m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

4 Produktionsorganismen, apparativer Aufbau und Durchführung der Experimente
Bei einigen Experimenten wurden 1 H-NMR-Analytik, Phosphat- und Ammoniumbestimmung
durchgeführt (siehe Abschnitt A.3.1). Nach 50 Stunden wurden die Fermentationen
beendet. Nach Abschluss der Fermentation wurde der Bioreaktor bei 121 ◦ C für 20 Minuten
sterilisiert.
4.3.5 Regelung der Glucosezufuhr
Die Glucoseregelung hatte die Einstellung einer konstanten Glucosekonzentrationen
während einer Fermentation zum Ziel. Dies war für eine optimale Prozessführung, die
Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit von Fermentationen notwendig.
Bei einem Fermentationsprozess handelt es sich um einen nichtlinearen Prozess, bei dem
sich der Substratverbrauch mit der Zeit ändert und die Analysenwerte zu diskreten Zeitpunkten
mit Totzeit eintreffen. Daher kam eine modellbasierte adaptive Regelstrategie im
geschlossenen Regelkreis zum Einsatz [Weuster-Botz u. a. 1994]. Ein adaptiver Regelkreis
ist in Abb.4.10 schematisch dargestellt.
Bei dem verwendeten System wurde ein erweiterter, semikontinuierlicher Kalman-Filter
zur Minimierung des Messrauschens eingesetzt, bei dem Totzeiten einbezogen wurden
[Wiechert 1991]. Zudem erfolgte eine Echtzeit-Schätzung der zukünftigen Glucosekonzentration,
der Glucoseverbrauchsrate und der Änderung der Substratverbrauchsrate aus der
gemessenen Glucosekonzentration und deren Änderung 5 .
Vom Kalmanfilter wurden die geschätzten Werte zur nächsten Abtastzeit an den MV3-
Regler übermittelt. Die Regelung der Stellgröße zur Einhaltung des Sollwertes erfolgte
durch Minimierung eines Gütekriteriums (I) mit E als Erwartungswert (siehe Gleichung
4.1). Die zu erwartende nächste Regelgrößenabweichung (y(t+1)) und die Stellgrößenabweichung
u(t) wurden einbezogen. Der Gewichtungsfaktor r gewichtete Regelgrößenabweichung
und Stellgrößenabweichung. Mit zunehmendem Gewichtungsfaktor nahmen
die Stellgrößenausschläge ab. Um die Stellgröße (Gleichwert) im Arbeitspunkt ge-
5 Die Systemgleichungen für die einzelnen Parameter wurden von Weuster-Botz u. a.
[Weuster-Botz u. a. 1994] aufgeführt und sind Abschnitt A.3.9 zu entnehmen.
Reglerparameter
berechnen
Prozessparameter
Zustandsgrößen
schätzen
w e u
Regler Prozess
-
z
Abb. 4.10: Schematische Darstellung eines adaptiven Regelkreises mit w=Sollwert,
e=Abweichungsgröße, z=Störgröße, u=Stellgröße (Dosierrate), y=Regelgröße (Zustandsgröße,
Glucosekonzentration)
58
y