟐𝑬 [%] Sauerstoffanteil im Gesamtgasfluss

𝑿𝑪𝑶𝟐𝑬 [%] Kohlenstoffdioxidanteil im Gesamtgasfluss

𝑿𝑵𝟐𝑬 [%] Stickstoffanteil im Gesamtgasfluss

Tabelle 5-6: Formelzeichen – Gaszusammensetzung am Eingang

5. Prozess-Software

- 47 -

5.3.2. Korrekturmedien

Zu den Korrekturmedien gehören Säure, Lauge und Antischaum. Diese werden über einfache

Rollenpumpen aus einem Vorratstank in den Bioreaktor eingeleitet. Die Rollenpumpen werden über

ein Binärsignal ein- und ausgeschaltet. Das Modul der Korrekturmedien ist in zwei Regelkreise

eingeteilt:

pH-Wert-Regelung

Säure und Lauge werden benutzt, um den pH-Wert auszugleichen. Im Einstellungsfenster des Moduls

(Abbildung 5-8) können unter anderem der pH-Sollwert und eine Regeltoleranz eingegeben werden.

Abbildung 5-8: Einstellungen des Korrekturmedien-Moduls

Weiterhin können im Einstellungsfenster die Tankvolumen eingestellt werden und die Pumpen

manuell aktiviert werden.

5. Prozess-Software

- 48 -

Die eigentliche pH-Wert-Regelung (Abbildung A-5) wird erst aktiv, wenn der Betrag der

Regeldifferenz die Regeltoleranz überschreitet. Die Bedingung für die Aktivierung der Regelstrecke

lautet:

Bedingung für pH-Regelung: |(𝑝𝐻𝑆𝑜𝑙𝑙 − 𝑝𝐻𝐼𝑠𝑡 )| > 𝑝𝐻𝑇𝑜𝑙𝑒𝑟𝑎𝑛𝑧 Gleichung 5-11


𝒑𝑯𝑺𝒐𝒍𝒍 - pH-Sollwert

𝒑𝑯𝑰𝒔𝒕 - pH-Istwert

𝒑𝑯𝑻𝒐𝒍𝒆𝒓𝒂𝒏𝒛 - Erlaubte pH-Abweichung

Tabelle 5-7: Formelzeichen – pH-Regelung

Eine Regeltoleranz ist nur sinnvoll, wenn der Mikroorganismus pH-Wert-Schwankungen verkraftet,

und dient der Einsparung von Korrekturmedien. So wird erst bei größeren Regeldifferenzen mit der

Zuführung von Säure oder Lauge begonnen.

Wird die Regelstrecke aktiviert, dient die Regeldifferenz einem Zweipunkt-Regler als Eingangssignal.

Der Zweipunkt-Regler eignet sich hier ideal, da die Rollenpumpen über ein Binärsignal an- und

ausgeschaltet werden. Weiterhin gibt es nur zwei Möglichkeiten die Regeldifferenz auszugleichen,

was entweder durch die Säure- oder die Laugenpumpe geschieht. Der Zweipunkt-Regler kennt

ebenfalls nur zwei Ausgangszustände, nämlich High und Low. Diese zwei Ausgangssignale werden

benutzt, um jeweils eine der beiden Pumpen anzuschalten. Bei positiver Regeldifferenz (𝑝𝐻𝐼𝑠𝑡 <

𝑝𝐻𝑆𝑜𝑙𝑙 ) ist die Ausgabe des Zweipunkt-Reglers High und die Laugenpumpe wird aktiviert. Andernfalls

wird das Ausgangssignal negiert (somit von Low auf High gesetzt) und die Säurepumpe eingeschaltet.

Die Regeltoleranz könnte theoretisch auch mit der Hysterese des Zweipunkt-Reglers realisiert

werden. Dadurch wäre aber permanent eine der beiden Pumpen aktiv. Dies ergibt sich aus dem

Übertragungsverhalten des Zweipunkt-Reglers (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden

werden.). Der Nachteil wäre somit, dass die Korrekturmedien viel schneller verbraucht sind.

Beide Pumpen laufen nicht kontinuierlich, sondern werden repetierend für ein kurzes Zeitintervall

aktiviert. Somit wird immer nur eine kleine Menge des Korrekturmittels zugepumpt. Das ist

notwendig, um die Totzeit des Systems auszugleichen. Die zugepumpte Flüssigkeit muss sich erst im

Reaktor verteilen und die pH-Sonde liefert einen zeitverzögerten Istwert. Die Einschaltimpulse

werden durch einen Programmgeber erzeugt, welcher mit dem Ausgang des Zweipunkt-Reglers

verknüpft ist. Somit regelt der Zweipunkt-Regler, welche Pumpe angeschaltet werden soll, und der

Programmgeber definiert die Zeitintervalle, in denen die Pumpe aktiv ist.

5. Prozess-Software

- 49 -

Anschließend wird über einen Betriebsstundenzähler die jeweilige Pumpenlaufzeit erfasst. Dadurch

kann dann, wie in Gleichung 5-1 beschrieben, das geförderte Volumen der Pumpe berechnet werden.

Schaumregelung

Während der Fermentation kann sich Schaum bilden. Um diese Schaumbildung aufzuhalten, kann

dem Bioreaktor Antischaum zugegeben werden. Dieser Regelkreis (Abbildung A-6) ist ziemlich

einfach gehalten und orientiert sich an der Pumpensteuerung der pH-Regelung. Das Einschaltsignal

der Antischaumpumpe liefert ein entsprechender Schaumsensor. Wie bei der pH-Regelung wird das

Einschaltsignal der Pumpe mit einem Programmgeber verknüpft. Dieser erzeugt ebenfalls kurze

Einschaltintervalle. Auch hier wurde diese Umsetzung gewählt, da die Wirkung von Antischaum

zeitverzögert stattfindet. So wird ein übermäßiges Zuführen von Antischaum vermieden.

Die Pumpenlaufzeit wird wieder durch einen Betriebsstundenzähler festgehalten, um die

zugepumpte Antischaummenge zu bestimmen.


Die Anzeige der Korrekturmedien ist in Abbildung 5-9 dargestellt. Der pH-Istwert wird numerisch

dargestellt und es gibt eine Anzeige für das Signal der Schaumsonde. Weiterhin werden die

Restmengen in den Vorratstanks grafisch dargestellt. Die genauen Restemengen können auch

numerisch angezeigt werden, wenn man mit dem Mauszeiger auf den jeweiligen Vorratsbehälter

zeigt. Die Restmengen werden folgendermaßen berechnet:

Restemenge: 𝑉𝑅𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑛𝑔𝑒∗ = 𝑉𝑇𝑎𝑛𝑘

∗ − 𝑉𝑃𝑢𝑚𝑝𝑒∗ Gleichung 5-12


𝑽𝑹𝒆𝒔𝒕𝒎𝒆𝒏𝒈𝒆∗ [ml] Restmenge eines Vorratstanks

𝑽𝑻𝒂𝒏𝒌∗ [ml] In den Vorratstank eingefüllte Menge

𝑽𝑷𝒖𝒎𝒑𝒆∗ [ml] Geförderte Pumpmenge

Tabelle 5-8: Formelzeichen – Restmenge eines Vorratstanks

Weiterhin gibt es für jede Pumpe ein Schaltsymbol, welches anzeigt, ob die jeweilige Pumpe gerade

läuft.

5. Prozess-Software

- 50 -

Abbildung 5-9: Korrekturmedien-Anzeige im Bedienfenster

5.3.3. Temperatur

Diese Modulgruppe ist für die Steuerung der externen Temperatur-Regelungsanlage von

Bioengineering zuständig. Die Soll-Temperatur wird über eine Blockstruktur (Abbildung A-7) ermittelt

und an die Regelungsanlage ausgegeben.

