Diplomarbeit Wilhelm Gruber Bioreaktor

Diplomarbeit
Fachbereich Mechatronik
Konstruktion und Aufbau eines
Bioreaktors sowie die prozess- und
regelungstechnische Umsetzung
Durchführender: Wilhelm Gruber
Studiengang: Mechatronik
Zeitraum: 1. November 2004 bis 31. März 2005
Ort: Fachhochschule Ulm
Abteilung: Medizingerätebau
1. Betreuer: Professor Dipl.-Ing. A. Kreuttner
2. Betreuer: Professor Dr. K. Paulat

Danksagung
Diese Diplomarbeit entstand im Labor-Medizingerätebau an der Fachhochschule
Ulm.
An dieser Stelle möchte ich mich recht herzlich bei Herrn Professor Dipl.-Ing.
Kreuttner und Herr Professor Dr. Paulat für die Betreuung der Diplomarbeit und
für die Freiheiten, die sie mir bei der Umsetzung überlassen haben, bedanken.
Ein besonderer Dank geht an Rudi Miller für die ausgezeichnete Unterstützung
beim Aufbau des Fermenters, bei der Mithilfe bei der Beschaffung der Bauteile,
für die Korrektur der Arbeit und für den Kaffee.
Ein weiterer Dank geht außerdem noch an die Mitarbeiter der FH-Ulm: Rainer
Fuest, Dieter Helferich, Gerhard Keller, Marco Keller, Mike Pfannenstein und Falk
Neuner für die sehr gute und nette Zusammenarbeit.
2

Zusammenfassung
Konstruktion eines mobilen Bioreaktors, sowie dessen
prozess-, regelungs- und softwaretechnische Umsetzung mit
der Prozess-Software WinErs
Ziel dieser Diplomarbeit war es, einen voll funkionsfähigen Bioreaktor aufzubauen.
Ausgehend von den Fermenter-Komponenten der Firma Bioengineering: Fermentergefäß,
Drehzahl- und Temperiereinrichtung, soll ein voll funktionsfähiger Bioreaktor
aufgebaut werden. Ergänzt wurden diese vorhandenen Komponenten mit
einer Begasungs-, pH- und Antischaum-Einrichtung. Die Programmierung der Regelung
und die Erstellung der Anwender-Software wurde mit der Prozess-Software
WinErs gestaltet. Für den Aufbau der Begasungsregelung mussten in Vorversuchen
die Regelungsparameter für die pO2-Sonde und des Sauerstoffüberganges ermittelt
werden. Anschließend konnten in Simulationsmodellen verschiedene Regelungssysteme
getestet werden.Hier stellte sich ein PI-Regler mit nachgeschaltetem
Pulsweitenmodulator als die geeignetere Regelung heraus. Durch sie konnte
eine stabilere und mit einer gut tolerierbaren Regeldifferenz die Begasungsregelung
realisiert werden. Für die pH-Regelung reicht ein klassischer Zweipunktregler,
der nur dann zutaktet, wenn die pH-Toleranz über- bzw. unterschritten wird.
Die Antischaum-Regelung wird nur dann aktiv, wenn über die Antischaum-Sonde
Schaum detektiert wird. In einer Testfermentaion mit der Bäckerhefe Saccharomyces
cerevisiae konnten noch Schwächen des Fermenters gefunden werden. Als
unzureichend stellte sich die Begasungsregelung heraus, da durch das Begasungsrohr
zu große Gasblasen austreten, die nicht den gewünschten Sauerstoffeintrag ins
Medium brachte. Hier könnte anstatt eines Begasungsrohres ein Ringsparger bzw.
ein perforierter Silikonschlauch Abhilfe schaffen. Da sich während der Reglereinstellung
(der Sauerstoffbegasung) Gasblasen an der pO2-Sonde anlagerten, und sich
ein unzureichender Sauerstoffeintrag herausstellte, sollte die Reglereinstellung, für
Luft- und Sauerstoffbegasung, unter optimalen Bedingungen wiederholt werden.
3

Inhaltsverzeichnis
1. Aufgabenstellung 7
2. Symbolverzeichnis 8
3. Abkürzungsverzeichnis 10
4. Grundlagen 11
4.1. Fermentertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.1. Rührkessel-Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.2. Blasensäulen-Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1.3. Airlift-Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2. Zellwachstum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2.1. Sauerstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2.1.2. Löslichkeit von Sauerstoff in Flüssigkeiten . . . . . 14
4.2.1.1. Kritische Sauerstoffkonzentrationen einiger Mikroorganismen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1.3. Sauerstoffaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1.4. Richtwerte für den Sauerstoffbedarf von Mikroorganismen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1.5. Sauerstoffeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1.6. Bestimmungsmethoden des kLa-Werts . . . . . . . 17
4.2.2. Temperatur-Einfluss auf die Wachstumsrate . . . . . . . . . 19
4.2.2.1. Einfluss der Temperatur auf das Wachstum und die
biologische Aktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2.3. pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.3.1. Einfluss des pH-Werts auf den Organismus . . . . . 20
4.2.3.2. Pufferlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.3.3. Herleitung der Henderson-Hasselbalch-Gleichnung . 21
4.2.3.4. Einfluss von Kohlendioxid auf den pH-Wert . . . . 22
4.3. Sonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3.1. O2-Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4

Inhaltsverzeichnis
4.3.1.1. Aufbau einer pO2-Elektrode . . . . . . . . . . . . . 23
4.3.1.2. Funktionsprinzip O2-Elektrode . . . . . . . . . . . 24
4.3.1.3. Ansprechverhalten einer Sauerstoffelektrode mit gasdurchlässiger
Membran . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.2. Temperatur-Sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.3. pH-Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.3.1. Aufbau einer pH-Elektrode . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.3.2. Funktionsprinzip einer pH-Elektrode . . . . . . . . 26
4.4. Prozessregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.1. Zweipunktregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.1.1. Berechnung des Mittelwerts der Regelschwingung x3 28
4.4.1.2. Berechnung der Schwankungsbreite 2 · x0 . . . . . . 29
4.4.2. Pulsweitenmodulierte Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.2.1. graphische Darstellung einer PI-Regelung mit nachgeschalteter
Pulsweitenmodulation (Abb. 4.13) . . 29
4.4.2.2. Reglereinstellung nach der Probiermethode . . . . 29
4.4.3. pO2-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4.4. pH-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4.4.1. Berechnung der Zugeführten Menge an Säure und
Lauge bei Überschreiten der pH-Toleranzgrenze am
Beispiel eines Escherichia coli-Nährmediums: . . . 31
4.4.5. Antischaum-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5. Konstruktion 34
5.1. Konstruktionsauslegung und Materialanforderungen . . . . . . . . . 34
5.1.1. Transportwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1.2. Anforderungen an die Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1.3. Begasungs-Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1.4. Schlauchpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1.5. Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.1.6. Schläuche, Schlauchkupplungen, Schlauchverbinder . . . . . 35
5.2. Aufbau des Transportwagen mit ITEM-Profile . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1. Bauanleitung und Einzelteilzeichnung . . . . . . . . . . . . . 35
5.3. Begasungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3.1. Berechnung der Armaturengrößen . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3.1.1. Berechnung des Gasvolumenstroms . . . . . . . . . 35
5.3.1.2. Berechnung des Gasvolumenstroms durch das 2/2-
Wegeventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.2. pneumatischer Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4. Elektroinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4.1. Belegung der Ein- und Ausgänge der Elektronikbox . . . . . 40
Wilhelm Gruber 5

