DD243296A1 - METHOD FOR THE AUTOMATIC CONTROL OF BIOTECHNICAL FABRICATION PROCESSES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung, an denen Mikroorganismen beteiligt sind. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung des Wirkungsgrades der Prozesse, die Verbesserung der Stabilitaet, das Erreichen von Stoerunanfaelligkeit, sowie die Einsparung von Arbeitskraeften. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Informationen aus Messwerten zu filtern, die eine optimale Bestimmung des Umschaltzeitpunktes fuer dynamische Prozessfuehrungen ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe so geloest, dass eine optimierende Steuerung zur Anwendung kommt, die auf Situationserkennungsverfahren basiert, deren Hauptbestandteil ein Prognosefilter ist.The invention relates to a method for the automatic control of biotechnical material conversion processes in which microorganisms are involved. The aim of the invention is the increase of the efficiency of the processes, the improvement of the stability, the achievement of disturbance, and the saving of labor. The object of the invention is to filter such information from measured values which enable an optimal determination of the switching time for dynamic process executions. According to the invention, the object is achieved in such a way that an optimizing control is used which is based on situation recognition methods whose main component is a prognosis filter.
Description
8<R<15 2<H< 5 2<Z< 5 2<V< 9.8 <R <15 2 <H <5 2 <Z <5 2 <V <9.
4. Verfahren nach Punkt 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise die Führungsgrößen Nährstoffzufuhr (Zufuhr von C- und Energiequelle, O2-, Nährsalz- und Spurenelementzufuhr) und/oder Temperatur, pH-Wert im Fermentationsmedium, Energieeintrag, Verweilzeit, Menge des Fermentationsmediums im Reaktor Verwendung finden.4. The method according to item 1,2 and 3, characterized in that preferably the reference variables nutrient supply (supply of C and energy source, O 2 -, Nährsalz- and trace element supply) and / or temperature, pH in the fermentation medium, energy input, residence time , Use amount of fermentation medium in the reactor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung, an denen Mikroorganismen, die auch genetisch verändert sein können, in Rein- oder Mischkultur beteiligt sind. Diese Prozesse können der Gewinnung von Biomasse, der Gewinnung von Produkten, der Beseitigung von Abfällen oder der Gewinnung von Energieträgern dienen.The invention relates to a method for automatically controlling biotechnical material conversion processes in which microorganisms, which may also be genetically modified, are involved in pure or mixed culture. These processes can be used for the extraction of biomass, the extraction of products, the disposal of waste or the extraction of energy sources.
Es sind Verfahren der biotechnischen Stoffwandlung bekannt, bei denen durch eine alternierende allmähliche Änderung der Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermentationssystem, wobei die Dauer der Perioden der Länge der Phasen des Zellzyklus angepaßt ist, eine Verbesserung der Effektivität des Prozesses, speziell eine Verminderung des Rohstoffeinsatzes erreicht wird.There are known methods of biotechnical conversion in which by an alternating gradual change in the carbon substrate concentration in the fermentation system, wherein the duration of the periods of the length of the phases of the cell cycle is adjusted, an improvement in the efficiency of the process, especially a reduction in the use of raw materials is achieved.
(DD-PS 140150, DD-PS 219036). . '(DD-PS 140150, DD-PS 219036). , '
Diese Zeitplansteuerung einer partiell synchronisierten Mikroorganismenpopulation arbeitet mit fest eingestellten Perioden, das heißt dieses Steuerungsprinzip berücksichtigt nicht die auftretenden Eingangsstörungen des Fermentationssystem, wie z. B.This schedule control of a partially synchronized microorganism population works with fixed periods, that is, this control principle does not take into account the input disturbances of the fermentation system such. B.
Änderungen der Temperatur, Eingangsstoffkonzentrationen, Zuflußmengen und Rohstoffqualität auf die metabolische Aktivität der Mikroorganismen im Fermentor.Changes in temperature, input material concentrations, inflow and raw material quality on the metabolic activity of microorganisms in the fermentor.
Außerdem kann die Variabilität der biologischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Dauer der Phasen des Zellzyklus, nicht berücksichtigt werden.In addition, the variability of biological properties, such as the duration of the phases of the cell cycle, can not be taken into account.
Diese Störungen und Variabilitäten bedingen jedoch verschiedene optimale Periodendauern für eine günstige Prozeßführung.However, these disturbances and variability require different optimal periods for a favorable process control.