Im Einstellungsfenster des Moduls (Abbildung 5-10) können der Temperatur-Sollwert und eine

Zusatzoption für eine sichere Regelung eingestellt werden.

Abbildung 5-10: Einstellungen des Temperatur-Moduls

Die Temperatur-Regelung von Bioengineering neigt zum leichten Überschwingen. Das heißt, der

Sollwert wird um ca. 2-4°C überschritten, bevor er sich einpendelt. Um dies zu vermeiden, gibt es die

Option der sicheren Regelung. Diese kann eingesetzt werden, wenn zum Beispiel mit sehr

Temperaturempfindlichen Organismen fermentiert wird. Die sichere Regelung setzt die Soll-

Temperatur erst um 4°C herab. Dadurch wird beim Einschwingen die Soll-Grenze nicht mehr

überschritten. Anschließend wird die Soll-Temperatur innerhalb von 2 Stunden um die fehlenden 4°C

erhöht. Da dies sehr langsam geschieht, kommt es zu keinem Überschwingen mehr.

5. Prozess-Software

- 51 -

5.3.4. Erntepumpe

Manchmal ist es erforderlich, dem Reaktor während der Fermentation Proben für Analysen zu

entnehmen. Da der Reaktor keimfrei bleiben muss und nicht einfach geöffnet werden kann, erfolgt

dies über eine Erntepumpe.

Die Steuerung der Erntepumpe (Abbildung A-8) ist nicht sehr aufwendig, da es sich wie bei den

Korrekturmedien, um eine einfache Rollenpumpe handelt. Über das Einstellungsfenster der

Modulgruppe (Abbildung 5-11) kann die Pumpe eingeschaltet werden. Die Laufzeit der Pumpe wird

wieder über einen Betriebsstundenzähler erfasst und nach Gleichung 5-1 die geförderte Erntemenge

bestimmt.

Abbildung 5-11: Einstellungen der Erntepumpe

Im Bedienfenster wird dann die Erntemenge numerisch und grafisch dargestellt. Außerdem zeigt ein

Schaltsymbol an, ob die Pumpe an oder aus ist (Abbildung 5-12).

Abbildung 5-12: Anzeige der Erntemenge im Bedienfenster

5. Prozess-Software

- 52 -

5.3.5. Rührerdrehzahl

Die Rührerdrehzahl des Magnetrührers kann entweder manuell eingestellt werden oder wird über

die pO2-Rührer-Regelung (Abbildung A-9) bestimmt. Diese Wahl trifft man im Einstellungsfenster des

Rührers (Abbildung 5-13). Sobald die Drehzahl-Regelung aktiviert ist, können am Drehschalter keine

Sollwertänderungen mehr vorgenommen werden.

Abbildung 5-13: Rührer Einstellungen

Der Rührer nimmt nicht nur Einfluss auf den pO2-Wert, sondern ist auch für die Durchmischung des

Reaktorinhalts verantwortlich. Somit muss der minimale Stellwert des Reglers unbedingt begrenzt

werden, damit für eine ausreichende Durchmischung gesorgt ist. Eine zu geringe Drehzahl würde

außerdem die zugeführten Gasblasen nicht ausreichend zerteilen, was zu fehlerhaften Signalen der

pO2-Sonde führt.

5. Prozess-Software

- 53 -

5.4. Optionale Modulgruppen

Diese Modulgruppen sind für optional angeschlossene Geräte am Bioreaktor zuständig. Diese werden

nicht für jede Fermentation benötigt. Deshalb kann man alle optionalen Modulgruppen im

Bedienfenster deaktivieren. Somit kann der Benutzer auf den ersten Blick sehen, welche Geräte

angeschlossen sind und welche nicht. Außerdem liefern die Signaleingänge sinnlose Werte, wenn

kein Gerät angeschlossen ist und so soll verhindert werden, dass diese angezeigt werden.

5.4.1. Abgasanalytik

An den Bioreaktor kann ein Gerät zur Abgasanalyse angeschlossen werden. Für genaue

Informationen über die Abgasanalytik sei auf die Bachelorarbeit „Aufbau einer Online-Abgasanalytik

für einen Labor-Fermenter“ (Princz, 2010) verwiesen. Für das Gerät gibt es eine eigene WinErs-

Software, um es auch an anderen Standorten einsetzen zu können. Damit man nicht jedes Mal auf

diese Software umschalten muss, wenn die Abgasanalyse bei einer Fermentation benötigt wird,

wurde die Funktionalität (Abbildung A-10) dieser Software hier integriert und angepasst. Folgende

Anpassungen wurden durchgeführt:

Gasfluss

Die ursprüngliche Software rechnet mit einem manuell eingestellten Luft-Volumenstrom.

Jetzt werden alle Berechnungen mit dem Gesamtvolumenstrom durchgeführt, welcher sich

aus Luft-Volumenstrom und O2-Volumenstrom ergibt, unabhängig davon, ob dieser geregelt

oder manuell bestimmt wird.

Gaszusammensetzung am Eingang

Bisher wurden die prozentualen Bestandteile (O2,CO2,N2) des zugeführten

Gasvolumenstroms als konstant angenommen. Durch die Zumischung von O2 ergeben sich

aber neue prozentuale Verhältnisse der Gaszusammensetzung (Siehe 5.3.1 Begasung). Dies

wird nun in Berechnungen berücksichtigt.

Reaktorinhalt

Berechnungen, die den Reaktorinhalt miteinbeziehen, benutzen nun den berechneten

Reaktorinhalt, welcher Zu- und Abläufe der Pumpen berücksichtigt (Siehe 5.2.2

Reaktorinhalt).

5. Prozess-Software

- 54 -


Die Anzeige dieser Modulgruppe (Abbildung 5-14) besteht hauptsächlich aus numerischen

Anzeigefeldern, welche alle gemessenen und berechneten Parameter der Abgasanalyse anzeigen.

Dies sind O2- und CO2-Anteil in der Abluft, OUR, CPR, RQ und kLa-Wert.

Abbildung 5-14: Anzeige der Modulgruppe für Abgasanalytik im Bedienfenster

Im Einstellungsfenster des Moduls (Abbildung 5-15) kann man die jeweiligen Sensorpumpen

aktivieren, zwischen den O2-Sensoren wählen und die Einheit des kLa-Wertes festlegen.

Abbildung 5-15:Einstellungen der Abgasanalytik

Zusätzlich werden die zwei Sensorpumpen automatisch abgestellt, wenn das Modul deaktiviert wird.

Dies geschieht über einen einfachen Grafcet-Plan (Abbildung A-15).

5. Prozess-Software

- 55 -

5.4.2. Optische Dichte

Die optische Dichte des Reaktorinhalts gibt Aufschluss über die aktuelle Zellmasse. Der

Zusammenhang zwischen Zellmasse und optischer Dichte, ist vom jeweiligen Verbraucher abhängig.

Deshalb muss man diesen im Einstellungsfenster (Abbildung 5-16) der Modulgruppe wählen.

Abbildung 5-16: Einstellungen für optische Dichte

Für alle konfigurierten Verbraucher ist eine Funktion hinterlegt, welche den Zusammenhang

zwischen optischer Dichte und Zellmasse herstellt. Bisher beschränkt sich die Verbraucher-Auswahl

auf Backhefe und Vibrio Fischeri 4. Die hierfür benötigten Daten wurden in früheren Laborversuchen

gewonnen und konnten für diese Arbeit übernommen werden.

In einer Blockstruktur (Abbildung A-14) wird dann über den gewählten Verbraucher die

entsprechende Funktion ermittelt und die Zellmasse berechnet. Die Prozesssoftware kann jeder Zeit

mit Verbrauchern erweitert werden. Eine Anleitung hierzu findet sich in der Html-Hilfe, welche über

das Bedienfenster erreicht wird.