Inhaltsverzeichnis
5.4.2. Elektroschaltplan der Magnetventile und Schlauchpumpen . 41
5.4.3. Anschluss der Antischaumsonde . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.4.4. Anschlussbelegung des pH-Transmitters . . . . . . . . . . . 43
5.4.5. Anschlussbelegung des pO2-Transmitters . . . . . . . . . . . 44
5.4.6. Temperaturanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.4.7. Drehzahlanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.4.8. Pin-Belegung des Verbindungssteckers . . . . . . . . . . . . 45
5.4.9. Definieren der Analogsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6. Regelung 47
6.1. SimulationverschiedenerBegasungsregelungen............ 47
6.1.1. Ermittlung der Zeitkonstante der pO2-Sonde . . . . . . . . . 47
6.1.1.1. Versuchsdurchführung: Bestimmung des Ansprechverhaltens
der pO2-Sonde . . . . . . . . . . . . . . 47
6.1.1.2. graphische Ermittlung der pO2-Sonden-Zeitkonstante 48
6.1.2. Ermittlung der Zeitkonstante für die Sauerstoffaufnahme . . 49
6.1.2.1. Versuchsdurchführung: Bestimmung des pO2-Überganges
ins Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.1.2.2. graphische Ermittlung des kLa-Wertes . . . . . . . 49
6.1.3. Test der Zweipunkt-Regelung am Simulationsmodell . . . . . 51
6.1.4. Test der PI-Regelung mit nachgeschaltetem Pulsweitenmodulator
am Simulationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.4.1. Experimentelles Einstellen der Regelparameter . . 53
6.1.5. Vergleich beider Regelungssysteme . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2. Übertragung der Simulationsmodelle auf Fermenterbegasung . . . . 56
6.2.1. Zweipunktregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.2. PI-Regelung mit nachgeschaltetem Pulsweitenmodulator . . 58
6.2.3. Ergebnis des Praxistests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3. Aufbau der Prozess-Regelung mittels Blockstrukturen . . . . . . . . 59
6.3.1. Blockstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.1.1. Begasungs-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.1.2. pH-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.1.3. Antischaumregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3.1.4. Aufheiz-Sicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.1.5. Hilfsblöcke bzw. Programmgeber . . . . . . . . . . 73
7. Prozess-Software 74
7.1. Hauptfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2. Fenster für Reglereinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.3. Prozessbildeinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Wilhelm Gruber 6

Inhaltsverzeichnis
8. Testfermentation 79
8.1. VersuchsdurchführungeinerFermentation .............. 79
8.2. Reglereinstellung der O2-Begasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.3. Interpretation der Fermentationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 80
A. Anhang 85
A.1. Stückliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
A.2. CAD-Zeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
A.2.1. Frontplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
A.2.2. linke Gehäuseplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.2.3. rechte Gehäuseplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.2.4. Tischplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.2.5. Abstellplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2.6. Bodenplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
A.2.7. Gewindestift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
A.2.8. Muffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.2.9. Verteilerbuchse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.2.10.Alustrebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
A.2.11.Flaschenhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A.2.12.Zusammenbau der Frontplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
A.2.13.Zusammenbau rechte Gehäuseplatte . . . . . . . . . . . . . . 102
A.2.14.Zusammenbau linke Gehäuseplatte . . . . . . . . . . . . . . 103
A.2.15.Zusammenbau Flaschenhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.2.16.Zusammenbau Fermenterwagen . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.3. Medienzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3.1. 2,5l Nährmedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3.2. 250ml 20%-Glukoselösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3.3. 250ml 0,5M Salzsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3.4. 250ml 0,5M Natronlauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.4. Checkliste einer Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Wilhelm Gruber 7

Abbildungsverzeichnis
4.1. Rührkessel-Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2. Blasensäulenfermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3. Airlift-FermentermitinneremundäußeremUmlauf......... 12
4.4. Wachstumskurve einer Batch-Fermentation . . . . . . . . . . . . . . 13
4.5. Schematische Darstellung der dynamischen Methode zur Bestimmung
des kLa-Wertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.6. Wachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.7. Wachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom pH-Wert der Umgebung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.8. Aufbau einer pO2-Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.9. pO2-Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.10.Aufbau einer pH-Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.11.Funktionsprinzip der pH-Elektrode aus [8] . . . . . . . . . . . . . . 27
4.12. Verlauf der Regel-und Stellgröße eines Zweipunkt-Regelkreises . . . 28
4.13.PI-Regelung mit nachgeschaltetem Pulsweitenmodulator . . . . . . 30
5.1. Aufbau des mobilen Fermenterwagens . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2. Pneumatikplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3. Elektroschaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.4. Beschaltung Antischaum-Sonde über Niveau-Wächter . . . . . . . . 42
5.5. Anschluss des pH-Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.6. Anschluss des pO2-Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.7. AnschlussTemperatursteuerungmitElektronikbox ......... 45
5.8. AnschlussDrehzahlsteuerungmitElektronikbox........... 45
5.9. Pin-Belegung Verbindungsstecker zwischen Elektronikbox und Drehzahlbzw.
Temperatursteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.1. Ansprechverhalten pO2-Sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2. pO2−Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.3. Zeitkonstantenverhältnis aus [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
8

Abbildungsverzeichnis
6.4. Verhältnis Ansprechzeit zur Zeitkonstante T1 in Abhängigkeit vom
Zeitkonstantenverhältnis α aus [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.5. pO2-Regelkreis mit Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.6. Simulation eines Zweipunkt-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.7. pO2-Regelkreis mit Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.8. Experimentelles Einstellen der Proportionalanteiles des P-Reglers . 54
6.9. Experimentelles Einstellen der Integrations Zeitkonstante des I-Reglers 54
6.10. Simulation eines PI-Reglers mit nachgeschaltetem Pulsweitenmodulator
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.11.Begasungsregelung mit Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.12.PI-Regelung mit nachgeschalteter Pulsweitenmodulation . . . . . . 58
6.13.Blockstruktur: pO2-pulsweitenmodulierte Regelung . . . . . . . . . 61
6.14.Blockstruktur: N2-Gegenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.15.Blockstruktur: pH-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.16. Blockstruktur: pH-Regelung durch CO2 Begasung . . . . . . . . . . 66
6.17.Blockstruktur: Antischaum-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.18.Blockstruktur:Aufheizsicherung.................... 71
6.19. Vergleich des Aufheiztemperatur-Verlaufes mit und ohne Übertemperatur-
Absicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.20.Blockstruktur: Programmgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.21.Blockstruktur: Programmgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1. Hauptfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2. Reglereinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.3. Prozessansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1. pO2-Reglereinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.2. Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
A.1. Bedienplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
A.2. Aluplatte links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.3. Aluplatte rechts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.4. Tischplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.5. Abstellplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.6. Bodenplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
A.7. Gewindestift mit Bohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
A.8. Muffe G1/4” auf G1/8” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.9. Verteilerbuchse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.10.Alustrebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
A.11.Flaschenregal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A.12.Explosionszeichnung Frontplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Wilhelm Gruber 9

Abbildungsverzeichnis
A.13.Explosionszeichnung Gasanschlussseite . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.14.Explosionszeichnung Fermenterseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.15.Explosionszeichnung Flaschenhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.16.Zusammenbau des Fermenterwagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Wilhelm Gruber 10

Tabellenverzeichnis
2.1. Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1. Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1. Formelzeichen: Zellwachstum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2. Kritische Sauerstoffkonzentrationen einiger Mikroorganismen . . . . 15
4.3. Formelzeichen: Sauerstofflöslichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.4. Sauerstoffbedarf von Mikroorganismen aus [2] . . . . . . . . . . . . 16
4.5. Formelzeichen: Sauerstofftransportgeschwindigkeit . . . . . . . . . . 17
4.6. Formelzeichen: Sulfit-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.7. Formelzeichen: Pufferkapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.8. Formelzeichen: Fick’sches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.9. Formelzeichen: Zeitverzögerung des Messsignals . . . . . . . . . . . 25
4.10.Formelzeichen: Elektrodenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.11.Nährmedium nach Reader [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.12. Beispielrechnung: pH-Wert-Änderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.1. Formelzeichen: Gasvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2. AnschlussbelegungderElektronikbox................. 40
5.3. Steckerbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.4. Bereichseinstellungen der analogen Sensorsignale . . . . . . . . . . . 46
6.1. Regelparameter der Simulationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2. Blockstruktur-Symbolik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3. Symbolik pO2-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.4. Symbolik pO2-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.5. Symbolik pH-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.6. Symbolik pH-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.1. Einstellung der Fermentationsparameter der Testfermentation . . . 79
8.2. MesswertederFermentationsproben.................. 81
A.1. Nährmediumzusammenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
11

Tabellenverzeichnis
A.2. Glukoselösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3. Salzsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.4. Natronlauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Wilhelm Gruber 12

