DE102011054363B4

DE102011054363B4 - Verfahren zum geregelten Betreiben einer biotechnologischen Vorrichtung und biotechnologische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102011054363B4
Application number: DE102011054363.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Arnold; Guido Ertel; Sebastian Selzer
Original assignee: DASGIP Information and Process Technology GmbH
Current assignee: DASGIP Information and Process Technology GmbH
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: DE102011054363A1

Abstract

Verfahren zum geregelten Betreiben einer biotechnologischen Vorrichtung, mit – einem oder mehreren Bioreaktoren, – Funktionskomponenten, die jeweils wenigstens einem Bioreaktor zugeordnet und beim Betreiben des wenigstens einen Bioreaktors zur Betriebsführung nutzbar sind, und – einer Regeleinrichtung, die an eine erste Gruppe von Funktionskomponenten koppelt, um im Betrieb Regelsignale zumindest an die erste Gruppe von Funktionskomponenten zu geben, wobei das Verfahren zum Regeln einer elektrischen Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten im Betrieb die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen von elektronischen Informationen über eine vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung, – Erzeugen eines jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung, – Bestimmen einer aktuell angeforderten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für eine aktuelle Betriebssituation, die sich unter Berücksichtigung des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die erste Gruppe von Funktionskomponenten ergibt, in der Regeleinrichtung, – Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für eine oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zur Leistungsoptimierung, wenn ein Vergleich ergibt, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten die aktuelle angeforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, derart, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten eine angepasste elektrische Gesamtleistungsaufnahme, die sich bei Berücksichtigung des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie wahlweise verbleibender nicht angepasster aktueller Leistungsregelsignale ergibt, nicht größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, und ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betreiben einer biotechnologischen Vorrichtung sowie eine biotechnologische Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Bioreaktoren, die auch als Fermenter bezeichnet werden, sind Teil von biotechnologischen Vorrichtungen. Sie verfügen über einen abgeschlossenen Reaktionsraum, in welchem eukaryotische oder prokaryotische Zellen unter möglichst optimalen, definierten und kontrollierten Bedingungen kultiviert werden. Unter Verwendung der für den Organismus notwendigen Randbedingungen und in Anwesenheit der für den Prozess bedingten Primär- und Sekundärstoffe werden Stoffumwandlungen, meist verfahrenstechnisch automatisiert und kontrolliert, erforscht, optimiert und durchgeführt.
Bei typischen biotechnologischen Verfahren im sogenannten „bench top scale” (Labormaßstab) werden häufig Glasreaktoren verwendet. Hierdurch ist eine Ausführung eines autoklavierbaren Bioreaktors geschaffen, bei dem der Glasreaktor in einem Stück in einen Autoklaven dampfsterilisiert werden kann. Hierbei ist es dann notwendig, vor dem Autoklavieren die Verbindungstechnik für den gesamten Reaktor von den Regeleinheiten zu trennen. Typischerweise erfolgt der Anschluss mittels Schlauchverbindern wie Klemmverschraubungen, Push-in-Verbindern, Quetschverschraubungen oder dergleichen. Eine solche autoklavierbare Ausführung des Bioreaktors setzt also voraus, dass an dem Bioreaktor selbst ankoppelnde Funktionskomponenten der biotechnologischen Vorrichtung auf möglichst effiziente Art und Weise am Reaktor montiert und wieder demontiert werden können, wenn das Autoklavieren ansteht.
Eine andere Bauform von Bioreaktoren bilden Einweg-Bioreaktoren, bei denen zum Beispiel der Reaktorbehälter nur in einem Kultivierungsprozess verwendet wird, wohingegen dem Reaktorbehälter zugeordnete Funktionselemente wie zum Beispiel ein Rührantrieb oder die Temperiereinheit für die Abgasführung und/oder den Kultivierungsraum wieder verwendbar sind. Auch in diesem Zusammenhang besteht die Notwendigkeit, an den Bioreaktor koppelnde Funktionskomponenten der biotechnologischen Vorrichtung auf möglichst effiziente Art und Weise am Reaktor zu montieren und nach der Nutzung wieder zu demontierten.