Die Modulanzeige besteht aus einer Anzeige für die optische Dichte sowie für die Zellmasse. Die

Einheit der Zellmasse ist ebenfalls für unterschiedliche Verbraucher konfigurierbar.

Abbildung 5-17: Anzeige der Modulgruppe für optische Dichte im Bedienfenster

4 Ein Bakterium aus dem Meer, welches zur Biolumineszenz fähig ist.

5. Prozess-Software

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5.4.3. Zufütterung

Diese Modulgruppe dient in erster Linie der allgemeinen Ansteuerung des Pumpenantriebs PD 5201.

Weiterhin wird diese Modulgruppe auch benutzt, um die Glukose-Zufütterung bei der Hefe-

Fermentation zu realisieren. Hierfür ist das Einstellungsfenster (Abbildung 5-18) in drei Bereiche

eingeteilt. Im ersten Teil wird der Inhalt des Substrat-Tanks festgelegt. Die anderen zwei Bereiche

sind unterteilt in allgemeine Pumpensteuerung und Glukose-Zufütterung. Für diese zwei Teilbereiche

gibt es jeweils eine eigene Blockstruktur.

Abbildung 5-18: Einstellungen der Zufütterung

Allgemeine Pumpensteuerung

Da die Pumpe eventuell auch für andere Zwecke eingesetzt werden soll, kann man sie auch komplett

unabhängig von ihrem Einsatz steuern. Durch das Festlegen der Drehzahl, wird die Pumpe

gleichzeitig an- oder ausgeschalten. Weiterhin kann man die Drehrichtung der Pumpe festlegen.

In einer Blockstruktur (Abbildung A-11) wird anhand der eingestellten Drehzahl die Zulaufrate

berechnet. Dies geschieht über die eingestellte Korrelationsfunktion zwischen Drehzahl und

Zulaufrate (Abschnitt 5.2.1).

5. Prozess-Software

- 57 -

In dieser Blockstruktur wird auch das geförderte Volumen der Pumpe berechnet. Das

Pumpenzeitvolumen bleibt aber während der Fermentation nicht konstant, da es ja von der Drehzahl

abhängig ist. Daher kann nicht einfach Gleichung 5-1 angewendet werden. Die geförderte Menge

wird stattdessen durch zeitliche Integration des Pumpenzeitvolumens berechnet.

Gefördertes Volumen: 𝑉𝑃𝑍𝐹 𝑡 = 𝑍𝑉𝑃

𝑍𝐹 𝑡 𝑑𝑡

𝑡

0

Gleichung 5-13


𝑽𝑷𝒁𝑭 𝒕 [ml] Gefördertes Volumen der Pumpe

𝒁𝑽𝑷𝒁𝑭 𝒕 [ml/s] Pumpenzeitvolumen

Tabelle 5-9: Formelzeichen – Gefördertes Volumen

Glukose-Zufütterung

Dieser Teilabschnitt ist nur für die Glukose-Zufütterung zuständig (Abbildung A-12). Aktiviert man die

Glukose-Zufütterung, wird die Zulaufrate nach Gleichung 3-19 berechnet. Dabei wird die aktuelle

Zellmasse aber nicht berechnet, sondern über die optische Dichte und den Reaktorinhalt ermittelt.

Dadurch ergibt sich folgende Gleichung für die Zulaufrate:

Zulaufrate: 𝐹 =µ𝑚𝑎𝑥


∗ 𝑋𝑂𝐷 Gleichung 5-14


𝑿𝑶𝑫 [g] Zellmasse aufgrund optischer Dichte und Reaktorinhalt

Tabelle 5-10: Formelzeichen – Zulaufrate

Durch erhalten der kritischen Glukose-Konzentration und ohne Bildung von Ethanol gilt theoretisch:

µ𝑚𝑎𝑥 = 0,35 [1/h] und 𝑌𝑋/𝑆 = 0,54 (Miller, 2008)

Wird zusätzlich die Ausgleichsregelung aktiviert, wird die Gleichung der Zulaufrate durch einen Regler

angepasst. Der Regler orientiert sich an der Regeldifferenz vom optimalen RQ-Wert. Dieser liegt bei

𝑅𝑄𝑆𝑜𝑙𝑙 = 1,04 (Bucher, Hauck, & Müller). Die Stellgröße 𝑌(𝑡) des Reglers wird dann zu der

theoretischen Zulaufrate addiert:

Zulaufrate mit Ausgleich: 𝐹 = µ𝑚𝑎𝑥


∗ 𝑋𝑂𝐷 + 𝑌(𝑡) Gleichung 5-15

5. Prozess-Software

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Die Zulaufrate könnte auch komplett aufgrund des RQ-Werts geregelt werden. Ein Regler dieser Art

müsste sich aber erst auf eine Zulaufrate einschwingen. Da die zeitliche Änderung des RQ-Werts nach

einer Zufuhr von Glukose sehr träge ist, würde das Einschwingen viel Zeit in Anspruch nehmen.

Ist die Glukose-Regelung aktiviert, lässt sich die Pumpendrehzahl nicht mehr manuell einstellen,

sondern wird aufgrund der Zulaufrate ermittelt. Die Pumpe kann aber nicht durch eine Zulaufrate,

sondern nur über eine Drehzahl eingestellt werden. Je nach Zulaufrate gibt es zwei Möglichkeiten,

die benötigte Pumpendrehzahl zu bestimmen (Abbildung A-13).

Zulaufrate unterhalb der minimal möglichen Fördermenge

Ist dies der Fall, wird die Pumpe in berechneten Zeitintervallen betrieben. Die

Pumpendrehzahl wird dabei auf 5 [1/min] gestellt. Die Länge eines Zeitintervalls, in dem die

Pumpe aktiv ist, ergibt sich aus:

Betriebsintervall: 𝑡𝐸𝑖𝑛 = 𝐹

𝐹𝑚𝑖𝑛∗ 60 + 𝑡𝑉 Gleichung 5-16


𝒕𝑬𝒊𝒏 [s] Pumpenlaufzeit pro Minute

𝑭𝒎𝒊𝒏 [l/h] Minimal mögliche Fördermenge

𝒕𝑽 [s] Pumpeneinschaltverzögerung

Tabelle 5-11: Formelzeichen – Berechnung Betriebsintervall

Zulaufrate im möglichen Bereich

In diesem Fall wird die Pumpendrehzahl über einen Regler bestimmt. Dieser gibt eine

Drehzahl vor und berechnet daraus eine theoretische Zulaufrate. Die Regeldifferenz ergibt

sich dann aus einem Vergleich der geforderten mit der theoretischen Zulaufrate. Die

Pumpendrehzahl wird dann so lange ausgeglichen, bis die geforderte Zulaufrate erreicht ist.

5. Prozess-Software

- 59 -


Abbildung 5-19 zeigt die Anzeige des Moduls im Bedienfenster. In einer Säulengrafik wird der

aktuelle Inhalt des Substrat-Tanks angezeigt. Weiterhin wird angezeigt ob die Glukose-Zufütterung

oder die Ausgleichsregelung aktiv ist. Außerdem gibt es eine numerische Anzeige für die Zulaufrate.

Abbildung 5-19: Anzeige des Zufütterung-Moduls im Bedienfenster

Zu der Modulgruppe gehört auch noch ein Grafcet-Plan (Abbildung A-18). Dieser aktiviert

automatisch das Modul der optischen Dichte, wenn die Glukose-Zufütterung aktiviert wird. Wenn der

Benutzer die Ausgleichsregelung aktiviert, wird das Modul der Abgasanalyse eingeschaltet. Dies ist

notwendig, da die jeweiligen Regelungen die anderen Module benötigen. Durch das automatische

aktivieren der Module, wird der Benutzer auf diese Abhängigkeit aufmerksam gemacht.