Diese Forderung können die bisher bekannten Lösungen nicht oder bei einer off-line Steuerung nur mit stark erhöhtem Aufwand erfüllen.This requirement can not meet the previously known solutions or with an off-line control only with greatly increased effort.
Ziel der Erfindung ist die Erhöhung des stofflichen und energetischen Wirkungsgrades des Prozesses, die Verbesserung der Stabilität, das Erreichen von Störunanfälligkeit, sowie die Einsparung von Arbeitskräften für die Prozeßführung.The aim of the invention is to increase the material and energy efficiency of the process, improving the stability, the achievement of susceptibility to interference, and the saving of labor for process control.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, on-line solche Informationen aus den Prozeß charakterisierenden Meßwerten zu filtern, die eine optimale Bestimmung des Umschaltzeitpunktes für dynamische Prozeßführung ermöglichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß eine optimierende Steuerung zur Anwendung kommt, die auf Situationserkennungsverfahren basiert, deren Hauptbestandteil ein Prognosefilter ist. Der Aufbau des entsprechenden Filters kann sowohl hardware-mäßig als auch software-mäßig erfolgen. Von der Steuerung wird ein mehrdimensionaler Merkmalsvektor (wichtige Meßgrößen) zyklisch erfaßt, nach einem speziellen Sinnfälligkeitstest auf der Grundlage von GrenzwertVÄnderungsgeschwindigkeitstest der Prozeßgrößen und einem Zeitreihentest auf Vertrauenswürdigkeit geprüft und dem Prognosefilter zugeführt.The invention has for its object to filter on-line such information from the process characterizing measured values, which allow an optimal determination of the switching time for dynamic process control. According to the invention the object is achieved so that an optimizing control is used, which is based on situation detection method, whose main component is a prognosis filter. The structure of the corresponding filter can be done both hardware-wise and software-moderately. A multi-dimensional feature vector (important measured variables) is cyclically detected by the controller, checked for reliability according to a special reasonability test on the basis of limit value change rate test of the process variables and a time series test, and fed to the prognosis filter.
Das Filter führt die Bestimmung der Prognosewerte für alle Meßgrößen des Merkmalsvektors aus und trifft mittels eines Auslösemechanismus eine Entscheidung über die Änderung des Steuerregims, z. B. eine Veränderung der Förderparameter der Substratpumpe.The filter carries out the determination of the prognosis values for all measured variables of the feature vector and makes a decision about the change of the control regime by means of a triggering mechanism, e.g. B. a change in the delivery parameters of the substrate pump.
Gegenüber anderen Filtern hat sich ein Gaußfilter besonders bewährt. Prognosewerte sind die Werte der Meßgrößen des Merkmalsvektors zu einem zukünftigen Abtastzeitpunkt. Als wesentliche Kenngrößen des Filters müssen die Prognoseweite und die Mindestanzahl der vergangenen Meßwerte für jeden speziellen Prozeßeinsatz angepaßt werden. Der Auslösemechanismus des Filters spricht auf eine Änderung des Trends der einzelnen Peozeßgrößen an. Er beruhtauf der ständigen Bestimmung von Prognose- und aktueller Standardabweichung aller Merkmale des Vektors sowie dem Vergleich des Quotienten dieser beiden Größen bezüglich des gesamten Merkmalsvektors mit einem entsprechend der Fisherverteilung vorgegebenen Grenzwert.Compared to other filters, a Gauss filter has proven particularly useful. Forecast values are the values of the measured variables of the feature vector at a future sampling time. As essential parameters of the filter, the prognosis width and the minimum number of past measured values have to be adapted for each special process application. The triggering mechanism of the filter responds to a change in the trend of the individual process sizes. It is based on the constant determination of the prediction and actual standard deviation of all features of the vector as well as the comparison of the quotient of these two quantities with respect to the entire feature vector with a limit value corresponding to the Fisher distribution.
Während die Prognosestandardabweichung die Streuung der Prognosewerte um die tatsächlich eingetretenen Werte der Meßgrößen beschreibt, charakterisiert die aktuelle Standardabweichung die Schwankungsbreite der Meßwerte um den jeweiligen gleitenden Mittelwert der Meßgrößen.While the forecast standard deviation describes the scatter of the forecast values by the actual values of the measured quantities, the current standard deviation characterizes the fluctuation range of the measured values by the respective moving average of the measured quantities.