1. Aufgabenstellung
Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen voll funktionsfähigen Bioreaktor zu konstruieren,
konstruktiv auszulegen und aufzubauen. Hierfür sollen, ausgehend von den
vorhandenen Komponenten der Firma Bioengineering: Fermenterbehälter, Rührund
Temperiereinrichtung, der Fermenter noch mit einer mit Begasungs-, pH- und
Antischaum-Einrichtung versehen werden. Außerdem soll die notwendige Regelungstechnik
und Anwendersoftware mit der Prozess-Software WinErs umgesetzt
werden.
13

2. Symbolverzeichnis
KAPITEL 1. AUFGABENSTELLUNG
Symbol Einheit Beschreibung
Δp bar Druckdifferenz
μ 1/s Wachstumsrate
ρ kg/m 3 Dichte
τE s Zeitkonstante
A mm 2 Kathodenoberfläche
C g/m 3 wirkliche Sauerstoff-Konzentration
Ci kg/m 3 Konzentration des gelösten Stoffes
CE g/m 3 angezeigte Sauerstoff-Konzentration
d mm Membrandicke pO2-Elektrode
ipO2 A Elektrodenstrom
kv m 3 /h Gas-Durchflusskoeffizient
K Asl/mm 2 mmol Konstante
l Liter
N 1/ml Zelldichte
N0 1/ml Ausgangszelldichte
p bar Druck
p1 bar Eingangsdruck in Ventil / Druckminderer
p2 bar Ausgangsdruck in Ventil / Druckminderer
pO2 mmol/l Sauerstoffpartialdruck
P mm/s Membranpermeabiliät
Q m 3 /h Gasvolumenstrom
t s Zeit
ta s Ausschaltzeit
te s Einschaltzeit
t1 s Abklingzeit auf Führungsgröße
t2 s Anstiegszeit auf Führungsgröße
T K Temperatur
TM g Trockenmasse
TP s Periodendauer
Tt s Totzeit
T0 s Schwingdauer
T1 s Zeitkonstante
Wilhelm Gruber 14

KAPITEL 1. AUFGABENSTELLUNG
Symbol Einheit Beschreibung
vvm l/(l · min) Begasungsrate (Liter Gas je Liter Fermentervolumen
pro Minute)
w Führungsgröße
xE
Endwert
xMA
Mittelwertabweichung
x0
Schwingamplitude
x1
obere Grenzwert der Regelschwingung
x2
untere Grenzwert der Regelschwingung
x3
Mittelwert der Regelschwingung
Stellgröße am Ausgang der Regeleinrichtung
yR
Tabelle 2.1.: Symbolverzeichnis
Wilhelm Gruber 15

3. Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung Beschreibung
EPDM Ethylen-Propylen-Kautschuk
I2
Jod
KI Kaliumjodid
M Molar
Ms Messing
NBR Acrynitril-Butadien-Kautschuk
N Normal
PE Polyethylen
PVDF Polyvinylidenfluorid
PWM Pulsweitenmodulation
Tabelle 3.1.: Abkürzungsverzeichnis
16

4. Grundlagen
Fermenter bieten die Möglichkeit, Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen, Schimmelpilze
sowie pflanzliche und tierische Zellen unter sterilen und optimalen Bedingungen
für Produktbildungen wachsen zu lassen. Hierbei werden für das Wachstum
wichtige Parameter wie Sauerstoffsättigung, pH-Wert und Temperatur standardmäßig
erfasst und geregelt. Für eine Beurteilung einer erfolgreichen Fermentation
können in bestimmten Zeitabschnitten Proben aus dem Fermenter genommen und
auf Zelldichte und Stoffwechselprodukte wie Laktat, Harnstoff sowie auf das gebildete
Produkt hin untersucht und beurteilt werden.
4.1. Fermentertypen
In der Bioverfahrenstechnik finden je nach Verwendungszweck und Größenanforderung
verschiedenste Arten von Bioreaktoren ihre Anwendung. Die Stärken und
Schwächen der verschiedenen Reaktoren werden im Folgenden beschrieben.
4.1.1. Rührkessel-Fermenter
Der Rührkessel-Fermenter ist der wichtigste und vielseitigste Reaktortyp in der
Bioverfahrenstechnik. Man findet Rührkessel-Fermenter von 1 l Inhalt im Laborbetrieb
bis zu mehreren Kubikmetern in Produktionsanlagen. Der Grund für die
weite Verbreitung liegt in seinem weitem Feld von Einsatzgebieten. Dieser erstreckt
sich über einen großen Viskositätsbereich und der Flexibilität bei der Umsetzung
der gewünschten Prozessbedingungen.
Abbildung 4.1.: Rührkessel-Fermenter
17

4.1.2. Blasensäulen-Fermenter
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Blasensäulen-Fermenter sind relativ einfach gebaute Apparate, in denen im unteren
Abschnitt das Gas mittels einer Vorrichtung eingeblasen wird. Dadurch das der
Inhalt durch das Einblasen von Gas belüftet und durchmischt wird, können sehr
große Anlagen mit niedrigviskosen Medien kostengünstig betrieben werden. Ein
großes Einsatzgebiet ist beispielsweise die aerobe Abwasserbehandlung.
4.1.3. Airlift-Fermenter
Abbildung 4.2.: Blasensäulenfermenter
Die undefinierten Stömungsverhältnisse in der Flüssigphase der Blasensäulen-Fermenter
können durch den Einsatz von Strömungsleitrohren verbessert werden. Folgende
Abbildungen zeigen Airlift-Fermenter mit innerem und äußerem Umlauf.
Durch die Belüftung des Steigrohres und Abtrennung der Gasphase im Kopfraum
entsteht zwischen Steig- und Fallrohr ein Unterschied im hydrostatischem Druck,
der eine gleichförmige und relativ schnelle Zirkulationsströmung der Flüssigkeit
verursacht. Aus diesem Grund kann der Airliftfermenter besonders bei großen Fermenterhöhen
Vorteile bieten.
Abbildung 4.3.: Airlift-Fermenter mit innerem und äußerem Umlauf
Wilhelm Gruber 18

4.2. Zellwachstum
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Das Zellwachstum ist abhängig von den äußeren Wachstumsbedingungen. Je besser
die Umgebungsbedingungen an einen Organismus angepasst sind, um so schneller
findet ihr Wachstum statt.
Abbildung 4.4.: Wachstumskurve einer Batch-Fermentation
1. Lag-Phase: Nach Animpfen der Kultur adaptieren die Mikroorganismen an
die Bedingungen des Mediums. Hierbei stellen sich die Enzymsysteme auf die
vorhandenen Nährstoffe ein. Je mehr sich Vorkultur und Medienzusammensetzung
des Fermenters unterscheiden, um so länger dauert die Lag-Phase.
2. Beschleunigungs-Phase: Ist die Phase nach der Adaption an das neue
Medium in der die Wachstumsrate auf das Maximum ansteigt.
3. Logarithmische-Phase: Hier ist die Phase des maximalen Wachstums. Das
Wachstum wird weder durch Substratlimitierung noch durch Produktinhibition
gehemmt.
Das Zellwachstum in der Logarithmischen-Phase lässt sich nach folgender
Formel beschreiben.
N = N0 · exp μ·t
(4.1)
Wilhelm Gruber 19