6. Prozess-Fernüberwachung

- 60 -


Wie bereits in der Aufgabenstellung erwähnt, kann eine Fermentation unter Umständen sehr

zeitintensiv sein. Bis die gewünschte Menge des zu erzeugenden Produkts entstanden ist, können

mehrere Tage vergehen. Die automatische Prozessregelung ermöglicht zwar einen eigenständigen

Betrieb des Reaktors, jedoch sind regelmäßige Kontrollen unerlässlich. Nur so können eventuell

auftretende Störungen rechtzeitig beseitigt werden. Durch die Kontrollen entsteht aber ein

Personalaufwand, der unnötig groß ist, denn für die reine Überwachung der Prozessparameter ist

eigentlich keine persönliche Anwesenheit erforderlich. Deshalb sollen die Kontrollen nun über eine

computergestützte Prozess-Fernüberwachung durchgeführt werden können. Dadurch wird der

Personalaufwand reduziert und die Anwesenheit ist nur noch erforderlich, wenn zum Beispiel die

Vorratstanks der Korrekturmedien nachgefüllt werden müssen.

6.1. Umsetzung

Die Voraussetzung für eine Fernüberwachung ist, die Prozessdaten über ein Netzwerk oder das

Internet zugänglich zu machen. Im Prinzip bietet der Prozessanschluss über den TCP/IP-Buskoppler

diese Funktionalität, aber kann aufgrund von Einschränkungen der WinErs Laborversion nicht

vollständig genutzt werden. Mit der Laborversion kann immer nur eine WinErs Programminstanz auf

den Prozess zugreifen. Das heißt, es ist zwar möglich, den Bioreaktor von jedem Computer innerhalb

des HS-Ulm Netzwerks zu steuern, aber eben immer nur von einem Computer. Im Normalfall ist das

natürlich direkt der Computer am Standort des Bioreaktors im Biotechnologielabor. Somit ist die

nächstliegende Lösung, einfach den gesamten Computer durch eine Remote-Software zu steuern.

Eine Remote-Software, die alle Sicherheitsbedingungen erfüllt, ist in der Regel sogar als Freeware

erhältlich. Damit ergeben sich klare Kostenvorteile im Vergleich zur Aufrüstung auf die WinErs

Vollversion.

TeamViewer

TeamViewer ist eine zum privaten Gebrauch kostenlose Remote Software. Für die Prozess-

Fernüberwachung des Reaktors fiel die Wahl auf dieses Programm. Es wird von der TeamViewer

GmbH vertrieben und ist derzeit in der Version 5.0 erhältlich. Obwohl man TeamViewer kostenlos

benutzen kann, wird ein hohes Maß an Qualität und Sicherheit erfüllt. So ist die TeamViewer GmbH,

neben anderen Zertifikaten, zum Beispiel mit dem Qualitätsmanagement-Zertifikat nach ISO 9001-

2000 ausgezeichnet.

Nachdem TeamViewer installiert ist, wird aufgrund der Hardware des Computers eine einzigartige

TeamViewer-ID erstellt. Diese ID ist wie eine Telefonnummer zu betrachten, über welche man den

Computer anwählen kann, um eine Verbindung aufzubauen. Jede Verbindung wird natürlich


- 61 -

verschlüsselt übertagen. Ist die Verbindung hergestellt, erhält man die Ansicht auf die aktuelle

Monitoranzeige des angewählten Computers und kann diesen ganze normal bedienen. Ein weiterer

Vorteil von TeamViewer ist, dass es trotz Firewalls einwandfrei funktioniert. Außerdem wird ein

Modus zur Dateiübertragung angeboten. So könnten schon während der Fermentation von einem

externen Standort Messungsdaten übertagen und ausgewertet werden. Weiterhin werden Webcams

standardmäßig unterstützt, wodurch auch eine Videoüberwachung des Bioreaktors stattfinden

könnte.

7. Ermittlung der Reglereinstellungen

- 62 -


Die folgenden Ergebnisse wurden alle durch Test-Fermentationen gewonnen. Diese liefen immer

unter gleichen, folgenden Bedingungen ab:

Verbraucher: Backhefe (Saccharomyces cerevisiae); Beginn mit ca. 3 g Trockenbiomasse

Nährmedium: 3 Liter (1% Hefeextrakt, 2% Pepton, 2% Glukose)

Begasung: Anfangs ausschließlich mit Luft, wenn Grenzen erreicht sind, zuschalten von O2

pH-Wert: 5

Temperatur: 30 °C

Glukose-Konzentration des Substrats: 40 g/l

Davon ausgenommen sind die Diagramme der pO2-Regelung. Diese wurden in einem einfachen

Testlauf aufgenommen. Das heißt, es wurde auf einige Vorbereitungsschritte und Regelungen

verzichtet. So wurde zum Beispiel keine pH-Regelung verwendet und der Reaktor wurde auch nicht

verschlossen. Es handelte sich um einen relativ kurzen Testlauf, bei dem nur die Eigenschaften der

pO2-Regelung im Vordergrund standen. Daher konnte darauf verzichtet werden, optimale

Bedingungen für die Hefe zu schaffen.

7.1. Pumpenkalibrierung

Wie in Abschnitt 5.2.1 beschrieben, müssen alle Pumpen vor der Verwendung kalibriert werden. Für

die einfachen Rollenpumpen ergab sich eine Fördermenge von 89 [ml] auf 51,7 [s], was einem

Pumpenzeitvolumen von 1,72 [ml/s] entspricht. Dieses ist für alle vier Pumpen identisch.

Die Kalibrierung des Pumpenantriebs PD 5201, erfolgte mit einem Schlauch mit 4 [mm]

Innendurchmesser. Dann wurde das Pumpenzeitvolumen für fünf unterschiedliche Drehzahlen

gemessen. Dies ergibt eine Kennlinie mit linearem Anstieg.

Umdrehungen [1/min] Pumpenzeitvolumen [ml/s]

5 0.136

20 0.545

60 1.95

80 2.5

120 3.98

Tabelle 7-1: Kalibrierungsdaten der PD5201-Pumpe mit 4mm Schlauchinnendurchmesser


- 63 -

7.2. Temperatur-Regelung

Abbildung 7-1 zeigt den Temperaturverlauf während einer Fermentation. Hier sieht man das leichte

Überschwingen der externen Regelungsanlage von Bioengineering. In der Regel stellt dies aber kein

Problem dar. Falls das Überschwingen jedoch vermieden werden muss, kann die sichere Regelung

aktiviert werden (Abbildung 7-2). Dadurch wird erst auf 4 °C unter Soll-Temperatur geregelt und

anschließend extrem langsam der Sollwert angefahren.

Abbildung 7-1: Temperatur-Regelung

Abbildung 7-2: Sichere Temperatur-Regelung

20

22

24

26

28

30

32

34

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Zeit

Temperatur-Regelung

Temperatur-Ist Temperatur-Soll

20

22

24

26

28

30

32

34

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Zeit

Temperatur-Regelung (Sichere Regelung)

Temperatur-Ist Temperatur-Soll


- 64 -

7.3. pH-Regelung

Die pH-Regelung arbeitet trotz Zweipunkt-Regler sehr genau. Abbildung 7-3 zeigt den pH-Verlauf und

die zugepumpten Mengen an Säure und Lauge. Zu Beginn der Fermentation ist der pH-Sollwert

fälschlicherweise auf 7 gestellt, was dazu führt, dass Lauge zugegeben wird. Anschließend wird der

Fehler bemerkt und der pH-Sollwert auf 5 und die Regeltoleranz auf 0,2 gestellt. Dadurch wird sofort

mit der Säure-Zufuhr begonnen, bis ein pH-Wert von 5,2 erreicht wird. Während der Fermentation

fällt der pH-Wert weiter ab, bis schließlich die Untergrenze von 4,8 erreicht wird. Ab diesem

Zeitpunkt beginnt dann wieder die impulsweise Zufuhr von Lauge. Eine Impulsdauer von 2 Sekunden

pro Minute hat sich als geeignet erwiesen.