Aus dem Dokument EP 1 533 893 A2 ist ein Steuersystem zum Steuern der Energieversorgung für ein oder mehrere Verbrauchsgeräte bekannt. Die Steuerung erfolgt derart, dass die verbrauchte Energie der Verbrauchsgeräte die von einer Energiequelle bereitgestellte Energiemenge nicht überschreitet. Eine ähnliche leistungsbegrenzende Prozesssteuerung für eine Stromverbrauchergruppe ist in dem Dokument EP 0 053 383 A1 beschrieben.
Das Dokument DE 199 32 833 A1 offenbart ein Verfahren zum Regeln der Gesamtleistung einer energietechnischen Anlage für eine Gruppe von Verbrauchern. Der vorgeschlagene Regelungsmechanismus sieht eine Priorisierung unter den Verbrauchern vor.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Technologie auf dem Gebiet des geregelten Betriebs einer biotechnologischen Vorrichtung mit einem oder mehreren Bioreaktoren anzugeben, mit der die Vorrichtung bezüglich mehrerer Gesichtspunkte effizienter betrieben werden kann, insbesondere hinsichtlich eines energieeffizienten und Reaktor schonenden Betriebs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum geregelten Betreiben einer biotechnologischen Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine biotechnologische Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum geregelten Betreiben einer biotechnologischen Vorrichtung, mit einem oder mehreren Bioreaktoren, Funktionskomponenten, die jeweils wenigstens einem Bioreaktor zugeordnet und beim Betreiben des wenigstens einen Bioreaktors zur Betriebsführung nutzbar sind, und einer Regeleinrichtung geschaffen, die an eine erste Gruppe von Funktionskomponenten koppelt, um im Betrieb Regelsignale zumindest an die erste Gruppe von Funktionskomponenten zu geben, wobei das Verfahren zum Regeln einer elektrischen Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten im Betrieb die folgenden Schritte aufweist:

– Bereitstellen von elektronischen Informationen über eine vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung,
– Erzeugen eines jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung,
– Bestimmen einer aktuell angeforderten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für eine aktuelle Betriebssituation, die sich unter Berücksichtigung des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die erste Gruppe von Funktionskomponenten ergibt, in der Regeleinrichtung,
– Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für eine oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zur Leistungsoptimierung, wenn ein Vergleich ergibt, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten die aktuell angeforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, derart, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten eine angepasste elektrische Gesamtleistungsaufnahme, die sich bei Berücksichtigung des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie wahlweise verbleibender nicht angepasster aktueller Leistungsregelsignale ergibt, nicht größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, und
– Ausgeben des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie der wahlweise verbleibenden nicht angepassten aktuellen Leistungsregelsignale durch die Regeleinrichtung an die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten.

Nach einem weiteren Aspekt ist eine biotechnologische Vorrichtung mit einem oder mehreren Bioreaktoren, Funktionskomponenten, die jeweils wenigstens einem Bioreaktor zugeordnet und beim Betreiben des wenigstens einen Bioreaktors zur Betriebsführung nutzbar sind, und einer Regeleinrichtung geschaffen, die an eine erste Gruppe von Funktionskomponenten koppelt, um im Betrieb Regelsignale zumindest an die erste Gruppe von Funktionskomponenten zu geben, wobei die Regeleinrichtung konfiguriert ist, im Betrieb eine elektrische Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten im Betrieb den folgenden Schritten entsprechend zu regeln:

Es ist vorgesehen, dass beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten eine relative Leistungsverteilung aufrechterhalten wird. Die Relativverteilung der elektrischen Leistungsaufnahme, die sich für die mehreren Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe aufgrund der aktuellen Leistungsregelsignale ergibt, bleibt also für die angepassten Leistungsregelsignale erhalten, was bedeutet, dass die Anpassung für alle beteiligten Leistungsregelsignale um einen gleichen Relativwert erfolgt.