Symbol Beschreibung Einheit
N Zelldichte 1/ml
N0 Ausgangszelldichte 1/ml
μ Wachstumsrate 1/s
t Zeit s
Tabelle 4.1.: Formelzeichen: Zellwachstum
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
4. Übergangs-Phase: Nach dem starken Wachstum ist irgendein Nährstoff
verbraucht bzw. der Stoffwechsel durch eigene Produktbildung gehemmt
(z.B. Alkohol während der Gärung). Die Zellen verzögern ihr Wachstum.
5. Stationäre-Phase: Nachdem der Kohlenstoff aufgebraucht oder ein wachstumshemmendes
Stoffwechselendprodukt angereichert ist, bleibt die Zellmasse
konstant. In manchen Fällen werden hier sekundäre Stoffwechselprodukte
wie Antibiotika synthetisiert.
6. Absterbe-Phase: In dieser Phase sind die Energiereserven der Zelle erschöpft
und sämtliche Stoffwechselaktivitäten kommen zum erliegen. In der
Regel wird die Fermentation gestoppt und die Zellmasse geerntet, bevor die
Absterbe-Phase beginnt.
4.2.1. Sauerstoffversorgung
In der Industrie finden meist aerobe Fermentationsprozesse statt. Das heißt, daß
Sauerstoff als wesentliches Substrat verwendet wird. Da die Löslichkeit von Sauerstoff
limitiert ist (aus der Luft nur etwa 9, 4 g/m 3 bei20°Caus[2])mußSauerstoff
kontinuierlich zugeführt werden. Für ein ungehindertes Wachstum benötigen Mikroorganismen
eine minimale Sauerstoffkonzentration. Fällt der Wert des gelösten
Sauerstoffs unter die kritische Konzentration verlangsamt sich ihr Wachstum. Ist
der gelöste Sauerstoff größer als die kritische Konzentration, so sind keine Unterschiede
feststellbar.
4.2.1.2. Löslichkeit von Sauerstoff in Flüssigkeiten
Für Luft (21 Vol.% O2):
Für reinen Sauerstoff:
C ∗ O2
C ∗ O2
0, 526 · p[bar]
= [kg/m
36 + T [C]
3 ] (4.2)
2, 506 · p[bar]
= [kg/m
36 + T [C]
3 ] (4.3)
Wilhelm Gruber 20

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
4.2.1.1. Kritische Sauerstoffkonzentrationen einiger Mikroorganismen
Organismus Ckrit [g/m 3 ]
Escherichia coli 0,1 -0,26
Saccharomyces cerevisiae 0,12 - 0,15
Pseudomonas denitrificans 0,3
Penicilium chrysogenum 0,3 - 0,7
Aspergillus oryzae 0,64
Acetobacter vinelandii 0,6 - 1,6
Pseudomonas ovalis 1,1
Tabelle 4.2.: Kritische Sauerstoffkonzentrationen einiger Mikroorganismen
Gelöste Substanzen verringern meist die Löslichkeit von Sauerstoff. Dies kann
durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
CLösung = CWasser · e (−α·Ci)
Symbol Beschreibung Einheit
C ∗ O2 gelöste Sauerstoffkonzentration g/m 3
p Druck bar
T Temperatur °C
α Löslichkeitskoeffizient m 3 /kg
Ci Konzentration des gelösten Stoffes kg/m 3
4.2.1.3. Sauerstoffaufnahme
Tabelle 4.3.: Formelzeichen: Sauerstofflöslichkeit
(4.4)
Für das Wachstum und der Produktbildung wird in den allermeisten Fällen Sauerstoff
als Substrat verwendet. Für eine Bilanzierung müssen neben dem verwendetem
Substrat noch die Zellzahl mit berücksichtigt werden. Als Richtwerte können
folgende Werte für die Auslegung der Sauerstoffversorgung verwendet werden:
4.2.1.4. Richtwerte für den Sauerstoffbedarf von Mikroorganismen
4.2.1.5. Sauerstoffeintrag
Der Sauerstoffeintrag beschreibt die effektive Geschwindigkeit des Sauerstoffüberganges
von der Gasphase in die Flüssigphase. Die Übergangsgeschwindigkeit von
Wilhelm Gruber 21

Substrat Sauerstoffbedarf
[kgO2/kgT M]
Glukose 0,6 - 0,8
Ethanol 1,6 - 2,4
Methanol 1,6 - 2,5
Alkane 1,7 - 2,0
Methan 5,0 - 5,6
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Tabelle 4.4.: Sauerstoffbedarf von Mikroorganismen aus [2]
der gasförmigen in die flüssig Phase hängt von dem volumenbezogenen Stoffübergangskoeffizienten,
dem kLa-Wert, und der Konzentrationsdifferenz zwischen gesättigter
O2− und aktueller O2-Konzentration ab.
OTR = dCO2
dt = kLa � C ∗ �
O2 − CO2
(4.5)
Unter der Voraussetzung, dass zum Zeitpunkt t =0die die Sauerstoffkonzentration
CO2 =0g/m3 ist und kein Sauerstoff verbraucht wird, lässt sich der Verlauf der
Sauerstoffkonzentration bei voller Begasung errechnen.
dCO2
C∗ �
− CO2
O2
1
C
= kL · a · dt
∗ · dCO2
− CO2
O2
=
�
kL · a · dt
− ln(C ∗ O2 − CO2)+Konstante = kL · a · t =⇒ für Konstante = −lnC
ln(C ∗ O2 − CO2) − ln C = −kL · a · t
(C∗ − CO2)
O2
C
= exp kL·a·t
− C · expkL·a·t
CO2 = C ∗ O2
Durch Einsetzen der Randbedingung ergibt sich folgende Gleichung:
0 = C ∗ O2 − C · expkL·a·0
C = C ∗ O2
CO2 = C ∗ O2 − C∗ O2 · expkL·a·t
CO2 = C ∗ O2
� 1 − exp kL·a·t �
(4.6)
Wilhelm Gruber 22

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Symbol Beschreibung Einheit
OTR Sauerstofftransferrate g/ (m 3 · s)
C ∗ O2 max. gelöste Sauerstoffkonzentration g/m 3
CO2 aktuell gelöste Sauerstoffkonzentration g/m 3
kLa Volumenbezogene Stoffübergangskoeffizient 1/s
t Zeit s
Tabelle 4.5.: Formelzeichen: Sauerstofftransportgeschwindigkeit
4.2.1.6. Bestimmungsmethoden des kLa-Werts
Der kLa-Wert ist ein wichtiger Parameter der bei der Entwicklung von Rührorganen
verwendnet wird. Durch ihn lässt sich die Effizienz des Sauerstoffeintrages
greifbar machen. In der Praxis werden verschiedene Methoden für die Bestimmung
des kLa-Wertes verwendet. Da der kLa-Wert von sehr vielen Faktoren
(Medium-Zusammensetzung, Rührerdrehzahl, Blasengröße, Temperatur, Druck,
...) abhängt, lässt er sich nur unter gleichbleibenden Bedingungen annähernd reproduzierbar
bestimmen.
dynamischen Methode
Bei der dynamischen Methode wird der kLa-Wert während der Fermentation bestimmt.
Man unterbricht dabei die Sauerstoffzufuhr für kurze Zeit und mißt mit
einer schnell ansprechenden Elektrode den Verlauf des gelösten Sauerstoffs. Nach
Abbildung 4.5.: Schematische Darstellung der dynamischen Methode zur Bestimmung
des kLa-Wertes
Abdrehen der Sauerstoffzufuhr entsteht durch den Sauerstoffverbrauch eine lineare
Wilhelm Gruber 23

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Abnahme der Sauerstoffkonzentration, dessen Steigung der Sauerstoffverbrauchsrate
mal der Zelldichte entspricht.
dCL
dt = kLa · (C ∗ − CL) − QO2 · X (4.7)
Im stationären Zustand ist dCL =0. Durch Umstellung der Gleichung (4.7) kann
dt
dann der kLa-Wert berechnet werden.
Die Sulfit-Methode
kLa = QO2 · X
C ∗ − CL
(4.8)
Die Sulfit-Methode ist für die Bestimmung des kLa-Wertes in biologischen Systemen
weniger geeignet, da sie nicht in einer Nährlösung angewendet wird. Vielmehr
wird diese Methode benützt, um Begasungssysteme oder Rührereigenschaften vergleichbar
zu machen.
Versuchsdurchführung
Bei der Sulfit-Methode wird der Reaktor anstatt des Nährmediums mit einer
Natriumsulfit-Lösung (0,5 N, pH 8) befüllt. Durch den Lufteintrag wird NatriumsulfitunterderkatalytischenWirkungvonCo
2+ oder Cu 2+ (1 mmol) zu Natriumsulfat
oxidiert.
2 Na2SO3 + O2
Co 2+ ,Cu2+
−→ 2 Na2SO4 (4.9)
Durch den totalen Verbrauch an Gelöstsauerstoff gemäß (4.9) ist die Gelöstsauerstoffkonzentration
CL =0, so daß man die Sauerstoffübergangsrate OTR ermitteln
kann. Nachdem der Nullwert bestimmt ist, wird die Lösung belüftet und während
4 bis 20 min unter den zu testenden Bedingungen gerührt. Nach dieser Zeit werden
5 ml Probe entnommen und sofort in eine frische 1 l Iodlösung (50 mmol I2, 240
mmol KI) pipettiert.Die Rücktitration findet dann mit 0,1 N Natriumthiosulfatlösung
mit 1% -iger Stärke-Lösung statt.
Der Sauerstoffübergang OTR berechnet sich dann:
X
t
� �
min
· 300 = kLa · C
h
∗
(4.10)
Wilhelm Gruber 24