Die wesentlichen Kenngrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind demzufolge:The essential characteristics of the method according to the invention are therefore:
H: notwendige Prognosewertanzahl für die Prognosestandortabweichung R: Mindestanzahl an geglätteten Meßwerten für eine PrognoseH: necessary forecast value number for the forecast location deviation R: minimum number of smoothed measured values for a forecast
V: Filterparameter für GAUSS-FilterV: Filter parameters for GAUSS filters
Z: Prognoseweite.Z: prognosis range.
Sie liegen in folgenden Bereichen:They are in the following areas:
8<R<15 2<H< 5 2<Z< 5 2<V< 9.8 <R <15 2 <H <5 2 <Z <5 2 <V <9.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert: Beispiel 1The invention is illustrated by the following examples: Example 1
Der Hefestamm LodderomyceselongisporusEH 15 ZIMET H 128 wurde auf Glucose in einem 101 Fermentor aerob und kontinuierlich gezüchtet. Die Glucose wurde dem Fermentor in wäßriger 5%iger Lösung zugeführt. Die wäßrige Nährsalzlösung enthielt pro LiterThe yeast strain LodderomyceselongisporusEH 15 ZIMET H 128 was grown on glucose in a 101 fermenter aerobically and continuously. The glucose was fed to the fermentor in aqueous 5% solution. The aqueous nutrient brine contained per liter
8 000mg N als NH4Cl 800 mg KaIs K2CO3 800mg P als H3PO4 (85%) 160mg Mg als MgSO4 · 7H2O8,000mg N as NH 4 Cl 800mg KaIs K 2 CO 3 800mg P as H 3 PO 4 (85%) 160mg Mg as MgSO 4 .7H 2 O
und Spurensalzverbindungen in ausreichenden Mengen.and Spurensalzverbindungen in sufficient quantities.
Die Glucosefermentation wurde zur Gewinnung proteinreicher Futterhefe bei einer Belüftung von 50 l/kg h, einer Masse des Fermentationsmediums von 320C ausgeführt. Der pH-Wert wurde mit 5%iger Natronlauge geregelt. Die Glucose-, Nährsalzlösungen und Wasser wurden im Zeitraum von 24h periodisch nachfolgendem Zeitplan dem Fermentor zugeführt.The glucose fermentation was carried out to obtain high-protein feed yeast at a ventilation of 50 l / kg h, a mass of the fermentation medium of 32 0 C. The pH was controlled with 5% sodium hydroxide solution. The glucose, nutrient saline, and water were added to the fermentor periodically for a period of 24 hours.
pro Periode Glucoselösung Sollwert Nährlösung SollwertWasser Sollwertper period glucose solution setpoint nutrient solution setpointWater setpoint
0,5 h 0 5,2 ml/min γ 5,2 ml/min0.5 h 0 5.2 ml / min γ 5.2 ml / min
2,5 h 12,5 ml/min ' 5,2 ml/min j 5,2 ml/min2.5 hours 12.5 ml / min. 5.2 ml / min. J 5.2 ml / min
Die Periodendauer der Änderung der Glucosedosierung betrug 3 h. Die Verweilzeit wurde periodisch mit der Zuführung der Glucoselösung variiert und betrug während derO,5h-Phase8h und während der 2,5 h-Phase 3,6 h, im Mittel 4h.The period of change of the glucose dosage was 3 h. The residence time was varied periodically with the addition of the glucose solution and was 3.6 h during the O, 5h phase and during the 2.5 h phase, on average 4 h.
Nach 24h dynamischer Prozeßführung im Zeitregime wurde die Steuerung des Prozesses automatisch vorgenommen. Als Meßsignale für das Filter dienten CO2 und O2-Gehalt der Abluft sowie der aktuelle Längeverbrauch. Die wesentlichen Filterparameter warenAfter 24 hours of dynamic process control in the time regime, the process was controlled automatically. As measuring signals for the filter CO 2 and O 2 content of the exhaust air and the current length consumption were used. The main filter parameters were
R = 15; V = 5,6; H = 3; Z = 4.R = 15; V = 5.6; H = 3; Z = 4.