Mit Hilfe der Erfindung ist eine energieeffiziente Betriebssteuerung der biotechnologischen Vorrichtung ermöglicht.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass beim Bestimmen der aktuell angeforderten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten eine den Funktionskomponenten der ersten Gruppe jeweils zugeordnete dynamische Leistungsreserve berücksichtigt wird. Die dynamische Leistungsreserve berücksichtigt eine dynamische Streuung der individuellen Leistungsaufnahme der Funktionskomponenten der ersten Gruppe. Berücksichtigt werden kann die dynamische Leistungsreserve zum Beispiel, indem beim Bestimmen der aktuell angeforderten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die Funktionskomponenten der ersten Gruppe die individuelle elektrische Leistungsaufnahme mit einem Faktor multipliziert wird, welcher größer Null ist. Die angeforderte Gesamtleistung der Funktionselemente Pi kann dann zum Beispiel wie folgt ermittelt werden:
wobei P.sum die aktuell angeforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme für die Funktionskomponenten Pi aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten, Pi.SP das aktuelle Leistungsregelsignal und Pi.σi eine Streuung bezeichnen, d. h. in dem Fall Pi.σi > 0.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Schritt zum Bestimmen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten ausgeführt wird, bei dem die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme bestimmt wird als die Differenz zwischen einer im Betrieb für die Funktionskomponenten maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Gesamtleistung und einer einer zweiten Gruppe von Funktionskomponenten zugeordneten elektrischen Leistungsaufnahme, wobei die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe, im Unterschied zu den Funktionskomponenten der ersten Gruppe, von einer Anpassung des ihnen jeweils zugeordneten aktuellen Leistungsregelsignals wenigstens dann ausgeschlossen werden, wenn die Anpassung eine Leistungsminderung für die jeweilige Funktionskomponente bewirken würde. Die Leistungsregelung für die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe erfolgt vorzugsweise mit einem diesen separat zugeordneten Leistungsregler. Bevorzugt wird die zweite Gruppe von Funktionskomponenten gebildet, die im Betrieb stets ihre volle Funktion erbringen müssen, welche durch eine reduzierte Leistungszuteilung negativ beeinflusst werden könnte. Deshalb kann weitergehend vorgesehen sein, dass die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe vollständig und in jedem Fall von der Anpassung der aktuellen Leistungsregelsignale, also einer Anpassung der momentanen Sollwerte für die Leistungsregelung, ausgenommen sind. Die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme kann dann zum Beispiel wie folgt bestimmt werden: P.sum' = S.max – F.sum, wobei S.max die im Betrieb für die Funktionskomponenten maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Gesamtleistung und F.sum die der zweiten Gruppe von Funktionskomponenten zugeordnete elektrische Leistungsaufnahme bezeichnen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Schritt zum Bestimmen der der zweiten Gruppe von Funktionskomponenten zugeordneten elektrischen Leistungsaufnahme ausgeführt wird, derart, dass für die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe eine jeweilige maximale elektrische Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung einer den Funktionskomponenten jeweils zugeordneten dynamischen Leistungsreserve aufsummiert wird. Auch für die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe kann die Berücksichtigung einer dynamischen Streuung der individuellen Leistungsaufnahme berücksichtigt werden, indem zum Beispiel ein jeweiliger Streufaktor einbezogen wird. Die Gesamtleistung der Funktionselemente Fj der zweiten Gruppe kann dann zum Beispiel wie folgt ermittelt werden:
wobei F.sum die elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die Funktionskomponenten Fj aus der zweiten Gruppe, Fj.SP das aktuelle Leistungsregelsignal und Fj.σj eine zugeordnete individuelle Streuung bezeichnen, d. h. in dem Fall Fj.σj > 0.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass ein Schritt zum Bestimmen der im Betrieb für die Funktionskomponenten maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Gesamtleistung ausgeführt wird, derart, das ein unterer Grenzwert für die maximal zur Verfügung stehende elektrische Gesamtleistung bestimmt wird, und dass der untere Grenzwert beim Bestimmen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird für die maximal zur Verfügung stehende elektrische Gesamtleistung ein unterer Grenzwert bestimmt, der kleiner gleich der maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Gesamtleistung ist. Der untere Grenzwert wird dann anschließend als Ausgangsgröße benutzt, um mittels Subtrahieren der der zweiten Gruppe von Funktionskomponenten zugeordneten elektrischen Leistungsaufnahme hiervon, die für die Funktionskomponenten der ersten Gruppe maximal zur Verfügung stehende Gesamtleistung zu bestimmen. Die Bezugnahme auf einen solchen unteren Grenzwert schafft beispielsweise die Möglichkeit, ausgehend von der maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung im Betrieb einen Leistungspuffer vorzusehen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für die eine oder die mehreren Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten das angepasste Leistungsregelsignal jeweils derart bestimmt wird, dass die dem angepassten Leistungsregelsignal entsprechende angepasste Leistungsaufnahme stets kleiner gleich einer maximalen elektrischen Leistungsaufnahme der jeweiligen Funktionskomponente ist. Bezeichnet |Pi.SP'| den Betrag für die durch das angepasste Leistungsregelsignal bestimmte Leistungsaufnahme, so ist dieser Wert kleiner gleich Pi.max. Hierdurch wird sichergestellt, dass es beim Anpassen der aktuellen Leistungsregelsignale nicht dazu kommt, dass für eine oder mehrere Funktionskomponenten das angepasste Leistungsregelsignal den individuellen Wert für die maximale Leistungsaufnahme der zugeordneten Funktionskomponente überschreitet. Hierdurch werden insbesondere Beschädigungen der Funktionskomponenten durch eine zu große Leistungsaufnahme vermieden.