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Symbol Beschreibung Einheit
X Verbrauch an 0,1 N Thiosulfat-Lösung l
t Oxidationszeit in Minuten min
kLa · C ∗ Stoffübergang 1/h
Tabelle 4.6.: Formelzeichen: Sulfit-Methode
4.2.2. Temperatur-Einfluss auf die Wachstumsrate
Die Abbildung 4.6 verdeutlicht den starken Temperatureinfluss auf die Wachstumsgeschwindigkeit
von Mikroorganismen. Im Bereich unterhalb des Temperaturoptimums
bewirkt eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C eine Verdoppelung
der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit. Bereits 10 °C bis 25 °C unterhalb des
Temperatur-Optimums geht die spezifische Wachstumsgeschwindigkeit praktisch
auf Null zurück. Die rasche Abnahme der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit
oberhalb des Optimums ist auf die teilweise oder vollständige Denaturierung
der makromolekularen Bestandteile, besonders der Proteine zurückzuführen. Im
denaturierten Zustand können sie ihre Funktion als Strukturkomponente oder Katalysator
nicht mehr erfüllen.
Abbildung 4.6.: maximale spezifische Wachstumsgeschwindigkeit (μmax) von
Escherichia coli als Funktion der Wachstums-Temperatur (aus Pirt, 1975)
4.2.2.1. Einfluss der Temperatur auf das Wachstum und die biologische
Aktivität
• Temperaturstabilität von Strukturen und Strukturkomponenten der Zelle
• Temperaturabhängigkeit der biochemischen Reaktionsgeschwindigkeit
Wilhelm Gruber 25

4.2.3. pH-Wert
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Im Gegensatz zur Temperaturabhängigkeit ist die pH-Abhängigkeit fast symmetrisch
bezüglich des Optimums. Optimales Wachstum ist innerhalb von 1 bis 2 pH-
Einheiten möglich. Das Wachstum innerhalb eines Bereichs von 5 pH-Einheiten.
4.2.3.1. Einfluss des pH-Werts auf den Organismus
• Er kann das Endprodukt des Metabolismus ändern
• Er kann die elementare oder molekulare Zusammensetzung ändern
• Die Zellmorphologie kann beeinflusst werden
• Die Zusammensetzung der Zellwand und der Zellumhüllung wird verändert
Abbildung 4.7.: maximale spezifische Wachstumsgeschwindigkeit (μmax) von
Escherichia coli als Funktion des pH-Wertes der Nährlösung (aus Pirt, 1975)
4.2.3.2. Pufferlösungen
Pufferlösungen besitzen die Eigenschaft den pH-Wert einer Lösung in einem gewissen
Bereich konstant zu halten. Dadurch, daß eine Pufferlösung relativ hohe
Konzentrationen einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base enthält, können
zugeführte H + -Ionen von der konjungierten Base und OH − -Ionen von der
vorhandenen Säure abgebunden werden.
Wilhelm Gruber 26

4.2.3.3. Herleitung der Henderson-Hasselbalch-Gleichnung
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Folgende Gleichung beschreibt die Dissoziation einer Säure (HA) in wässriger Lösung.
Dabei tritt das Wasserstoff-Proton von der Säure über und kann von einem
Wassermolekül (Protonenakzeptor) aufgenommen werden.
HA
����
Säure
+H2O ⇋ H3O +
� �� �
W asserstoff−
Ionenkonzentration
+ A −
����
konjugierte
Basenkonzentration
(4.11)
Jede Säure besitzt eine unterschiedliche Fähigkeit Protonen ins Wasser abzugeben.
Säuren, die eine geringe Tendenz zeigen Protonen abzugeben werden als schwache
Säuren, solche, die sehr leicht Protonen abgeben als starke Säuren bezeichnet. Die
Neigung wie leicht eine Säure Protonen abgeben kann wird durch die Dissoziationskonstante
(KS) beschrieben.
[H3O + ] · [A − ]
[HA] · [H2O]
= KS
(4.12)
Durch Eliminierung des Wassers vereinfacht sich dieser Zusammenhang wie folgt:
[H + ] · [A − ]
[HA]
= KS
(4.13)
Da der pH-Wert als negativ dekadischer Logharihmus der Wasserstoffionen-Konzentration
definiert ist, wird auf [H + ] aufgelöst und der negative Logarithmus auf beiden Seiten
eingeführt
−log � H +�
� �� �
pH
� H + � = KS · [HA]
[A − ]
= −logKS
� �� �
pKS
−log [HA]
[A − ]
(4.14)
(4.15)
Durch Änderung der Vorzeichen ergibt sich die Henderson-Hasselbalch-Gleichung
[pH] =pKS + log [A− ]
[HA]
oder in der allgemeinen Formulierung:
[P rotonenakzeptor]
[pH] =pKS + log
[P rotonendonor]
(4.16)
(4.17)
Wilhelm Gruber 27

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Symbol Beschreibung Einheit
HA Säure mol/l
H + Wasserstoff-Ionenkonzentration mol/l
A − konjungierte Basenkonzentration mol/l
KS Dissoziationskonstante -
pH negativ dekatische Logarithmus -
der Wasserstoffionenkonzentration
pKS negativ dekatische Logarithmus -
der Dissoziationskonstante
Tabelle 4.7.: Formelzeichen: Pufferkapazität
4.2.3.4. Einfluss von Kohlendioxid auf den pH-Wert
In manchen Fällen kann es vorkommen, das der pH-Wert nicht durch die Zugabe
von Säuren und Laugen, sondern durch Kohlendioxid geregelt wird. Dieses
geschieht unter der Tatsache, daß CO2 in Wasser gelöst Kohlensäure bildet.
4.3. Sonden
4.3.1. O2-Elektrode
CO2 + H2O ⇋ H + + HCO − 3
(4.18)
Der gelöste Sauerstoff ist in der aeroben Fermentation einer der wichtigsten Parameter.
Dieser wird in der Regel mit einer Sauerstoffelektrode nach dem Clark-
Prinzip bestimmt.
Wilhelm Gruber 28

4.3.1.1. Aufbau einer pO2-Elektrode
Abbildung 4.8.: Aufbau einer pO2-Elektrode
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Wilhelm Gruber 29

Abbildung 4.9.: pO2-Elektrode
4.3.1.2. Funktionsprinzip O2-Elektrode
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Die Membran der Sauerstoffelektrode trennt den Fermenterinhalt mit dem Elektrolyt-Elektroden-System.
Sauerstoff dringt durch die Membran in die Elektrolyt-
Lösung und wird dort zu OH-Ionen reduziert. Aus dieser Reaktion entsteht zwischen
Kathode und Anode ein elektrischer Strom, der dem Sauerstoff-Partialdruck
proportional ist.
Kathode : O2 +4e − +2H2O → 4OH −
Anode :4Ag +4Cl − → 4AgCl +4e −
gesamt : O2 +4e − +2H2O +4Ag +4Cl − → 4OH − +4AgCl +4e −
Folgende Parameter haben Einfluss auf den eindiffundierenden Sauerstoff und damit
auf die Größe des Elektrodenstromes:
• Sauerstoffpartialdruck
• Membran-Material und -Dicke
• Größe der Kathode
•Temperatur
• Strömungsverhältnisse in der Messlösung
Das Fick’sche Gesetz beschreibt diesen Zusammenhang
ipO2 = K ·
A · P · pO2
d
(4.19)
Wilhelm Gruber 30

