VL 4: Mess- Streuung- und Regeulngstechnik

streben nach hoher Produktqualität, -ausbeute und Prozesssicherheit sowie geringen Prozesskosten

Entwicklung umfassender Automatisierung biotechnischer Prozesse

• technische Regelvorgang ist eine gezielte Beeinflussung von physikalischen, chemischen oder anderen Grö0en in technischen Systemen

• Regelgrößen sind dabei auch beim Einwirekn von Störungen entweder möglichst konstant zu halten (Festwertregelung) oder so zu beeinflussen, dass sie einer vorgegebenen zeitlichen Änderung folgen (Folgeregelung)

• Soll eine vorgegebene Größe, die sich aufgrund von Störeinflüssen ändern kann, auf einen gewünschten Wert gebracht werden, wird dies Störgrößenregelung genannt

• Soll die Regelung die vorgegebene Größe ständig an eine sich ändernde Größe anpassen, spricht man von Nachlaufregelung

• Größen werden von Sensoren gemessen

• zu regelnde Ausgangsgröße eines Prozesses (Regelgröße) wird ständig gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert (Aktuell eingestellter Sollwert = Führungsgröße) verglichen

• Prozess wird durch die Regelung so beeinflusst, dass Differenz von Sollwert - Istwert = = (Differenz = Regeldifferenz oder Sollwertabweichung)

• Die Größe, mit der der Prozess über eine Stelleinrichtung (Stellgrlied) beeinflusst wird, heißt Stellgröße

• Sind Istwert und Sollwert unterschiedlich, wird Regler über das Stellgelid so auf die Regelstrecke (den Prozess) einwirken, dass, über den Stellwert, der Istwert der regelgröße dem Solwert der Führungsgröße angenähert wird

Zeitpunkt, bei dem der Istwert der Regelgröße das erste Mal mit dem Sollwert identisch ist

Festgelegt durch ein dauerhaftes Erreichen eines Intervalls um den Sollwert

gibt den maximalen Wert der Regelabweichung an, der nach erstmaligem Erreichen des Sollwertes auftritt

Durchflussmessung: Der Durchfluss ist die Menge eines strömenden Mediums je Zeiteinheit, gemessen in Volumeneinheiten (QV= V/t) oder in Masseeinheiten (QM 0m/t)

Volumenstrom (volumetric flow rate): Messgröße, die die auf Volumeneinheiten bezogene Strömungsgeschwindigkeit gasförmiger und flüssiger Stoffe in Rohrleitungen charakterisiert

Massenstrom (mass flow): Messgröße, die die Geschwindigkeit des Transports der Masse gasförmiger oder flüssiger Stoffe in Rohrleitungen charakterisiert (Coriolis-Durchflussmessprinzip)

• bei Turbinendurchflussmessern(turbine meter) versetzt das strömende Medium eine im Messrohr drehbar gelagerte Messturbine in Rotation

• Die Drehzahl des Turbinenrades ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und damit zum Volumenstrom

• Messung nutzt die Kraftwirkung auf bewegte elektrische Ladung in einem Magentfeld aus

• Fließen geladene Teilchen durch ein Magentfeld entsteht eine elektrische Spannung

• Diese wird durch zwei sich gegenüberstehende Elektroden abgegriffen

• Aus der Spannugn lässt sich die Fließgeschwindigkeit berechnen

• Füllstand gehört zu den wichtigsten Messgrößen

• Flüssigkeitsstandmessungen können z.B. mittels mechanischer, elektrischer, pneumatischer oder optischer Verfahren durchgeführt werden

• Probleme der Füllstandsbestimmungen:

  • Gasblasen im Medium

  • Feststoffanteile., Nebel und Schwebstoffe

  • Inhomogenitäten oder Auskristallisationen

  • Schaumbildung bei Flüssigkeiten

  • Ablagerung an Wänden

  • Strömungen und Wirkbel beim Zulauf von flüssigen Medien

• Auf den Füllstand in einem Behälter kann auch geschlossen werden, wenn der Behäter samt Inhalt gewogen wird

• Aus er gewichtskraft lässt sich die dazugehörige Menge (Volumen, Masse) errechnen

• Bei gegebener Behälterform kann die Füllhöhe bestimmt werden

• Sinkt das Gewicht und damit der Füllstand, wird ein Ventil zum Nachfüllen geöffnet

• in einem Sonderrohr steigt der Druck in Abhängigkeit von der Füllhöhe

• Durch die ansteigende Flüssigkeit wird die Luft in einem Sonderrohr komprimiert