Zweckmäßig ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die elektrische Leistungsaufnahme für Funktionskomponenten einer oder mehrerer Komponentenarten aus der folgenden Gruppe ausgeführt wird: Temperiereinrichtung, Sensoreinrichtung, Mischeinrichtung, Rührantrieb, Fluidfördereinrichtung, Ventil und Pumpenantrieb.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das aktuelle Leistungsregelsignal für eine oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zum erhöhten Ausnutzen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme angepasst wird, wenn der Vergleich ergibt, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten die aktuelle elektrische Gesamtleistungsaufnahme kleiner als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, derart, dass sich eine angepasste elektrische Gesamtleistungsaufnahme ergibt, die größer als die aktuell geforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme und nicht größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist. Bei dieser Ausgestaltung führt die Anpassung in einer Ausführung dazu, dass für wenigstens ein aktuelles Leistungsregelsignal eine Anpassung dahingehend erfolgt, dass die aktuell geforderte elektrische Leistungsaufnahme für die zugehörige Funktionskomponente erhöht wird. Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende elektrische Leistungsaufnahme, also die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme, in größerem Umfang ausgeschöpft in der aktuellen Betriebssituation.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zur Leistungsoptimierung und/oder das Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zum erhöhten Ausnutzen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme eine Leistungsumverteilung zwischen den mehreren Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten umfasst. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Anpassen des einen oder der mehreren aktuellen Leistungsregelsignale eine Umverteilung der elektrischen Leistungsaufnahme zwischen wenigstens zwei der Funktionskomponenten, derart, dass die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme, die sich in Folge des aktuellen Leistungsregelsignals ergibt, für eine der Funktionskomponenten gemindert und für eine andere der Funktionskomponenten erhöht wird.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zur Leistungsoptimierung und/oder beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zum erhöhten Ausnutzen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme ein oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zu- und/oder abgeschaltet werden. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass für eine oder mehrere Funktionskomponenten ein Abschalten oder ein Zuschalten für bestimmte Betriebssituationen oder allgemein ausgeschlossen wird. Auf diese Weise kann zum Beispiel sichergestellt werden, dass einzelne Funktionskomponenten bei speziell festgelegten Betriebssituationen, die anhand eines oder mehrere Betriebsparameter der biotechnologischen Vorrichtung festgelegt sind, niemals abgeschaltet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Regeln der elektrischen Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten in einem äußeren Regelkreis ausgeführt wird, welcher an einen oder mehrere innere Regelkreise koppelt.