Abbildung 7-3: pH-Regelung

0

10

20

30

40

50

60

70

80

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

Ge

förd

ert

e M

en

ge [

ml]

pH

Zeit

pH-Regelung

pH-Ist pH-Soll Säure [ml] Lauge [ml]


- 65 -

7.4. 𝐩𝐎𝟐-Regelung

Für diese Reglereinstellungen wurde das in Abschnitt 3.2.5 beschriebene Verfahren nach Chien,

Rhones und Reswick verwendet. Für die Regelung des Gasflusses, sowie der Rührerdrehzahl, wurden

jeweils PI-Regler eingesetzt. Der Vorteil der Schnelligkeit eines PID-Reglers hat sich hier eher als

Nachteil erwiesen. Vor allem wenn beide Regler aktiv waren, führte dies zu einem starken

Schwingungsverhalten. Außerdem reagiert ein PID-Regler stärker auf Regeldifferenzen, was ebenfalls

zu unerwünschten Schwankungen der Stellwerte führte.

𝒑𝑶𝟐-Regelung durch Gasfluss

Für die Sprungantwort wurde die Rührerdrehzahl konstant auf 400 [1/min] gestellt. Dies ist

notwendig, um eine vernünftige Zerteilung der Gasblasen zu erreichen. Es wurde mit 1 [l/min] Luft

begast, bis sich ein fester pO2-Wert eingestellt hatte. Anschließend wurde der Gasfluss auf 4 [l/min]

erhöht und die Sprungantwort aufgezeichnet (Abbildung A-19). Die Auswertung ergab folgende

Werte:

𝑇𝑢 = 11 [𝑠] ∆𝑥 = 20,8 𝐾𝑠 =∆𝑥

∆𝑦= 6,93

𝑇𝑔 = 90 [𝑠] ∆𝑦 = 3 𝛼 =𝑇𝑔

𝛼 ∗ 𝑇𝑢= 1,18

Was zu folgenden Reglereinstellungen führt (PI-Regler, aperiodischer Verlauf nach Störung):

𝐾𝑝 = 0,71 𝑇𝑛 = 44 [𝑠]

Anschließend wurden die Reglereinstellungen in Versuchen noch etwas angepasst. Das Problem der

Regelung war, dass der Gasfluss nicht konstant gehalten wurde, sondern stark schwankte. Dies

führte zu ebenfalls schwankenden Werten der Abgasanalyse, da diese Berechnungen unter anderem

vom Gasfluss abhängig sind. Deshalb wurde die Verstärkung verringert, damit die Stellgröße geringer

auf Regeldifferenzen anspricht. Die Nachstellzeit wurde dann ebenfalls verringert, da die Regelung

sonst zu langsam wäre. Der Regler ist nun nach folgenden Werten eingestellt:

𝐾𝑝 = 0,25 𝑇𝑛 = 22 [𝑠]

Das resultierende Regelverhalten der pO2-Regelung durch den Gasfluss ist in Abbildung 7-4

dargestellt.

Die Schwankung des Gasflusses ist nun sehr gering (Abbildung 7-5). Größere Schwankungen treten

nur auf, wenn zusätzlich Sauerstoff eingemischt wird. Dies liegt daran, dass der Regler mit Luft-

Begasung kalibriert wurde. In den meisten Fällen ist eine Begasung mit Luft aber völlig ausreichend.

Abbildung 7-6 zeigt, dass sich der Regler aber trotz zusätzlicher Zufuhr von Sauerstoff relativ schnell

stabilisiert.


- 66 -

Abbildung 7-4: pO2-Regelung durch Gasfluss

Abbildung 7-5: Bleibende Gasfluss-Schwankung bei Regelung

10

20

30

40

50

60

70

80p

O2

[%

]

Zeit

pO2-Regelung (Gasfluss)

pO2-Ist pO2-Soll

1

2

3

4

5

6

7

8

10

20

30

40

50

60

70

80

Gas

flu

ss [

l/m

in]

pO

2 [

%]

Zeit

Gasfluss-Schwankung

pO2 Gasfluss


- 67 -

Abbildung 7-6: Gasfluss-Schwankung bei Zugabe von Sauerstoff

Hier ist zu beachten, dass das Mischungsverhältnis von Luft zu Sauerstoff zweimal verändert wird,

erstmalig zum Zeitpunkt 03:00, was starke Schwankungen verursacht, dann zum Zeitpunkt 26:00,

was bereits zu geringerem Einschwingverhalten führt.

𝒑𝑶𝟐-Regelung durch Rührer

Für die Sprungantwort wurde konstant mit 3,5 [l/min] Luft begast. Es wurde eine Rührerdrehzahl von

400 [1/min] eingestellt, bis sich ein fester pO2-Wert eingestellt hatte. Anschließend wurde die

Rührerdrehzahl auf 700 [1/min] erhöht und die Sprungantwort aufgezeichnet (Abbildung A-20). Die

Auswertung ergab folgende Werte:

𝑇𝑢 = 7 [𝑠] ∆𝑥 = 48,7 𝐾𝑠 =∆𝑥

∆𝑦= 0,162

𝑇𝑔 = 51 [𝑠] ∆𝑦 = 300 𝛼 =𝑇𝑔

𝛼 ∗ 𝑇𝑢= 44,97

Was zu folgenden Reglereinstellungen führt (PI-Regler, aperiodischer Verlauf nach Störung):

𝐾𝑝 = 26,98 𝑇𝑛 = 28 [𝑠]

Es zeigte sich, dass vor allem die Verstärkung viel zu hoch war. Dies bewirkte stark schwankende

Rührerdrehzahlen, was zu mehreren Problemen führte. Einerseits führte es zu starken

Regelschwankungen, wenn zusätzlich die Gasfluss-Regelung aktiv war. Außerdem beeinflusst die

Drehzahl auch die optische Dichte, was ebenfalls zu Signalschwankungen führte. Somit wurde die

Verstärkung stark verringert. Die Nachstellzeit musste nur minimal angepasst werden.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

20

30

40

50

60

70

80

Gas

flu

ss [

l/m

in]

pO

2 [

%]

Zeit

pO2-Regelung mit Luft und Sauerstoff

pO2 Luft O2


- 68 -

Der Regler wurde auf folgende Werte eingestellt:

𝐾𝑝 = 5 𝑇𝑛 = 25[𝑠]

Das resultierende Regelverhalten der pO2-Regelung durch die Rührerdrehzahl ist in Abbildung 7-7

dargestellt.

Abbildung 7-7: pO2-Regelung durch Rührerdrehzahl

Die Regelung neigt zwar immer noch zu leichtem Überschwingen, dafür ist sie aber relativ schnell. Da

während einer Fermentation der Sollwert nur selten verändert wird, kann dieser Kompromiss

eingegangen werden.

𝒑𝑶𝟐-Regelung durch Gasfluss & Rührer

Die Kombination beider Regler führte ebenfalls zu überzeugenden Ergebnissen:

Abbildung 7-8: pO2-Regelung durch Gasfluss & Rührer

1020304050607080

pO

2 [

%]

Zeit

pO2-Regelung (Rührer)

pO2-Ist pO2-Soll

1020304050607080

pO

2 [

%]

Zeit

pO2-Regelung (Gasfluss & Rührer)

pO2-Ist pO2-Soll


- 69 -

7.5. Glukose-Regelung

Die Glukose-Regelung hat sich als sehr schwierig erwiesen. Die Bestimmung der Zulaufrate ist von

vielen anderen Größen abhängig, die eventuell zu ungenau sind. Folgende Faktoren spielen hier eine

Rolle:

Zellmasse

Die kalkulatorische Zulaufrate ist stark von der aktuellen Zellmasse im Reaktor abhängig.

