m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

4.3 Fermentationen im Zulaufverfahren im 20 l Bioreaktor
Tab. 4.2: Parameter von Kalman-Filter und MV3-Regler
Parameter (Kalman-Filter) 1. Einstellung Optimierte Einstellung
absolut relativ absolut relativ
Rauschen: Substratkonzentration 0,5 10 % 0,1 10 %
Rauschen: Substratverbrauch 0,5 5 % 0,05 5 %
Rauschen: Änderung des Substratverbrauchs 0,5 2 % 0,05 2 %
Messrauschen 0,5 2 % 0,1 2 %
Parameter (MV3-Regler) 1. Einstellung Optimierte Einstellung
Gewichtung (r) 13 2
Anzahl der Gleichwerte zur Mittelwertbildung 10 5
nau zu bestimmen, müsste die entsprechnende Substratverbrauchsrate bekannt sein. Diese
wurde durch den Kalmanfilter geschätzt. Aufgrund der Änderung über die Zeit wurde
zusätzlich eine Mittelwert aus dem Gleichwert zu mehreren Abtastzeitpunkten gebildet.
Die Stellgrößenberechnung erfolgte nach dem Eintreffen neuer Regelgrößen [Striegel 1993].
I(t + 1) = E(y 2 (t + 1) + ru 2 (t)) (4.1)
Die Glucosekonzentration wurde während der Fermentation semikontinuierlich gemessen
und in Intervallen von ≈3 Min. Messwerte (siehe Abschnitt 4.3.2) über den LabView-
Prozessrechner an den Medusa-Prozessrechner geleitet. In der Software Medusa waren
Kalmanfilter und Minimal-Varianz-Regler (MV3) zur Glucoseregelung im geschlossenen
Kreislauf implementiert. Die ermittelten Stellgrößen wurden an eine Dosierstrecke zur
Anpassung der Glucosezufuhr weitergeleitet.
Die verwendeten Parameter sind in Tab. 4.2 aufgeführt. Die Parameter zur Glucoseregelung
wurden in der Arbeit optimiert. Mit der Verwendung des Process Trace Systems
wurden die neuen Werte verwendet, die zu einer verbesserte Regelung mit geringeren
Schwankungen führten.
4.3.6 L-Tyrosin-Zufuhr
Eine L-Tyrosin-Zufuhr war aufgrund der L-Tyrosin-Auxotrophie der Stämme für das
Wachstum notwendig. L-Tyrosin inhibiert jedoch die L-Tyrosin-sensitive DAHP-Synthase
[Pittard 1996]. Daher musste es während der Wachstumsphase in sehr geringen Mengen
zugegeben werden, um eine Akkumulation zu verhindern. Eine indirekte Regelung
der L-Tyrosin-Zufuhr, die die Möglichkeit einer automatischen Zufuhr bot, wurde von
Gerigk [Gerigk 2001] entwickelt. Die Regelung basierte auf dem empirisch ermittelten
linearen Zusammenhang zwischen der volumetrischen L-Tyrosin-Verbrauchsrate und der
volumetrischen Sauerstoffaufnahmerate unter L-Tyrosin-Limitierung. Die volumetrische
Sauerstoffverbrauchsrate (OUR) wurde während des Fermentationsprozesses in der
Medusa-Software aus Belüftungsrate, Reaktorgewicht und den Werten der Abgasanalytik
berechnet. Aus der sich ergebenden volumetrischen L-Tyrosin-Verbrauchsrate wurde die
Zulaufrate berechnet. Die L-Tyrosin-Konzentration lag so während des größten Teils der
Wachstumsphase unterhalb der Nachweisgrenze der HPLC (≈10 µmol/l).
Eine stark limitierte Zugabe von L-Tyrosin wirkte sich nach Gerigk [Gerigk u. a. 2002a]
positiv auf die Produktion von L-Phenylalanin aus. Bei stark limitierter Zugabe befand
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