In Verbindung mit vorteilhaften Weiterbildungen der biotechnologischen Vorrichtung gelten die im Zusammenhang mit zweckmäßigen Ausgestaltungen des Verfahrens vorangehend gemachten Ausführungen entsprechend.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Darstellung einer biotechnologischen Vorrichtung mit einem Bioreaktorsystem, das mit mehreren Bioreaktoren gebildet ist,
2 eine Darstellung einer Temperatursteuerung des Bioreaktorsystems aus 1,
3 eine Schnittdarstellung der Temperatursteuerung aus 2,
4 eine schematische Darstellung einer biotechnologischen Vorrichtung mit einem Bioreaktorsystem, das mit mehreren Bioreaktoren gebildet ist, die jeweils über eine Wärmepumpe thermisch an ein gemeinsames thermisches Bezugs- oder Hauptpotential koppeln,
5 eine weitere schematische Darstellung der biotechnologischen Vorrichtung aus 4 mit einer zugeordneten Regeleinrichtung,
6 eine grafische Darstellung für die Abhängigkeit des Wirkungsgrades (in Prozent) einer elektrisch ansteuerbaren Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT zwischen thermisch koppelnden Flächen und
7 eine grafische Darstellung des Wirkungsgrades (in Prozent) einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer biotechnologischen Vorrichtung mit einem Bioreaktorsystem, welches mit mehreren Bioreaktoren 1.1, ..., 1.4 ausgeführt ist, die zum Betrieb in einem Basisblock 2 in einer jeweils zugeordneten Öffnung 3.1 ... 3.4 lösbar aufgenommen sind, derart, dass die mehreren Bioreaktoren 1.1 ... 1.4 jeweils an eine Temperatursteuerung koppeln, die im Basisblock 2 angeordnet ist. Die Bioreaktoren 1.1 ... 1.4 sind jeweils mit Anschlusselementen 4.1 ... 4.4 ausgestattet, um die für den Betrieb notwendigen Fluide zu- oder abzuführen.
An dem Basisblock 2 ist eine Anordnung 5 mit Behältern gebildet.
Weiterhin sind auf dem Basisfunktionsblock 2 gemäß 1 zwei weitere Funktionsblöcke 6, 7 angeordnet in einer Stapelformation, die abnehmbar angeordnet sind und zum Beispiel eine Gasmischstation aufnehmen und/oder eine oder mehrere Pumpen aufnehmen können.
Im Basisblock 2 des Bioreaktorsystems aus 1 ist eine Temperatursteuerung für die Bioreaktoren 1.1, ..., 1.4 implementiert, die dazu dient, beim Betrieb der Bioreaktoren 1.1 ... 1.4 hinsichtlich der Temperatur gewünschte Betriebsbedingungen für die Kultivierung einzustellen. Die Temperatursteuerung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert, die eine schematische Darstellung einer Temperiereinrichtung des Bioreaktorsystems aus 1 sowie eine Schnittdarstellung der Temperiereinrichtung aus 2 zeigen.
Gemäß 2 sind in einem Gehäuse 20 ein Netzteil 21 sowie eine Steuerungselektronik 22 nebeneinander angeordnet. Auf einer Gehäuserückseite 23 sind Lüfter 24, 25 in die Wand des Gehäuses 20 integriert, welche einem als Wärmebezugspotential wirkenden Bezugskörper 26 (vgl. 3) zugeordnet sind und mit diesem zusammenwirken, derart, dass die Lüfter 24, 25 für den Bezugskörper 26 einen Luftstrom erzeugen, welcher die Temperatur der Betriebsumgebung des Bioreaktorsystems aufweist, um so für einen Wärmeaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Bezugskörper 26 zu sorgen.
Gemäß 3 sind die Öffnungen 3.2, 3.4 für die Bioreaktoren 1.2, 1.4 in einer jeweiligen Behälteraufnahme 27.2, 27.4 gebildet, welche jeweils an eine darunter angeordnete Wärmepumpe 28.2, 28.4 thermisch koppelt, die ihrerseits dann an den darunter befindlichen und das thermische Hauptpotential bildenden Bezugskörper 26 thermisch koppeln. Die Wärmepumpen 28.2, 28.4 sind bei der dargestellten Ausführungsform jeweils mit wenigstens einem Peltierelement gebildet, also als mit elektrischer Energie betreibbare Wärmepumpen ausgeführt. Mittels Zuführung elektrischer Antriebsenergie werden die Wärmepumpen 28.2, 28.4 im Betrieb des Bioreaktorsystems angetrieben, um einen Wärmeübertrag zwischen der jeweiligen Behälteraufnahme 27.2, 27.4 und dem Bezugskörper 26 zu bewirken, oder umgekehrt. Auf diese Weise wird die jeweilige Behälteraufnahme 27.2, 27.4, die insoweit als Wärmeüberträger wirkt, und hierdurch schließlich der zugeordnete Bioreaktor 1.2, 1.4 im Betrieb temperiert, sei es zum Kühlen oder zum Heizen.