Herkömmliches \ ErfindungsgemäßesConventional \ Invention
Verfahren VerfahrenProcedure procedure
Biomassekonzentration [g/kg] Produktivität [g/kgh] Spezifischer Kohlenstoffsubstrat verbrauch [g/g] Spezifischer Sauerstoff verbrauch [g/g] Reinproteingehalt[%]Biomass concentration [g / kg] Productivity [g / kgh] Specific carbon substrate consumption [g / g] Specific oxygen consumption [g / g] Pure protein content [%]
Der Hefestamm Saccharomyces cerevisiae wurde auf Rohrohrzucker in einem 0,51 Reaktor kontinuierlich aerob zur Gewinnung einer Hefepopulation mit ca. 70% sprossenden Zellen gezüchtet. Der pH-Wert betrug 4,0, die Temperatur war 300C und die Rührerdrehzahl betrug 1000 U/min. Der Fermentorablauf wurde in einem Ethanolproduktionsfermentor geleitet und die Hefezellen anaerob und kontinuierlich zur Ethanolproduktion eingesetzt. Der pH-Wert betrug in dieser Stufe 3,5, dieThe yeast strain Saccharomyces cerevisiae was grown on crude cane sugar in a 0.51 reactor continuously aerobically to obtain a yeast population with approximately 70% budding cells. The pH was 4.0, the temperature was 30 0 C and the stirrer speed was 1000 U / min. The fermenter effluent was passed in an ethanol production fermentor and the yeast cells were used anaerobically and continuously for ethanol production. The pH at this stage was 3.5, the
Temperatur war 33°C und die Rührerdrehzahl betrug 500 U/min. Eine Verweilzeit von 2 h wurde eingestellt und die Biomasse wurde nach einer Separation des Fermentorablaufs rückgeführt. Die alten Zellen mit geringerer Dichte wurden mit dem abgetrennten wäßrigen Medium entfernt und im Reaktor durch aerob vorkultivierte sprossende Hefezellen ersetzt. Das Nährmedium enthielt pro Liter:Temperature was 33 ° C and the stirrer speed was 500 rpm. A residence time of 2 h was set and the biomass was recycled after separation of the fermenter effluent. The old cells with lower density were removed with the separated aqueous medium and replaced in the reactor by aerobically pre-cultured budding yeast cells. The nutrient medium contained per liter:
500mg N als NH4CI 100 mg P als H3PO4 50 mg KaIsK2CO3 10mg Mg als MgSO4 · 7H2O 0,1 % Hefeextrakt 150g Rohrohrzucker.500 mg N as NH 4 Cl 100 mg P as H 3 PO 4 50 mg KaIsK 2 CO 3 10 mg Mg as MgSO 4 .7H 2 O 0.1% yeast extract 150 g raw cane sugar.
Das Nährmedium wurde im Produktionsfermentor periodisch (Periode 15-30 min) nach einem Zeitplan im Verlauf von 24h zugeführt.The nutrient medium was fed periodically in the production fermentor (period 15-30 min) on a 24 hour schedule.
Anschließend wurde begonnen, die Nährmedienzufuhr automatisch zu steuern.Subsequently, the nutrient media supply was started to be controlled automatically.
Als Meßsignale für das Filter dienten die Ethanolkonzentration und ein NADH-Signal.The measurement signals for the filter were the ethanol concentration and an NADH signal.
Die Filterparameter waren R= 12; V = 5,6; H = 3; Z = Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden die folgenden Prozeßkennziffern erreicht:The filter parameters were R = 12; V = 5.6; H = 3; Z = By applying the method according to the invention, the following process parameters were achieved:
Zellmassekonzentration 50 g/kg Ethanolbildungsrate 40g/kghCell mass concentration 50 g / kg Ethanol formation rate 40 g / kgh
Ausbeute 0,53 g/g.Yield 0.53 g / g.
Der genetisch manipulierte Bakterienstamm E. coli pLCR 665-58 wurde aerob und kontinuierlich bei einer Verweilzeit von 2h, einem pH-Wert von 7,0 und einer Temperatur von 38°C gezüchtet. Das Nährmedium enthielt pro LiterThe genetically engineered bacterial strain E. coli pLCR 665-58 was grown aerobically and continuously at a residence time of 2h, a pH of 7.0 and a temperature of 38 ° C. The nutrient medium contained per liter
2 200mg N als NH4CI 200 mg P als H3PO4 200mg K als K2CO3 100mg Mg als MgSO4-7H2O . . '! 2 200 mg N as NH 4 Cl 200 mg P as H 3 PO 4 200 mg K as K 2 CO 3 100 mg Mg as MgSO 4 -7H 2 O. , ' !
