Prozeÿkontrolle und -steuerung

Ein untrennbarer Bestandteil eines qualitätvollen Bioreaktors ist der Kontrolleur der Prozeßregelung. Üblicherweise ist dieser Kontrolleur speziell für eine bestimmte Reihe des Sortiments der Bioreaktoren gestaltet. Es ist auch damit verbunden, daß die Prozesse der Kultivierung von Mikroorganismen ziemlich hohe Ansprüche bezüglich der Genauigkeit und der perfekten Ausführung haben. Das alles unbeachtet davon, daß fast bei allen Bioreaktoren dieselben Größen in einem tatsächlich gleichbleibenden Medium kontrolliert und geregelt werden.

Ein typisches Kontroll- und Steuerungssystem des Fermentationsprozesses sieht folgend aus:

Gewöhnlich werden in den Bioreaktoren folgende Parameter kontrolliert und geregelt:

Temperatur

Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter der Fermentation, weil bei der Kultivierung vieler Mikroorganismen durch eine Abweichung der Temperatur um einige Grade die Produktivität des Wachstums und der Biosynthese wesentlich negativ beeinträchtigt werden können. Gewöhnlich wird die Temperatur der Kultivierung mit einer Genauigkeit mindestens ±0,5 °C oder besser kontrolliert. Zur Temperaturmessung werden üblicherweise die Fühler Pt100 aus rostfreiem Stahl benutzt. In den Laborbioreaktoren geschieht die Temperaturregelung auf einer der folgenden Weisen:

1. Der Heizer befindet sich im Inneren des Behälters des Bioreaktors, und die Kühlung wird mit Hilfe von im oberen Deckel positionierten dünnwändigen Rohren sichergestellt, die durch ein elektromagnetisches Ventil mit dem Kühlwasser verbunden sind;
2. Die Erwärmung und die Kühlung finden in einem Thermostat statt, und dieses Thermostatwasser zirkuliert mit Hilfe einer Pumpe durch den Mantel der Bioreaktors.

Die 1. Variante ist einfacher und gewährleistet eine wirtschaftlichere konstruktive Lösung. Eine solche Variante bewährt sich bei ziemlich kleinen Bioreaktoren mit dem Volumen bis ungefähr 5 Liter. Die 2. Variante gewährleistet eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Volumen des Bioreaktors, was für die Kultivierung von Mikroorganismen bedeutungsvoll ist.

Beim Prozeß der Temperaturregelung liegt oft der wichtigste Grund der Regelungsungenauigkeit in den falsch gewählten PID Parametern. Es äußert sich als Oszillationen der Temperatur.

Häufig ist das Haupthindernis für eine genaue Temperaturregelung eine zu große Mindestportion des Kühlwassers. Im diesen Zusammenhang müssen entsprechend die Ventile in der Zufuhr des Kühlwassers eingestellt werden. Ein anderer Faktor, der die Genauigkeit der Temperaturregelung beeinträchtigt, ist die Fläche und die Dicke der Oberflächen der Wärmeübertragung, weil bei einer großen Trägheit die Erreichung einer hohen Genauigkeit schwieriger ist

pH-Wert

Die Grundlage für die Regulierung vom pH-Wert bildet der Vergleich zwischen dem eingestellten "set point" und dem tatsächlichen pH-Wert. Zur Messung vom pH-Wert werden praktisch nur solche Elektroden benutzt, die sterilisiert werden können (meistens sind es die Elektroden von der Firma "Mettler-Tolede"). Die automatische Einregelung vom pH-Wert wird mit Hilfe der Peristaltikpumpen (üblicherweise werden Silikonschläche benutzt), durch entsprechende Säure- und Alkalidosierung sichergestellt. Gewöhnlich besteht die Einstellung von "set point" aus dem unteren Wert pHmin und dem oberen Wert pHmax. Wenn der pH-Wert zwischen diesen beiden Werten liegt, findet keine Einwirkung statt. Eine solche Ordnung der Einstellung des "set point" vom pH-Wert wird zur Vermeidung der Überdosierung der Titrierflüssigkeiten. Andererseits, sind "enge" Grenzen der Regelung vom pH-Wert für einen erfolgreichen Verlauf der Kultivierung nicht erforderlich. Man muß darauf hinweisen, daß die Messungen vom pH-Wert genau (± 0,02 pH Einh.) sein müssen, weil die Änderungsdynamik vom pH-Wert wertvolle Information über die Kinetik des Prozesses darstellt.