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Symbol Beschreibung Einheit
ipO2 Elektrodenstrom A
pO2 Sauerstoffpartialdruck mmol/l
K Konstante A s l / mm 2 mmol
P Membranpermeabiliät mm/s
A Kathodenoberfläche mm 2
d Membrandicke mm
Tabelle 4.8.: Formelzeichen: Fick’sches Gesetz
4.3.1.3. Ansprechverhalten einer Sauerstoffelektrode mit gasdurchlässiger
Membran
Ein Nachteil dieser Elektrode ist die Zeitverzögerung des Messsignals, die durch
die Diffusion des Sauerstoffs durch die Membran verursacht wird. Sie kann durch
folgende Formel beschrieben werden:
�
CE = C
1 − exp −t
τ E
�
(4.20)
Die von Mettler-Toledo gelieferte pO2-Elektrode erreicht nach 90s 98% des Mes-
Symbol Beschreibung Einheit
CE angezeigte Konzentration g/m 3
C wirkliche Konzentration g/m 3
t Zeit s
τE Zeitkonstante s
Tabelle 4.9.: Formelzeichen: Zeitverzögerung des Messsignals
sendwertes. Hieraus ergibt sich für τE folgender Wert:
τE =
−t
ln � 1 − CE
τE =
�
C
−90s
ln
(4.21)
� 1 − 98
�
100
(4.22)
τE = 23s (4.23)
Wilhelm Gruber 31

4.3.2. Temperatur-Sonde
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Zur Messung der Temperatur werden in Bioreaktoren vor allem Pt-100-Widerstands-thermometer,
die in Stahlschutzrohre eingebaut sind, verwendet. Im Gegensatz
zu Thermistoren sind sie sehr stabil und weisen einen linearen Temperaturkoeffizienten
über einen großen Temperaturbereich auf. Die Bezeichnung Pt-100
bedeutet, dass bei T = 0 °C der Ohmsche Widerstand bei 100 Ω liegt.
4.3.3. pH-Elektrode
4.3.3.1. Aufbau einer pH-Elektrode
Abbildung 4.10.: Aufbau einer pH-Elektrode
4.3.3.2. Funktionsprinzip einer pH-Elektrode
Eine pH-Elektrode besteht aus einer Mess- und einer Bezugselektrode. Taucht man
nun eine pH-Elektrode in ein wässriges Medium, so bildet sich an der äußeren und
inneren Seite des pH-sensitiven Membranglasses eine Quellschicht aus. Je nach pH-
Wert der Lösung diffundieren H + -Ionen in die Quellschicht hinein oder heraus.
Ist die Messlösung sauer, so treten Wasserstoffionen in die Quellschicht hinein,
wobei sich ein positives Potential an der Quellschicht-Außenseite bildet. Da die
Glasmembran an der Innenseite einen gleichbleibenden pH-Wert besitzt, ist dort
das Potential während der Messung konstant. Die entstehende Spannung resultiert
aus der Potentaldifferenz zwischen Außen- und Innenseite.
Uel = U0 − S · (pHa − pHi) (4.24)
Wilhelm Gruber 32

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Symbol Beschreibung Einheit
Uel Elektrodenspannung V
U0 Nullpunktspannung V
S Steilheit V/pH-Einheit
pHi pH-Wert des Innenpuffers 1
pHa pH-Wert des Messmediums 1
Tabelle 4.10.: Formelzeichen: Elektrodenspannung
Abbildung 4.11.: Funktionsprinzip der pH-Elektrode aus [8]
4.4. Prozessregelung
Um den Mikroorganismen im Bioreaktor ein optimales Wachstum zu ermöglichen,
müssen alle für eine Fermentation benötigten Prozessparameter wie Temperatur,
pH-Wert und Sauerstoffsättigung gemessen und bei Bedarf nachgeregelt werden.
Da sich während einer Fermentation die Messgrößen nur langsam ändern, und Mikroorganismen
leichte Abweichungen des Optimums gut zu tolerieren vermögen,
kann auf einfache Bauteile und Regelungen zurückgegriffen werden. Bei der Regelung
des Fermenters werden deshalb nur schaltende Bauteile wie Magnetventile
und Schlauchpumpen verwendet. Im folgenden werden zwei Regelungsverfahren
beschrieben, mit denen man die Prozessregelung realisieren kann.
4.4.1. Zweipunktregelung
Zweipunktregler gehören zu der Gruppe der unstetigen Regler. Kennzeichen dieser
Regler ist, daß die Stellgröße nur zwei Zustände von 0 % und 100 % einnehmen können.
In der Praxis werden diese Regler eingesetzt, wenn es darum geht, möglichst
preiswerte Alternativen zu stetigen Reglern zu finden. Infolge der ein- und ausschaltenden
Stellgröße erreicht die Regelgröße keinen Beharrungszustand, sondern
führt um ihn herrum ständige Schwankungen aus (Arbeitsbewegung). Die Amplitude
der Arbeitsbewegung ergibt sich aus der Schaltdifferenz zuzüglich der aus der
Wilhelm Gruber 33

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Totzeit resultierenden Überschwingbewegungen. Durch sehr kleine Schaltdifferenzen
können sehr genaue Regelungen realisiert werden. In der Praxis werden diese
aber durch die elektromechanischen Eigenschaften der Schaltbauteile begrenzt.
In folgender Grafik wird die Zweipunktregelung dargestellt werden.
Abbildung 4.12.: Zeitlicher Verlauf der Regel-und Stellgröße eines Regelkreises bestehend
aus einer P − T1-Strecke mit Totzeit und einem Zweipunktregler
4.4.1.1. Berechnung des Mittelwerts der Regelschwingung x3
�
x1 = w +(xE − w) ·
1 − e −Tt T1 �
(4.25)
mit xE = yRmax · KS (4.26)
x2 = w · e −T t
T 1 (4.27)
x3 = x1 + x2
2
x3 = 1
� �
xE
2
1 − e −Tt T1 �
+2w · e −T � t
T1 (4.28)
(4.29)
Wilhelm Gruber 34

4.4.1.2. Berechnung der Schwankungsbreite 2 · x0
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
2 · x0
2 · x0
=
=
x1 − x2
�
w +(xE − w) · 1 − e
(4.30)
−T � t
T1 − w · e −T 2 · x0 =
t
T1 �
xE 1 − e
(4.31)
−T � t
T1 (4.32)
(4.33)
4.4.2. Pulsweitenmodulierte Regelung
Viele Systeme wie z.B. Klimaanlagen, die lange Totzeiten bzw. große Zeitkonstanten
aufweisen, lassen sich mit einer klassischen Zweipunktregelung schlecht
realisieren. Hierfür werden andere Regelungstechniken wie PI-Regler mit nachgeschaltetem
Pulsweitenmodulator verwendet. Die Funktionsweise lässt sich anhand
folgender Abbildung 4.13 erklären.
4.4.2.1. graphische Darstellung einer PI-Regelung mit nachgeschalteter
Pulsweitenmodulation (Abb. 4.13)
Die Regelabweichung wird durch einen PI-Regler in ein Spannungssignal umgewandelt.
Mit einem Sägezahngenerator und einem Schmitt-Trigger können nun
Schaltzeiten generiert werden, die dem Spannungssignal proportional sind.
4.4.2.2. Reglereinstellung nach der Probiermethode
1. Zunächst wird Verstärkung KP des P-Reglers eingestellt. Hierfür wird die
Nachstellzeit Ti des I-Reglers auf unendlich, die Verstärkung KP auf einen
sehr kleinen Wert gestellt.
2. Die Verstärkung des P-Reglers wird solange erhöht bis das System zu Schwingen
anfängt.
3. Die Verstärkung KP -halbieren und dann die Nachstellzeit Ti verkleinern, bis
Regeldifferenz in einer akzeptablen Zeit ausgeregelt ist.
Wilhelm Gruber 35

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Abbildung 4.13.: PI-Regelung mit nachgeschaltetem Pulsweitenmodulator
Wilhelm Gruber 36