• Der Staudruck wirkt auf einen Membranschalter

• bei allen aeroben Fermentationen verbrauchen die Organismen Sauerstoff und erzeugen Kohlendioxid und Wärme

  -> bedeutet also im Bioreaktor muss, um Organismen am Leben zu halten Sauerstoff zugeführt werden, und die erzeugte Wärme und das Kohlendioxid wieder abgeführt werden

• Diese Aktivitäten sind proportional zur Biomassekonzentration und zur Stoffwechelsaktivität der Organismen (Zugänglichkeit zu Sauerstoff wichtig), die sich je nach Substratangebot und Alter der Organismen sowie mit der Fermentationszeit verändern

=> variable Stoff und Wärmetransport im Bioreaktor notwendig für effektiven Bioprozess

• eine wichtige Kennzahl für den Transport eines Gases aus der Gasphase in die Flüssigphase eines Reaktionssystems und damit ein Maß für die Effizienz des Gaseintrags ist der kLa-Wert

  -> Sauerstoff als Gas rein -> als Flüssigkeit in Zellen, von Zellen aufgenommen und verarbeitet

• kLa= volumenbezogener Stoffübertragskoeffizient (auch volumentrischer Stoffübergangskoeffizient)

• kLa = Produkt aus der Stoffübergangszahl kLa der Flüssigphase und der volumenbezogenen Phasengrenzfläche a -> für alle Gase die eingeleitet werden

• Für balsenbegaste Reaktoren sind diese beiden Größen nicht getrennt voneinander zu ermitteln, daher spricht man von dem kLa-Wert

• Einheit: pro Zeiteinheit (s-1 oder h-1)

• Wichtig für Projektierung von chemischen oder biologischen Reaktoren

• Sauerstoffeintrag und damit auch der kLa-Wert von Sauerstoff von zentraler Bedeutung für Bioprozesse

kLa-Wert in biotechnologischen Prozessen von großer Beduetung, da er eine Aussage darüber trifft, wie gut Mikroorganismen in einer biotechnologischen Anlage mit Gasen versorgt werden können.

• bei Kultivierung aerober Mikroorganismen ist ein hoher kLa-Wert für O2 besonders wichtig

• Zu berücksichtigen sind Übergang Phasengrenzfläche Gas/Flüssigkeit und O2-verbrauch der Organismen

• Bei autotroph wachsenden Mikroorganismen ist der kLa-Wert für CO2 wichtig (Autotrophe Mikroorganismen brauchen keinen Sauerstoff)

• Transport in der Lösung ist nicht immer der limitierende Faktor (außer in Lösungen mit sehr hoher Viskosität)

• Limitierender Faktor ist Übergang zwischen Gasphase und Flüssigkeit

• kleinere Blasen liefern größere Übergangsflächen zwischen Gaspahse und Flüssigühase

• Wird die Wachstumsrate der Zellen reduziert, verringert sich proportional deren Sauerstoffaufnahmerate

• Man kann daher über ein Zulaufverfahren das Wachstum und damit die biomassespezifische Sauerstoffaufnahmerate konstant auf einem niedrigen Niveau halten, indem man eine limitierend geringe Substratkonzentration zulaufen lässt

• Damit können hohe Konzentrationen an Biomasse cx bei gleichzeitiger Beachtung der bregenzten Sauerstoffeintragsleistung OTR des Bioreaktors erreicht werden

Bei erhöhter Temperatur und Ionenstärke sinkt die Sauerstofflöslichkeit

Sulfit Methode

• Natriumsulfit-Lösung wird belüftet (Einleiten von O2)

• Unter katalytischer Wirkung von Metallionen erfolgt Oxidation zu Natriumsulfat

• Chemischer Sauerstoffverbrauch imitiert den verbrauch in biologischen Fermentationen

Nachteil:

• nur Simulation -> keine echte Aussage über den echten O2 verbrauch

• Wert kann ungenau sein, da keine biologische Komponente

• Trotzdem erlauben chemischen Modellsysteme, wegen ihrer relativ einfachen Handhabung, eine schnellere Grundoptimierung als biologische Systeme

Dynamische Methode

• Messung unter laufenden Reaktorbedungungen

• Bei 100% Sättigung wird O2-Zufuhr gestoppt und durch N2 ersetzt

• Bei 0% Sättigung wird =2 wieder eingeleitet

• Zeit, die es dauert, bis 100% wieder erreicht sind, gibt kLa-Wert