0,2% Hefeextrakt 0.2% yeast extract
Spurenelemente. Die Glucosekonzentration wurde periodisch verändert bei einer Nährlösungszufuhrgeschwindigkeit von 6,6l/h:Trace elements. The glucose concentration was changed periodically at a nutrient solution delivery rate of 6.6 l / h:
Anschließend wurde der Prozeß automatisch gesteuert, wobei der Cytochrom-C-Gehalt, ein redox-Signal und der Stickstoffgehalt des Medium als Meßwerte dienten.Subsequently, the process was automatically controlled using the cytochrome C content, a redox signal and the nitrogen content of the medium as readings.
Die Filterparameter waren: R = 10; H = 5; Z = 4; V = 7,1.The filter parameters were: R = 10; H = 5; Z = 4; V = 7.1.
Es wurden folgende Prozeßkennziffern erreicht:The following process codes were reached:
spezifischer Glucoseverbrauch 1,7 g/gspecific glucose consumption 1.7 g / g
Produktivität 13 g/lProductivity 13 g / l
Rohproteingehalt der Zellmasse 60%.Crude protein content of the cell mass 60%.
Der Hefestamm Candida lipolytica wurde in einem Laborfermentorvon 121 Bruttovolumen in 51 eines Mediums folgender Zusammensetzung gegeben (bilanziert für 20g Organismenzuwachs) kultiviert:The yeast strain Candida lipolytica was cultured in a laboratory fermentor of 121 gross volume in 51 of a medium of the following composition (calculated for 20 g of organism growth):
6g/l NH4CI 1,4g/l KH2PO4 C,7g/l MgSO4 -7H2O 0,1 g/l CuSO4-5H2O 0,04g/l ZnCI2 0,01 g/l CoSO4-7H2O 0,08g/l MnSO4 · 4H2O 0,11 g/l H3BO3 0,09 g/l CaCI2 -6H2O 0,01 g/l FeCI2 2,5g/l CaCO3 5 g/l Hefeextrakt 10g/l Paraffin (Bereich C10 bis C20).6g / l NH 4 CI 1.4g / l KH 2 PO 4 C, 7g / l MgSO 4 -7H 2 O 0.1g / l CuSO 4 -5H 2 O 0.04g / l ZnCl 2 0.01g / l CoSO 4 -7H 2 O 0.08 g / l MnSO 4 .4H 2 O 0.11 g / l H 3 BO 3 0.09 g / l CaCl 2 -6H 2 O 0.01 g / l FeCl 2 2, 5 g / l CaCO 3 5 g / l yeast extract 10 g / l paraffin (range C 10 to C 20 ).
Der pH-Wert beträgt 4,2, die Temperatur 310C, die Rührerdrehzahl 2000 U/min und der Luftdurchsatz 1001/kgh.The pH is 4.2, the temperature 31 0 C, the stirrer speed 2000 U / min and the air flow rate 1001 / kgh.
Nach einer Prozeßdauer von 16h ist der Wachstumsprozeß bei 20 g HTS/I bedingt durch Stickstoff !imitation beendet.After a process time of 16 h, the growth process is terminated at 20 g HTS / I due to nitrogen imitation.
Periodisch wird nun Paraffin automatisch gesteuert zugeführt (Periodendauer 5 bis 30 min). Als Meßwerte für das Filter dienten NAOH-Signal und der CO2-Gehalt der Abluft.Periodically, paraffin is now fed automatically controlled (period 5 to 30 min). The measured values for the filter were NAOH signal and the CO 2 content of the exhaust air.
Die Filterparameter waren: R = 15; V = 4,2; H = 3; Z = Nach 48h werden 50% des Nährmediums ausgetauscht, das Nährstoffe für eine Verdopplung der Zellsubstanz enthält. Der Austausch ist beliebig oft wiederholbar.The filter parameters were: R = 15; V = 4.2; H = 3; Z = After 48h, 50% of the nutrient medium containing nutrients for a doubling of the cell substance is exchanged. The exchange can be repeated as often as you like.
Folgende Prozeßkennziffern wurden erreicht:The following process codes were achieved:
Spezifischer Paraffinverbrauch 0,7g Paraffin/g Säure Produktivität 2,5g Säure/kg · hSpecific Paraffin Consumption 0.7g Paraffin / g Acid Productivity 2.5g Acid / kg · h
Claims (3)
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DD28423885A DD243296A1 (en) | 1985-12-13 | 1985-12-13 | METHOD FOR THE AUTOMATIC CONTROL OF BIOTECHNICAL FABRICATION PROCESSES |
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