Wie sich aus 2 ergibt, weist der Bezugskörper 26 Kühlrippen 29 auf, die auf die Baulänge durchgehend gebildet sind. Zwischen den Kühlrippen 29 strömt der mittels der Lüfter 24, 25 erzeugte Luftstrom.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 4 bis 7 Aufbau und Funktion der Temperatursteuerung oder -regelung für die Bioreaktoren näher erläutert. Für gleiche Merkmale werden in den 4 und 5 dieselben Bezugszeichen wir in den 1 bis 3 verwendet.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer biotechnologischen Vorrichtung mit einem Bioreaktorsystem, dass mit mehreren Bioreaktoren 1.1, ..., 1.n gebildet ist, die jeweils über eine zugeordnete Wärmepumpe 28.1, ..., 28.n thermisch an ein gemeinsames thermisches Bezugs- oder Hauptpotential koppeln, das vom Bezugskörper 26 gebildet ist.
Der Bezugskörper 26 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die aktuelle Temperatur des Bezugskörpers 26 sei mit T0 bezeichnet, seine spezifische Wärmekapazität mit CH0. An den das thermische Hauptpotential bildenden Bezugskörper 26 koppeln die mehren Bioreaktoren 1.1, ..., 1.n einseitig thermisch. Die Bioreaktoren 1.1, ..., 1.n weisen jeweils einen Reaktorbehälter 30.1, ..., 30.n auf, welcher in der zugehörigen Behälteraufnahme 27.1, ..., 27.n angeordnet und dessen Kultivierungsraum 31.1, ..., 31.n zum Teil mit einem zu kultivierenden Kulturgut 32.1, ..., 32.n gefüllt ist. Die Behälteraufnahme 27.1, ..., 27.n ist außenseitig mittels einer Isolierung 33.1, ..., 33.n gegenüber der Umgebung thermisch isoliert.
In der jeweils zugeordneten Wärmepumpe 28.1, ..., 28.n, die vorzugsweise als elektrisch betriebene Wärmepumpe ausgeführt ist, zum Beispiel mittels wenigstens einem Peltierelement, wird je nach Ansteuerung ein positiver oder negativer Wärmestrom Qi zwischen dem Bezugskörper 26 und der Behälteraufnahme 27.1, ..., 27.n, oder umgekehrt, bewirkt. Zu diesem Wärmestrom addieren sich zwei Verlustwärmeströme Qlossi/2, die stets positiv sind.
Der Bezugskörper 26 ist gemäß 4 über einen thermischen Widerstand 34 an die Betriebsumgebung 35 thermisch gekoppelt. Die Betriebsumgebung 35 hat die aktuelle, vorgegebene Temperatur Tamb. Ein Wärmestrom zwischen dem Bezugskörper 26, der das thermische Hauptpotential bildet, und der Betriebsumgebung 35 ergibt sich zu Q_Amb = (T_amb – T₀)/R.
Mittels geeigneter Variation des thermischen Widerstandes 34 können Q_Amb und T₀ im Betrieb des Bioreaktors in gewünschten Bereichen passend eingeregelt werden. Der variable einstellbare Wärmeübergang kann in der Praxis mithilfe der Kombination eines Kühlkörpers und einer steuerbaren Lüftereinrichtung ausgeführt werden (vgl. hierzu auch Erläuterungen oben zu den 2 und 3).
Gemäß 4 ist weiterhin eine elektrische Energieversorgung 36 für die Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n vorgesehen, für die eine maximale Leistung S.max vorgegeben ist.
Der Wirkungsgrad elektrisch ansteuerbarer Wärmepumpen wird wesentlich von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Koppelflächen beeinflusst. Dieser Zusammenhang wird in der folgenden 6 und 7 qualitativ dargestellt. 6 zeigt eine grafische Darstellung für die Abhängigkeit des Wirkungsgrades (in Prozent) einer elektrisch ansteuerbaren Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT zwischen thermisch koppelnden Flächen.