pO₂ (Partialdruck des aufgelösten Sauerstoffs)

Eine der spezifischen Hinsichten der Kontrolle der Fermentation ist die Messung und die Regelung von pO₂. Die Kontrolle von pO₂ ist praktisch nur für die Prozesse der Fermentation charakteristisch. Es gibt verschiedene Verfahren zur Regelung von pO₂:

1. durch die Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks n, wobei angenommen wird, daß pO₂ ~ n;
2. durch das Kombinieren der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks n und der Menge der zugeführten Druckluft Q. Es wird angenommen, daß pO₂ ~ n, pO₂ ~ Q. Üblicherweise wird zuerst die n geregelt, bis diese einen der Grenzwerte - n_min bzw. n_max erreicht, und danach wird die Regelung durch die Änderung von Q fortgesetzt.
   Wenn n und Q die Grenzwerte erreicht haben, aber pO₂ nicht im notwendigen Bereich liegt, finden keine regulierende Einwirkungen statt ;
3. durch die Ernährung des Substrats oder einer seiner Komponenten. Es wird angenommen, daß pO₂ ist zur Intensität der Ernährung proportional. Die Ernährung wird gewöhnlich durch gesteuerte Peristaltikpumpen sichergestellt. Dieses Verfahren wird manchmal mit der Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks n und der zugeführte Luftmenge Q kombiniert.

Bei der Regelung pO₂ muß bei der Einstellung von Parametern folgendes berücksichtigt werden:

1. pO₂ wird gewöhnlich in % eingestellt. Der eingestellte Wert pO₂ hat die untere und die obere Grenze. Üblicherweise beträgt die Differenz zwischen diesen beiden Grenzen 10% - 20%
2. Ein wichtiger Parameter ist bei der Regelung von pO₂ der Bereich der Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks n: nmin und nmax. Das bedeutet, daß durch die Regelung von pO₂ der Wert n nur innerhalb dieses Bereichs geändert wird. Diese Grenzen werden im Zusammenhang mit der Beseitigung verschiedener unerwünschter Erscheinungen festgelegt:
1. Die Auswahl von n_min wird durch folgendes bestimmt:
   1. damit das minimale Niveau der teilweise turbulenten Vermischung gewährleistet würde;
   2. damit das Dispergieren der Blasen sichergestellt würde;
   3. damit die Sedimentierung sichergestellt würde.
2. Die Auswahl von n_max wird durch folgendes bestimmt:
   1. Eintritt einer intensiven Schaumbildung;
   2. irreversible mechanische Zellenbeschädigungen;
   3. Fluktuation und Verdämpfung der Flüssigkeitsoberfläche.

Schaumbildung

Die Schaumbildung ist eine sehr unerwünschte Erscheinung, weil bei der Schaumentstehung das Risiko besteht, daß ein wesentlicher Anteil der Fermentationsflüssigkeit verloren wird. Während der Schaumbildung ist es nicht möglich, qualitätvolle Analysen und Messungen durchzuführen. Zur Schaumbeseitigung werden gewöhnlich 2 Verfahren oder ihre Kombination angewandt:

1. Dosierung eines Antischaummittels aufgrund der vom Schaumfühler gelieferten Information. Die Impulse sind relativ klein mit großen Pausen und einer begrenzten Dosierungsdauer. Diese zusätzlichen Kontrollmaßnahmen sind erforderlich, um die eventuelle Überdosierung zu vermeiden, weil ansonsten die Kennzahlen des Massenaustausches sich wesentlich herabsetzen könnten.
2. Die mechanische Schaumlöschung. Zu diesem Zweck wird im oberen Deckel des Bioreaktors der obere Antrieb mit einem speziellen Rührwerk der mechanischen Schaumspaltung mit Scheiben oder auf einer anderen Weise montiert. Falls eine intensive Schaumbildung schon angefangen hat, hilft die mechanische Schaumlöschung nicht mehr.

Eine optimale Lösung ist die Kombination der beiden Verfahren. In den Laborbioreaktoren ist die Anwendung der 1. Variante mehr verbreitet.