Diese wird über die optische Dichte des Reaktorinhalts bestimmt. Die Korrelation zwischen

optischer Dichte und Zellmasse wurde in früheren Versuchsreihen gewonnen. Das Ergebnis

ist zwar relativ genau, aber trotzdem muss immer eine gewisse Messunsicherheit

berücksichtigt werden. Weiterhin wird die optische Dichte zum Beispiel auch von den

Gasblasen im Reaktor beeinflusst, was für schwankende Werte sorgt. Die angegebene

Zellmasse entspricht daher nur ungefähr dem tatsächlichen Wert.

Reaktorinhalt

Das Volumen des Reaktorinhalts fließt ebenfalls in die Berechnung der Zulaufrate mit ein.

Dieses ist hauptsächlich von den Zu- und Abläufen der Pumpen abhängig. Da es sich bei den

meisten Pumpen um sehr einfache Rollenpumpen handelt, kann natürlich nicht von einer

exakten Dosierung ausgegangen werden. Außerdem kommt es auch vor, dass mal Luftblasen

mit abgepumpt werden.

RQ

Der RQ-Wert ist Grundlage der Glukose-Ausgleichsregelung. Dieser wird aber ebenfalls von

weiteren Größen beeinflusst, unter anderem auch vom Reaktorinhalt. Eine große Rolle spielt

der Volumenstrom der Gaszufuhr. Aufgrund der pO2-Regelung schwankt dieser natürlich

immer leicht. Weiterhin fließen auch andere Messunsicherheiten von Sensoren mit ein, zum

Beispiel des pO2-Sensors oder der O2 und CO2 Sensoren der Abgasanalytik.

Glukose-Dosierung

Die benötigte Zulaufrate ist meist viel kleiner als die minimale Zulaufrate der Zufütterungs-

Pumpe. Daher muss diese impulsweise betrieben werden. Die Pumpe startet aber bei jedem

Impuls mit einer Einschaltverzögerung. Diese wird zwar in Berechnung berücksichtigt, jedoch

kann somit kaum eine exakte Dosierung gewährleistet werden.


- 70 -

Trägheit des Systems

Wenn dem Reaktor Glukose zugeführt wird, heißt das noch lange nicht, dass diese sofort von

den Mikroorganismen umgesetzt wird. Hier spielt natürlich auch die aktuelle

Wachstumsphase eine große Rolle. In der Regel dauert es mehrere Minuten, bis sich der RQ-

Wert eindeutig verändert, nachdem eine größere Menge Glukose zugeführt wurde. Die

Ausgleichsregelung wird somit dementsprechend langsam. Der Regler darf die

kalkulatorische Zulaufrate immer nur minimal verändern, da die Auswirkungen erst viel

später und zeitlich variabel auftreten.

Gleichung der theoretischen Zulaufrate

Die Gleichung der Zulaufrate berücksichtigt nicht die Verdünnung des Mediums durch die

Korrekturmedien. Würde man dies in die Berechnungen einbeziehen, käme es aber zu einer

schwankenden Zulaufrate, da die Korrekturmedien Impulsweise zugeführt werden. Dies

würde wiederum zu Schwankungen des RQ-Werts führen.

In einem Probelauf, wurde in regelmäßigen Abständen der Glukose- und Ethanol-Gehalt im Medium

gemessen (Abbildung 7-9). Anhand der Messzeitpunkte wurde der Verlauf in mehrere Phasen

eingeteilt. Im Folgenden soll eine Interpretation des Fermentationsverlaufs (Abbildung 7-10) versucht

werden:

Phase 1 (9:57 - 10:33)

Hier kann man von der Adaptionsphase reden. Da sich die optische Dichte kaum ändert, kann

man davon ausgehen, dass kein Wachstum vorhanden ist. Am Ende dieser Phase beginnen

die Hefe-Zellen vermutlich mit dem Abbau von Glukose, da der RQ-Wert steigt. Es wird auch

schon geringfügig Ethanol gebildet, da die kritische Glukose-Konzentration eventuell schon

überschritten ist.

Phase 2 (10:33 - 11:10)

In dieser Phase wurden Fehler in der Blockstruktur der Zufütterung bemerkt. Während der

Verbesserung wurde die Zulaufrate auf ein Minimum reduziert. Die optische Dichte steigt

immer noch kaum an, deshalb kann man von einem geringen Wachstum ausgehen. Die

Glukose-Konzentration steigt aufgrund der geringen Zulaufrate kaum an.

Phase 3 (11:10 - 11:50)

Die Blockstruktur ist wieder hergestellt und somit passt sich die Zulaufrate entsprechend an.

Laut optischer Dichte ist weiterhin kaum Wachstum vorhanden, wobei dies langsam

zweifelhaft wirkt. Die Glukose-Konzentration steigt weit über die kritische Grenze, was man

auch daran erkennt, dass viel Ethanol gebildet wird. Der RQ-Wert ist jedoch die meiste Zeit

unter 1, was ebenfalls fraglich erscheint.


- 71 -

Phase 4 (11:50 - 12:50)

Durch einen plötzlichen Sprung der optischen Dichte wird die Zulaufrate nochmals erhöht.

Nicht zu erklären ist, warum der RQ-Wert kurzzeitig auf 0,8 absinkt. Kurz darauf schießt er,

wie man es bei dieser Glukose-Konzentration erwarten würde, in die Höhe. Ein weiterer

Fehler der Blockstruktur verhindert, dass die Zulaufrate reduziert wird. Nachdem der Fehler

ausgebessert ist, sinkt die Zulaufrate aufgrund der hohen Regeldifferenz enorm ab.

Phase 5 (12:50 - 13:50)

Ab dieser Phase wurden genügend Informationen gesammelt um den Regler gut einzustellen.

Wie man sieht, wird der RQ-Wert relativ gut auf 1 geregelt. Die Zulaufrate nimmt aufgrund

des zellulären Wachstums wieder zu. Nicht erklärbar ist, wieso nochmals so viel Ethanol

gebildet wird. Vermutlich dauert es etwas länger, bis die Hefe-Zellen ihren Stoffwechsel

wieder umgestellt haben.

Insgesamt bleibt festzustellen, dass eine präzise Glukose-Regelung mit gegebener Hardware sehr

schwer, eventuell sogar unmöglich ist. Vielmehr kann man diesen Regelungs-Ansatz als ersten Schritt

in diese Richtung sehen. Auch um das Zusammenspiel der vielen Einflussfaktoren völlig zu verstehen,

müssen erst mehrere Versuchsläufe durchgeführt und ausgewertet werden. Zum Beispiel müsste

überprüft werden, ob wirklich kein Ethanol gebildet wird, wenn der RQ-Wert immer unter 1 bleibt.

Weiterhin könnte man versuchen ohne pO2-Regelung zu arbeiten. Dies erfordert zwar einen höheren

Arbeitsaufwand, könnte aber zu einem stabileren RQ-Verlauf führen.

Für den Ausgleichsregler der Zulaufrate ergaben sich letztendlich folgende Werte:

𝐾𝑝 = 0,08 𝑇𝑛 = 600 [𝑠]

Hier wurde auf einen extrem langsamen PI-Regler gesetzt. Dies ist notwendig, da die Auswirkungen

der Glukose-Zufuhr erst viel später auftreten. Diese Reglereinstellungen wurden komplett empirisch

ermittelt. Es wurde zwar auch versucht eine Sprungantwort auszuwerten, jedoch haben sich die

gewonnen Reglereinstellungen als völlig unbrauchbar erwiesen.