Bei ΔT = 0K wird der maximale Wirkungsgrad erzielt, bei steigender Temperaturdifferenz sinkt der Wirkungsgrad. Die eingebrachte Leistung spaltet sich in Wirkwärmestrom Qi und Verlustwärmestrom Qlossi auf. Während die Verlustwärmeströme beim Aufheizen der Kultur einen aus Sicht des Prozessziels positiven Beitrag liefern, verschlechtert sie die Situation im Falle des Kühlvorgangs. Diese Zusammenhänge werden in 7 für eine bestimmte in die Wärmepumpe eingeprägte Leistung qualitativ illustriert (Kurve A – Qeff). 7 zeigt eine grafische Darstellung des Wirkungsgrades (in Prozent) einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT. Während im Heizfall (rechts der Ordinate) ein Großteil der eingebrachten Leistung direkt der biologischen Kultur zugute kommt, nimmt die Effizienz für den Kühlfall (links der Ordinate) mit steigender Temperaturdifferenz stark ab. Für eine optimale Auslegung des Gesamtsystems (maximaler Wirkungsgrad) sollte daher die Solltemperatur T0.SP (SP = „SetPoint” = Sollwert) des Hauptpotentials kleiner gleich der Solltemperaturen T1i.SP der Kulturen in den Bioreaktoren ausgelegt werden.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf 5 Regelmechanismen zur Temperatursteuerung für die Bioreaktoren 1.1, ..., 1.n näher erläutert.
Die Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n koppeln jeweils thermisch an den Bezugskörper 26, der das thermische Hauptpotential bildet. In einer typischen Betriebsführung werden mehrere der Bioreaktoren 1.1, ..., 1.n geheizt, was einem positiven Wärmestrom vom Bezugskörper 26 zum jeweiligen Bioreaktor entspricht. Hierdurch kommt es zu einer Abkühlung des Bezugskörpers 26. Sollen im gleichen Betriebszeitpunkt ein oder mehrere andere Bioreaktoren gekühlt werden, so führt dieses zu positiven Wärmeübergangströmen von den diesen Bioreaktoren zugeordneten Wärmepumpen auf den Bezugskörper 26. Bei idealer Betriebsführung ergänzen sich die Wärmeübergänge zu und von dem Bezugskörper 26, derart, dass gar keine oder nur eine sehr geringe Temperaturänderung des Bezugskörpers 26 auftritt. Das Gesamtsystem arbeitet dann mit einer energetisch maximalen Effizienz.
Für den weitaus größten Teil biologischer Stoffwechselprozesse liegt der optimale und damit auch für diese Anwendungen typische Temperaturbereich in dem Bereich von etwa 25 bis etwa 40°C. Begleitend zu den Stoffwechselprozessen wird von den biologischen Systemen (spezifische) Wärme erzeugt, deren Maximum daher ebenfalls in dem genannten Temperaturbereich liegt. Die hier vorzugsweise betrachteten Bioreaktorsysteme werden typischerweise in Laborräumen mit einer Umgebungstemperatur Tamb von etwa 20 bis etwa 30°C betrieben. Bei entsprechender Dimensionierung kann damit T0 des Bezugskörpers 26 in der Nähe von Tamb betrieben werden. In dieser Situation mit T1i, T2i im biologisch relevanten Arbeitsbereich von etwa 25 bis etwa 40°C und T0 nahe Tamb mit etwa 20 bis etwa 30°C ist die Temperaturdifferenz zwischen den Koppelflächen der Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n gering, wodurch deren Effizienz hoch ist.
Soll nun zu einem gegebenen Zeitpunkt die Dynamik des Stoffwechselprozesses in einer oder mehreren der Kulturen verändert werden, was dem in der Praxis häufig auftretenden Anwendungsfall der Kühlfunktion entspricht, so startet das System nahe dem hierfür optimalen Arbeitspunkt. Im Verlauf des Abkühlvorgangs sinkt zwar mit steigender Temperaturdifferenz über den Koppelflächen der betroffenen Wärmepumpen deren Wirkungsgrad; gleichzeitig nimmt jedoch auch die biologische Aktivität und damit die spezifische Wärmeentwicklung der Kulturen ab, so dass sich die Effekte zum Teil kompensieren.