4.4.3. pO2-Regelung
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Die pO2-Regelung ist neben der Temperaturregelung die wichtigste Regelung während
einer Fermentation. Während pH-Wert-Schwankungen gut tolerierbar sind,
wird von der Sauerstoffversorgung das Wachstum und die Stoffwechsellage stark
beeinflußt. Die Begasung kann entweder durch Zutakten von Luft bzw., wenn diese
nicht ausreichend ist, durch reinen Sauerstoff erfolgen.
4.4.4. pH-Regelung
Die gewöhnlichste Art der pH-Regelung ist die Zuführung von Säure und Lauge.
Hierbei wird in der Regel die Säure und Lauge des Salzes verwendet. Das heißt,
bei Verwendung eines Kalium-/Natriumphosphat-Puffers wäre die Phosphorsäure
und Natronlauge hierfür geeignet. Bei bestimmten Zelltypen wie Säuger- und
Pflanzenzellen kann die pH-Regelung durch Zutaktung von CO2 erfolgen.
Anhand der Abbildung 4.7 auf Seite 20 erkennt man, daß die pH-Verträglichkeit
eine größere Toleranzbreite zuläßt. Für die Praxis heißt das, daß der pH-Wert erst
nach Überschreiten der Toleranzgrenze nachgeregelt werden muß. Gar keine oder
eine zu kleine Toleranzgrenze würde zu einem ständigem Ansprechen der Säureund
Laugenpumpe führen, und somit die Salzmolarität des Nährmediums mit der
Zeit erhöhen.
4.4.4.1. Berechnung der Zugeführten Menge an Säure und Lauge bei
Überschreiten der pH-Toleranzgrenze am Beispiel eines
Escherichia coli-Nährmediums:
Substanz Molekulargewicht Einwaage Molarität
[g/mol] [g] [mmol]
Glukose (C6H12O6) 180,15 20,0 111
(NH4) 2 SO4 132,14 3 22,7
KH2PO4 136,08 1,00 7,3
K2HPO4 174,17 0,16 0,92
MgSO4 · 7H2O 246,47 0,70 2,8
NaCl 58,06 0,5 8,6
Ca(NO3) 2 · 4H2O 236,11 0,4 1,69
ad 1000 ml Leitungswasser, pH 6,3
Tabelle 4.11.: Nährmedium nach Reader [1]
In der vorliegenden Nährstoffzusammensetzung handelt es sich um ein Hydrogen-
Dihydrogenphosphat-Puffersystem mit einem pKS − Wert von 6,8 nach [6]. An-
Wilhelm Gruber 37

KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
hand der Eingewogenen Salzmengen lässt sich hier nach (4.16) der pH-Wert und
die pH-Wert-Änderungen durch Zugabe von Säure und Lauge berechnen.
Mit dem Puffersystem mit den verwendeten Einwaagen an Phosphatsalzen ergibt
sicheinpHWertvon:
� � 2−
HPO4 pH = pKS − lg �
H2PO −� 4
(4.34)
[0, 92 mmol]
pH =6, 8 − lg
[7, 3 mmol]
(4.35)
pH =7, 7 (4.36)
Wird nun eine pH-Toleranzgrenze von ±0, 2 pH-Einheiten über oder unterschritten,
so ergeben sich folgende Zudosierungen an Säure und Lauge.
Rechenbeispiel
Dieses Rechenbeispiel ist nur eine grobe Annäherung, da hier die Einflüsse der
anderen Salze, der Temperatur, des gelösen CO2 und der mehrstufigen Dissoziation
der Phosphorsäure nicht berücksichtigt wurden.
pH-Wert überschreitet pH 7,9 pH-Wert unterschreitet pH 7,5
Säurezugabe 0,5 M H3PO4
Laugenzugabe 0,5 M NaOH
7, 9=6, 8 − lg
7, 9 − 6, 8=lg
10 −1,1 =
[0,92 mmol−x]
[7,3 mmol+x]
[0,92 mmol−x]
[7,3 mmol+x]
[0,92 mmol−x]
[7,3 mmol+x]
7, 5=6, 8 − lg
7, 5 − 6, 8=lg
10 −0,7 =
[0,92 mmol+x]
[7,3 mmol−x]
[0,92 mmol+x]
[7,3 mmol−x]
[0,92 mmol+x]
[7,3 mmol−x]
0, 079 · (7, 3 mmol + x) =0, 92 mmol − x 0, 200 · (7, 3 mmol − x) =0, 92 mmol + x
⇒ x =0, 315 mmol ⇒ x =0, 4473 mmol
Wilhelm Gruber 38

Umrechnung auf 0,5 M Säure und Lauge
0,315 mmol
0,5 M
=0, 00063Vol
0,4473 mmol
0,5 M
d.h. je Liter Fermentervolumen
=0, 0008953Vol
0, 63 ml Säure 0, 9 ml Lauge
KAPITEL 4. GRUNDLAGEN
Tabelle 4.12.: Beispielrechnung: pH-Wert-Änderung
4.4.5. Antischaum-Regelung
Durch die Begasung und das Rühren entsteht im Fermenter Schaum. Dieser wirkt
störend, da er Protein denaturiert und die Abluftfilter zusetzt. Durch entsprechende
Antischaum-Mittel kann diese Schaumbildung verhindert werden. Dieses
Antischaum-Mittel wird erst zugegeben wenn der Schaum im Fermenter eine gewisse
Höhe erreicht hat.
Wilhelm Gruber 39

5. Konstruktion
5.1. Konstruktionsauslegung und
Materialanforderungen
5.1.1. Transportwagen
Der Transportwagen wurde so gestaltet, daß alle Komponenten, die für den Betrieb
einer Fermentation benötigt werden, in einer platzsparenden Weise untergebracht
werden können. Die Tiefe des Wagens wurde so gewählt, daß der Fermenter durch
jede Türe im Haus passt. Dadurch, daß die Gasflaschen mitgeführt werden können,
wurden die Rollen so ausgewählt, daß sie dieser Belastung Stand halten.
5.1.2. Anforderungen an die Ventile
Für eine ausreichende Begasung des Fermenters werden Begasungsraten zwischen
15 und 120 m 3 /(m 3 ·h) verwendet. Für unseren 10 l Bioreaktor entspricht dies einerBegasungsratevon2LiterLuft(Sauerstoff)aufeinenLiterFermenterkultur
je Minute. Im Höchstfall werden also 20 Liter Luft (Sauerstoff) je Minute eingeblasen.
Bei der Auswahl der Magnetventile sollte darauf geachtet werden, daß sie
für Sauerstoff und für Dauerbelastung geeignet sind.
5.1.3. Begasungs-Schläuche
Die Gasschläuche im Inneren des Gehäuses bestehen aus sauerstoffbeständigem
Polyurethan die sehr gut auch für den Einsatz von Steckverbindungen geeignet ist.
Mit dem Außendurchmesser von 6 mm hält dieser Schlauch einem Betriebsdruck
von 10 bar stand.
5.1.4. Schlauchpumpen
Bei der Auswahl für Säure-, Lauge- und Antischaum- Schlauchpumpen genügen
einfachere Modelle, die nicht für den Dauerbetrieb geeignet sein müssen. Als geeignet
stellten sich die von der Firma Rietschle Thomas angebotenen Schlauchpumpen
40

KAPITEL 5. KONSTRUKTION
SR 10/30 DC heraus, die direkt an die Digitalausgänge der Elektronikbox angeschlossen
werden können. Der Volumenstrom von 20 − 80 ml/min ist vollkommen
ausreichend, da während des Betriebs nur kurze Impulse zugetaktet werden.
5.1.5. Armaturen
Für die Einstellung des Betriebsdruckes müssen die Druckregler und Manometer
ebenfalls für Sauerstoff geeignet und damit ölfrei sein. Da der Fermenter nur einen
maximalen Betriebsdruck von 1,5 bar Überdruck zulässt, sollten aufgrund der Genauigkeit
die Armaturen den doppelten Wert (2, 5−3bar) des Überdruckes haben.
5.1.6. Schläuche, Schlauchkupplungen, Schlauchverbinder
Wichtig für Schläuche, Schnellkupplungen und Schlauchverbinder ist, daß sie autoklavierbar
und chemikalienbeständig sind. Schläuche aus Silikon, Schlauchverbinder
aus PE und Schnellkupplungen aus PVDF mit EPDM-Dichtung entsprechen
deren Anforderungen.
5.2. Aufbau des Transportwagen mit
ITEM-Profile
5.2.1. Bauanleitung und Einzelteilzeichnung
siehe Anhang Seite 90 Abschnitt A.2
5.3. Begasungssystem
5.3.1. Berechnung der Armaturengrößen
5.3.1.1. Berechnung des Gasvolumenstroms
Zur Berechnung der Ventilgröße wurde die im Katalog der Fa. Bürkert angegebenen
Berechnungsformel verwendet.
Berechnung unterkritische Gase
p2
> 0, 5 (5.1)
�
Q = 514· kv ·
Δp · p2
ρ · T
(5.2)
p1
Wilhelm Gruber 41

KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Abbildung 5.1.: Aufbau des mobilen Fermenterwagens
Berechnung überkritische Gase
p2
p1
< 0, 5 (5.3)
Q = 275· kv · p1 ·
1
√ ρ · T
Symbol Beschreibung Einheit
Q Volumenstrom m 3 /h
kv Durchflusskoeffizient m 3 /h
p1 Eingangsdruck bar
p2 Ausgangsdruck bar
Δp Druckdifferenz bar
ρ Dichte kg/m 3
T Temperatur K
Tabelle 5.1.: Formelzeichen: Gasvolumenstrom
(5.4)
Wilhelm Gruber 42

KAPITEL 5. KONSTRUKTION
5.3.1.2. Berechnung des Gasvolumenstroms durch das 2/2-Wegeventil
Der Eingangs-Gasdruck des 2/2-Wegeventil wird mit dem Flaschendruckminderer
auf den halben zulässigen Druck also rund 4-5 bar gedrosselt. Anschließend wird er
nochmals mittels eines Druckminderventils auf 0,2 - 0,5 bar Überdruck eingestellt.
Ein folgendes 2/2-Wegeventil taktet nach Bedarf Gas in den Fermenter zu.
Ausgangsdruck des 2/2-Wegeventils
Dieser richtet sich abhängig vom eingestellten Überdruck im Fermenter und der
Mediums - Füllhöhe. Als Berechnungsgrundlage des entstehenden Ausgangsdrucks
des 2/2-Wegeventils werden folgende Werte angenommen:
Dichte des Mediums: 1200 kg/m 3
maximale Füllhöhe: 30 cm
p2 = ρMedium · g · hF üll + Barometerdruck + Fermenterüberdruck (5.5)
p2 = 1200 kg
· 9, 81m · 0, 3 m +1, 013 bar +0, 1 bar
m3 s2 (5.6)
p2 = 0, 035 bar +1, 013 bar +0, 1 bar (5.7)
p2 = 1, 148 bar
Eingangsdruck des 2/2-Wegeventils
Entspricht dem eingestellten Druck des Druckminderers von 0,2 bis 0,5 bar Überdruck
gegenüber dem durch den Fermenter entgegengesetzten Ausgangsdruck. Umgerechnet
in Absolutdruck:
Minimaler Eingangsdruck: ≈1,35 bar
Maximaler Eingangsdruck: ≈1,65 bar
Berechnung des Ausströmverhaltens
p2 Ausgangsdruck 1, 148 bar
=
= =0, 85 > 0, 5 (5.8)
p1 minimaler Eingangsdruck 1, 35 bar
Hieraus erfolgt ein unterkritisches Ausströmverhalten, so dass folgende Formel für
die Berechnung des Durchflusskoeffizienten verwendet werden muss:
�
Δp · p2
Q =514· kv ·
(5.9)
ρ · T
Für die Auswahl an erhältlichen 2/2-Wegeventilen muss der Durchflusskoeffizient
durch Umstellen der Formel berechnet werden.
Wilhelm Gruber 43

kv =
kv =
514 ·
Q
� Δp·p2
ρ·T
kv =
514 ·
0, 18 m 3 /h
1, 2 m 3 /h
� (1,2 bar−1,148 bar)·1,148 bar
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
1,205·293
(5.10)
(5.11)
Ein geeignetes 2/2-Wegeventil mit einem kv-Wert von 0,23 m 3 /h liefert die Firma
Bürkert
Wilhelm Gruber 44

5.3.2. pneumatischer Schaltplan
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Wilhelm Gruber 45
Abbildung 5.2.: Pneumatikplan

5.4. Elektroinstallation
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
5.4.1. Belegung der Ein- und Ausgänge der Elektronikbox
Für den Anschluss der Sonden, Schlauchpumpen und Stellventile stehen 8 binäre
Eingänge mit einer Eingangsspannung von 24 V, 8 analoge Eingangsspannungen
von 0 - 10 V, 6 binäre Ausgänge mit 24 V und 2 analoge Ausgänge von 0 - 10 V
zur Verfügung.
Die Anschlüsse wurden folgendermaßen belegt:
binärer Belegung analoger Belegung
Eingang Eingang
1 Antischaum 1 Drehzahl
2 - 2 Temperatursonde
3 - 3 pH-Sonde
4 - 4 pO2-Elektrode
5 - 5 Sonde für O.D. (Optische Dichte)
6 - 6 -
7 - 7 -
8 - 8 -
binärer Belegung analoger Belegung
Ausgang Ausgang
1 Pumpe - Säure 1 Temperaturregelung
2 Pumpe - Lauge 2 Drehzahl
3 Pumpe - Antischaum
4 Wegeventil Luft
5 Wegeventil Sauerstoff
6 Wegeventil Stickstoff /CO2
Tabelle 5.2.: Anschlussbelegung der Elektronikbox
Wilhelm Gruber 46

5.4.2. Elektroschaltplan der Magnetventile und
Schlauchpumpen
Abbildung 5.3.: Elektroschaltplan
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Wilhelm Gruber 47

5.4.3. Anschluss der Antischaumsonde
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Abbildung 5.4.: Beschaltung Antischaum-Sonde über Niveau-Wächter
Wilhelm Gruber 48

5.4.4. Anschlussbelegung des pH-Transmitters
Abbildung 5.5.: Anschluss des pH-Transmitters
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Wilhelm Gruber 49

5.4.5. Anschlussbelegung des pO2-Transmitters
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Abbildung 5.6.: Anschluss des pO2-Transmitters
Wilhelm Gruber 50

5.4.6. Temperaturanschluss
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Abbildung 5.7.: Anschluss Temperatursteuerung mit Elektronikbox
5.4.7. Drehzahlanschluss
Abbildung 5.8.: Anschluss Drehzahlsteuerung mit Elektronikbox
5.4.8. Pin-Belegung des Verbindungssteckers
Abbildung 5.9.: Pin-Belegung Verbindungsstecker zwischen Elektronikbox und
Drehzahl- bzw. Temperatursteuerung
Wilhelm Gruber 51

Pin Anschluss
1 Istwert (4-20mA)
2 Ground
3 Sollwert (4-20mA)
4 -
5 -
Tabelle 5.3.: Steckerbelegung
5.4.9. Definieren der Analogsignale
KAPITEL 5. KONSTRUKTION
Die Elektronikbox kann analoge Eingangssignale von 0-10 V verarbeiten. Da alle
Sensoren einen Strom von max. 20 mA liefern, müssen diese Ströme über einen 500
Ω-Widerstand in eine Spannung von max. 10 V umgewandelt werden. Bis auf den
pH-Transmitter, der im pH-Bereich von 0-14 einen linearen Strom von 0-20 mA
liefert, erzeugt der Drehzahlgeber, die Temperatursonde und der pO2-Transmitter
einen Strom von 4-20 mA. Der Bereich 4-20 mA wurde bei letzteren Signalen
gewählt, da im Falle einer Funktionsstörung, die Fehlersuche erleichtert wird.
Bereichsumrechnung 0-10 V
Sensor Strombereich Untergrenze Obergrenze
Drehzahlsignal 4-20 mA -172 Upm 696 Upm
Temperatursignal 4-20 mA -37,348 °C 150,255 °C
pH-Transmitter 0-20 mA -0,1 14,215
pO2-Transmitter 4-20 mA -124,470 % 500,46 %
Tabelle 5.4.: Bereichseinstellungen der analogen Sensorsignale
Wilhelm Gruber 52