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Biotechnologie für Chemiker, Teil 5

MSR – Messen, Steuern, Regeln

Jede biotechnologische Anlage, unabhängig vom Betriebsmodus und Reaktortyp, erfordert die Erfassung von Meßdaten, die gesteuert bzw. geregelt werden müssen, um eine sichere Betriebsweise zu realisieren und eine möglichst hohe Raum-Zeit-Ausbeute zu erhalten, da ansonsten die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens leidet. Hinzu kommt die optimale Anlagenauslegung, damit eine resourcenschonende Fahrweise möglich ist.

Ein Mikroorganismus benötigt für seine Vitalität, also für alle ablaufenden biochemischen und biologischen Prozesse, eng tolerierte Betriebsparameter, wie z. B. die Temperatur, der pH-Wert, Sauerstoffgehalt und -partialdruck, die Konzentration von Mineralien, Nährstoffen, Substrat, Biomasse, Produkt.

Da sich mit der Zeit obige Betriebsparameter ändern können, benötigt man sogenannte
Stellgrößen, die eine gezielte Manipulation des Prozesses zulassen, wenn die messbaren Zustandsgrößen einen vorgegebenen Wert (Sollwert) über- bzw. unterschreiten. Hinzu kommen noch die Störgrößen, die einen Prozeß ungeplant beeinflussen.
Bei einer zielgerichteten Beeinflussung ohne bzw. mit kontinuierlicher Rückkopplung von Ausgangssignalen liegt eine Steuerung bzw. Regelung vor. Stellgrößen sind z. B. die Rührer-, die Pumpen-, die Verdichterdrehzahl, der Kühl/Heizmittelstrom, Zulauf- bzw. Ablaufmengen.

Die Messungen der Betriebsparameter können online oder offline, kontinuierlich oder diskontinuierlich, vollautomatisch oder manuell sein. Physikalische Meßgrößen sind z. B. die Temperatur (für Sterilisation und Prozessführung), der Druck, der Füllstand (für Verweilzeiten), der Schaum (kapazitiv, Leitfähigkeit), die Trübung (für die Biomassekonzentration). Chemische Meßgrößen sind z. B. der pH-Wert, die Sauerstoff- und Nährstoffkonzentration. Alle Messverfahren erfordern, entsprechend der Validierung, eine Reproduzierbarkeit und eine Genauigkeit.

Bei den Messmethoden gibt es unterschiedliche, je nach Messprinzip kann ein Wert z. B. potentiometrisch, amperometrisch, photometrisch oder auch fluorimetrisch erfasst werden. Allerdings gibt es hier mit der Robustheit der Messmethode immer wieder Probleme, da man eine Fermenternbrühe vorliegen hat, aus der die Proben entnommen werden. Neben den elektrochemischen und spektroskopischen Messmethoden für die spezifische Bestimmung von Komponenten, gibt es auch die Möglichkeit HPLC-Systeme zu nutzen, um Stoffgemische zu trennen und sowohl qualitativ, als auch quantitativ zu bestimmen. Zur Bestimmung des gelösten Sauerstoffs kommt die Clark-Elektrode zum Einsatz. Es ist eine Elektrode zweiter Art mit konstantem Potential, die eine amperometrische Bestimmung der Sauerstoffmenge ermöglicht.

Ein Regelkreis beinhaltet die zu erfassende Messgröße (z. B. Temperatur, pH-Wert), die über einen Sollwert (vorgegeben durch Computersoftware) abgeglichen wird und zu einer Regelabweichung führen kann, die durch den Regler mit der Stellgröße korrigiert werden kann. Der Füllstand eines Bioreaktors kann über den Zulauf oder den Ablauf geregelt werden. Dies nennt sich dann Level-Control, LC und kann auch zusätzlich noch eine Flow-Control, FC (Durchflußmessung) beinhalten. Auch beim Druck kann die Regelung über den Zustrom erfolgen oder über den Abgasstrom.

Wichtig ist, daß man erkennt, daß nicht bei jeder korrigierenden Maßnahme von außen, der jeweilige Wert sich nicht sofort ändert, sondern mit einer gewissen Zeitverzögerung einhergeht, die zudem noch unterschiedlich groß ausfallen kann.

Hier möchte ich auf die jeweiligen Vorlesungen der Meß-, Steuer- und Regeltechnik und der Erstellung von Computersoftware verweisen.

Biotechnologie für Chemiker

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