- 72 -

Abbildung 7-9: Glukose- & Ethanol-Gehalt

Abbildung 7-10: Zellwachstum & Zulaufrate

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Inh

alts

me

nge

[m

g/l]

RQ

Zeit

Glukose- & Ethanol-Gehalt

RQ Ethanol [mg/l] Glukose [mg/l]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Zula

ufr

ate

[m

l/s]

RQ

& O

D

Zeit

Zellwachstum & Zulaufrate

RQ OD Zulaufrate [ml/s]


- 73 -

Pumpendrehzahl-Regler

Zur Bestimmung der Pumpendrehzahl bei gegebener Zulaufrate hat sich ein PID-Regler als geeignet

erwiesen. Die Regelparameter wurden rein empirisch ermittelt:

𝐾𝑝 = 0,95 𝑇𝑛 = 0,24𝑠 𝑇𝑣 = 0,04𝑠

Abbildung 7-11: Pumpendrehzahl-Regelung

0

2

4

6

8

10

12

14

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Pu

mp

en

dre

hza

hl [

1/m

in]

Zula

ufr

ate

[m

l/s]

Zeit

Pumpendrehzahl-Regelung

Zulaufrate Pumpendrehzahl

Literaturverzeichnis

- 74 -

Literaturverzeichnis

Bartholmes, P., Kaufmann, M., & Schwarz, T. (1996). Schadstoffabbau durch optimierte

Mikroorganismen. Berlin: Springer.

Bucher, J., Hauck, A., & Müller, D. (kein Datum). Regelung der Zufütterung von Glukose beim

Wachstum von Saccharomyces cerevisiae. IBVT Stuttgart.

Chmiel, H. (2006). Bioprozesstechnik. München: Spektrum Akademischer Verlag.


Verlag.

Gruber, W. (März 2005). Konstruktion und Aufbau eines Bioreaktors sowie die prozess- und

regelungstechnische Umsetzung. Ulm.


Heidolph Instruments GmbH & Co KG. (Juli 2004). Pumpenantriebe Betriebsanleitung.

Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH. (September 2008). WinErs - Laborversion (Einführung und

erste Schritte).

Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH. (April 2009). WinErs:GRAFCET - Laborversion.

Janke, H. D. (2002). Umweltbiotechnik. Stuttgart: Eugen Ulmer GmbH&Co.


Mordukhova, E. A., Lee, H.-S., & Pan, J.-G. (2008, Dezember). Improved Thermostability and Acetic

Acid Tolerance of Escherichia coli. APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY .

Princz, S. (Februar 2010). Aufbau einer Online-Abgasanalytik für einen Labor-Fermenter. Ulm.

Santifaller, M. (1990). TCP/IP und NFS. Addison-Wesley.

Schmid, R. (2002). Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Weinheim: WILEY-VCH Verlag

GmbH.

Töpfer, H., & Besch, P. (1990). Grundlagen der Automatisierungstechnik. Berlin: VEB Verlag Technik.

Anhang

- 75 -

A) Anhang

A.1) Signaldefinitionen

Analoge Eingänge

Name Beschreibung Von Bis Einheit Kanalzuordnung

AE_Drehzahl Istwert Rührerdrehzahl -173,9 706,6 u/m AE21.U15

AE_TempSonde Istwert Temperatur -36,5 105,9 °C AE23.U15

AE_pHSonde Istwert pH Sonde -0,1 14,2 - AE25.U15

AE_pO2Elektrode Istwert pO2 Sonde -124,5 500,4 % AE27.U15

AE_SondeFürOD Istwert optische Dichte 0,0 5,0 - AE29.U15

AE_CO2Sonde Istwert CO2Sonde 0,0 30,0 % AE31.U15

AE_O2Sonde Istwert O2 Sonde 0,0 25,0 % AE33.U15

AE_VolStromLuft Istwert Volumenstrom Luft 0,0 10,0 l/min AE35.U15

Tabelle A-1: Analoge Signale

Analoge Ausgänge

Name Beschreibung Von Bis Einheit Kanalzuordnung

AA_TempRegelung Sollwert Temperatur 0,0 100,0 °C AA2049.U15

AA_Drehzahl Sollwert Rührerdrehzahl 0,0 700,0 u/m AA2051.U15

AA_DurchflussLuft Sollwert Vol.strom Luft 0,0 10,0 l/min AA2053.U15

AA_DurchflussO2 Sollwert Vol.strom O2 0,0 10,0 l/min AA2055.U15

AA_ZPDrehzahl Sollwert Drehzahl

Zufütterpumpe

-7,8 120,0 u/m AA2057.U15

AA_ZPDrehrichtung Drehrichtung Zufütterpumpe 0,0 10,0 - AA2059.U15

AA_ZP_Start_Stopp Start Stop Zufütterpumpe 0,0 10,0 - AA2061.U15

Tabelle A-2: Analoge Ausgänge

Anhang

- 76 -

Analoge Merker

Name Beschreibung Von Bis Einheit

AM_TempSollwert Sollwert Temperatur 10 72 °C

AM_phSollwert Sollwert pH Niveau 0 14

AM_PHRegelTol Erlaubte Abweichung zum pH-Istwert 0 1 -

AM_PU_S_V Kalibrierungs-Volumen der Säurepumpe 0 1000 ml

AM_PU_L_V Kalibrierungs-Volumen der Laugepumpe 0 1000 ml

AM_PU_AS_V Kalibrierungs-Volumen der Antischaumpumpe 0 1000 ml

AM_PU_AS_Z Kalibrierungs-Zeit der Antischaumpumpe 0 120 s

AM_O2Sonde_Switch Sensorwechsel der Abgasanalyse 0 95 %

AM_PU_S_Z Kalibrierungs-Zeit der Säurepumpe 0 120 s

AM_PU_L_Z Kalibrierungs-Zeit der Laugepumpe 0 120 s

AM_PU_L_VZ Pumpenzeitvolumen der Laugepumpe 0 1000 ml / s

AM_PU_AS_VZ Pumpenzeitvolumen der Antischaumpumpe 0 1000 ml / s

AM_PU_S_VZ Pumpenzeitvolumen der Säurepumpe 0 1000 ml / s

AM_S_Tankvolumen Volumen des Säure-Tanks 0 1000 ml

AM_L_Tankvolumen Volumen des Laugen-Tanks 0 1000 ml

AM_AS_Tankvolumen Volumen des Antischaum-Tanks 0 1000 ml

AM_S_GefMenge Geförderte Säure Menge 0 1000 ml

AM_L_GefMenge Geförderte Lauge Menge 0 1000 ml

AM_AS_GefMenge Geförderte Antischaum Menge 0 1000 ml

AM_pO2Sollwert Sollwert pO2 0 100 %

AM_Gesamtgasfluss Gesamtgasfluss aus O2 und Luft 0 20 l/min

AM_Teil_Luft Anteil der Luft am Gasfluß 0 10 -

AM_Teil_O2 Anteil des O2 am Gasfluß 0 10 -

AM_RührerSollwert Sollwert Rührerdrehzahl -172 699 upm

AM_Zellmasse Zellmasse im Verhältnis zur OD 0 10^20

AM_Verbraucher Auswahlliste für Verbraucher 1 10

AM_SubstratKonz Substratkonzentration 0 150 g/L

AM_Zulaufrate Aktuelle Zulaufrate (Zufütterung) 0 5 ml/s

AM_PU_ZP_EinVerz Zufütter-Pumpe Einschaltverzögerung 0 5 s

AM_SU_Tankvolumen Volumen des Substrat-Tanks 0 5000 ml

AM_SU_GefMenge Geförderte Substratmenge 0 5000 ml

AM_PU_E_V Kalibrierungs-Volumen der Erntepumpe 0 1000 ml

AM_PU_E_Z Kalibrierungs-Zeit der Erntepumpe 0 120 s

Anhang

- 77 -

AM_PU_E_VZ Pumpenzeitvolumen der Erntepumpe 0 1000 ml/s

AM_E_GefMenge Menge der geförderten Ernte 0 1000 ml

AM_R_Inhalt Reaktorinhalt 0 7 L

AM_R_EingefInhalt Reaktorinhalt (Eingefüllte Anfangsmenge) 0 7 L

AM_CPR Berechneter CPR 0 5 g/lh

AM_OUR Berechneter OUR 0 2 g/lh

AM_RQ Berechneter RQ 0 4

AM_csO2 analoger Merker 0 1000 g/l

AM_cO2 analoger Merker 0 1000 g/l

AM_cmO2 analoger Merker 0 100 %

AM_pO2b analoger Merker 0 1000 bar

AM_stat_kLah Berechneter kLa-wert 0 1000 1/h

AM_stat_kLas Berechneter kLa-wert 1/s 0 10 1/s

AM_XeN2 N2Anteil Eingang 0 1

AM_XeO2 O2 Anteil Eingang 0 1

AM_XeCO2 CO22 Anteil Eingang 0 1

AM_ZP_SollDrehz Sollwert der ZP Drehzahl -7,8 120 u/m

AM_S_Tankzulauf Zulauf Säure-Tank 0 500 ml

AM_AS_Tankzulauf Zulauf Antischaum-Tank 0 500 ml

AM_L_Tankzulauf Zulauf Laugen-Tank 0 500 ml

AM_SU_Tankzulauf Zulauf Substrat-Tank 0 1000 ml

AM_RQ_Sollwert Sollwert RQ für Glukose-Regelung 0,5 1,5

AM_MinZulaufrate Minimal mögliche Zulaufrate 0 5 ml/s

Tabelle A-3: Analoge Merker

Anhang

- 78 -

Binäre Eingänge

Name Beschreibung Kanalzuordnung

BE_Antischaum Schaumsensor DE0

Tabelle A-4: Binäre Eingänge

Binäre Ausgänge

Name Beschreibung Kanalzuordnung

BA_PumpeSäure Säurepumpe An/Aus DA0

BA_PumpeLauge Laugenpumpe An/Aus DA1

BA_PumpAntischaum Antischaumpumpe An/Aus DA2

BA_WegeventilLuft Magnetventil f. Luft DA3

BA_WegeventilO2 Magnetventil f. O2 DA4

BA_WegeventilN Magnetventil f. ON2 DA5

BA_WegeventilCO2 Wegventil f. CO2 DA6

BA_PumpeErnterohr Erntepumpe An/Aus DA7

BA_Pump02C02Modul Ansaugpumpe O2/CO2 Modul DA8

BA_Pumpe02Modul Ansaugpumpe O2 Modul DA9

BA_SwitchO2 Sensorwechsel bei Abgasanalyse DA10

BA_Spuel_Luft Volumenstromregler spülen DA11

BA_Luft_Stop Volumenstromregler schließen DA12

BA_Spuel_O2 Volumenstromregler spülen DA13

BA_O2_Stop Volumenstromregler schließen DA14

Tabelle A-5: Binäre Ausgänge

Anhang

- 79 -

Binäre Merker

Name Beschreibung

BM_TempSicherheit Sicherheit vor Überschwingern

BM_GasfluRegelung An/Aus für Gasfluss-Regelung

BM_RührerRegelung An/Aus für Rührer-Regelung

BM_OptDichteAnAus An/Aus Opt. Dichte

BM_AAnalytikAnAus An/Aus Abgasanalytik

BM_ZP_AnAus An/Aus Zufütterung

BM_ZP_RegelAnAus An/Aus Regelung für Zufütterun

BM_ZP_Aktiv An/Aus Zufütterung -Modul

BM_kLaEinheit Anzeigewechsel der kLa-Einheit

BM_ZP_GlukoseZF An/Aus Glukose-Zufütterung

BM_S_Tankzulauf Erhöhung des Tankvolumens um Tankzulauf

BM_L_Tankzulauf Erhöhung des Tankvolumens um Tankzulauf

BM_AS_Tankzulauf Erhöhung des Tankvolumens um Tankzulauf

BM_SU_Tankzulauf Erhöhung des Tankvolumens um Tankzulauf

BM_GasflRegler_PI Ist Gasflussregler PI-Regler (oder PID)

BM_RührRegler_PI Ist Rührer PI-Regler (oder PID)

BM_ZulaufRate_PI Ist Zulaufrate R. PI-Regler (oder PID)

BM_Manuell_S_P Manuelle aktivierung der Säurepumpe

BM_Manuell_L_P Manuelle aktivierung der Laugepumpe

BM_Manuell_AS_P Manuelle aktivierung der Antischaumpumpe

Tabelle A-6: Binäre Merker

Anhang

- 80 -

A.2) Blockstrukturen & Grafcet-Seiten

Verwendete Blöcke

Symbol Beschreibung Symbol Beschreibung

Analog-Digital-Wandler

Funktionsgeber

Relais-Schalter

Programmgeber

Und-Verknüpfung

Zweipunkt-Regler

Vergleicher-Block

Digitaler PID-Regler

Absolut-Funktion

D-Glied

Divisions-Block

I-Glied

Multiplikations-Block

Begrenztes I-Glied

Summations-Block

Division

Vorzeichen-Umkehr-Funktion

Multiplikation

Arithmetik-Block

Summation

Betriebsstundenzähler

Anhang

- 81 -

Abbildung A-1: Pumpenleistung

Anhang

- 82 -

Abbildung A-2: Reaktorinhalt

Anhang

- 83 -

Abbildung A-3: Gasfluss-Regelung

Anhang

- 84 -

Abbildung A-4: Gaszusammensetzung

Anhang

- 85 -

Abbildung A-5: pH-Regelung

Anhang

- 86 -

Abbildung A-6: Antischaum-Regelung

Anhang

- 87 -

Abbildung A-7: Temperatur-Regelung

Anhang

- 88 -

Abbildung A-8: Erntepumpe

Anhang

- 89 -

Abbildung A-9: Rührer-Regelung

Anhang

- 90 -

Abbildung A-10: Abgasanalytik

Anhang

- 91 -

Abbildung A-11: Zufütterung Pumpensteuerung

Anhang

- 92 -

Abbildung A-12: Glukose-Zufütterung; Bestimmung der Zulaufrate

Anhang

- 93 -

Abbildung A-13: Glukose-Zufütterung; Bestimmung der Pumpendrehzahl

Anhang

- 94 -

Abbildung A-14: Zellmassenbestimmung

Anhang

- 95 -

Abbildung A-15: Pumpenabschaltung der Abgasanalytik

Anhang

- 96 -

Abbildung A-16: Massendurchflussregler-Steuerung

Anhang

- 97 -

Abbildung A-17: Tankzulauf Berechnung

Anhang

- 98 -

Abbildung A-18: Aktivierung anderer Module für Glukose-Zufütterung

Anhang

- 99 -

Abbildung A-19: Sprungantwort; Rührerdrehzahl= 400 [1/min]; Gasfluss 1 auf 4 [l/min]

Anhang

- 100 -

Abbildung A-20: Sprungantwort; Gasfluss=3,5 [l/min]; Drehzahl 400 auf 700 [1/min]

Documents

Steuerung und Regelung eines Bioreaktors mit dem ... · Abbildung 3-4: Prinzipieller Wachstumsverlauf einer Batch-Kultur; X = Zellzahl; Cs = Substratkonzentration; (Anlehnung an Hass