Gemäß 5 wird der Sollwert (SP) der Kulturtemperatur T1i.SP (i = 1, ..., n) einem äußeren Temperaturregler 40 vorgegeben, bei dem es sich zum Beispiel um einen modifizierten PID-Regler handelt, der wenigstens teilweise mittels der Betriebssoftware implementiert ist. Der Sollwert (SP) der Kulturtemperatur T1i.SP wird auf einen Sollwerteingang 41 des äußeren Temperaturreglers 40 gegeben. Ein im Kultivierungsraum 31.1 erfasster Istwert T1i.PV (PV – „Process Value” – Istwert) wird auf einen Istwerteingang 42 des äußeren Temperaturreglers 40 gegeben. Aus dem Vergleich der Soll- mit der Istwerttemperatur T1i.PV und unter Berücksichtigung der Reglerparameter wird das Reglerausgangssignal berechnet und über einen Ausgang 43 des äußeren Temperaturreglers 40 gegeben. Dieses Signal ist gleichzeitig die Solltemperatur für die Behälteraufnahme 27.1 mit der Bezeichnung T2i.SP, welche an einem inneren Temperaturregler 44 auf einen Sollwerteingang 45 gegeben wird. Am Istwerteingang 46 des inneren Temperaturreglers 44 liegt der Istwert T2i.PV an.
Mittels geeigneter oberer und unterer Begrenzung des Wertes T2i.SP absolut oder auch in Bezug zur Kulturtemperatur T1i.SP oder T1i.PV kann die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur im Kultivierungsraum 31.1 und dem Reaktorbehälter 30.1 bzw. der Behälteraufnahme 27.1 definiert werden. Hierdurch können Schädigungen der biologischen Systeme aufgrund von Überhitzung oder Unterkühlung wirksam vermieden werden.
Der innere Temperaturregler 44, bei dem es sich zum Beispiel auch um einen modifizierten, mittels Software implementierten PID-Regler handelt, berechnet aus dem Sollwert T2i.SP und dem Istwert der Behälteraufnahme 27.1 T2i.PV unter Berücksichtigung der Reglerparameter ein Reglerausgangssignal Pi.SP. Das Reglerausgangssignal Pi.SP wird über einen Ausgang 47 ausgegeben und liegt an einem Steuerblock 50 an. Mittels geeigneter Begrenzung dieses Sollwerts Pi.SP kann die Wärmepumpe 28.1 vor Überlastung geschützt werden. Darüber hinaus kann hiermit eine systemweite Lastverteilung realisiert werden, was unten noch näher erläutert wird. Hierbei dient der Steuerblock 50 zum Implementieren des übergeordneten Leistungsmanagements. Ein angepasstes Regelsignal Pi.SP' wird über einen Ausgang 53 ausgegeben und geht an einen Sollwerteingang 48 des Leistungsreglers 49 (vgl. weitere Erläuterungen unten).

An einem Leistungsregler 49, liegt am Istwerteingang 51 der Istwert Pi.PV an. Der Leistungsregler 49 steuert eine Ansteuerung 52 der Wärmepumpe 28.1 so an, dass der Istwert der in die Wärmepupe 28.1 induzierten Leistung Pi.PV dem Sollwert Pi.SP' entspricht, der vom Steuerblock 50 ausgegeben wird. Der Istwert Pi.PV der induzierten Leistung wird bei elektrischen Wärmepumpen typischerweise durch Messung von Stromaufnahme und Spannungsversorgung ermittelt. Der Wirkungsgrad der Ansteuerung 52, welche zum Beispiel mittels PWM Vollbrücken realisiert und auch als „Leistungselektronik der zugehörigen Wärmepumpe” bezeichnet wird, kann hierbei rechnerisch berücksichtigt werden, was in nachfolgender Tabelle beispielhaft angegeben ist:

Versorgungsspannung der Leistungselektronik	U
Gemessene Stromaufnahme der Leistungselektronik der Wärmepumpe i	I_i
Von der Versorgung an die Leistungselektronik der Wärmepumpe i abgegebene Leistung, welche in der systemweiten Leistungsbilanzierung berücksichtigt wird.	P_{Gesamt i} = U·I_i
Shunt-Widerstand der Strommessung	R_S
Verlustleistung der Strommessung i	P_{Loss i} = R_S·I_i ²
Wirkungsgrad der Leistungselektronik i (PWM Vollbrücke)	η_i
Istwert der an Wärmepumpe i abgegebenen Leistung (Process Value = PV), welcher zur optimierten Leistungsregelung des Wärmepumpe i genutzt wird.	P_iPV = η_i·(P_{Gesamt i} – P_{Loss i}) P_iPV = η_i·(U·I_i – R_S·I_i ²

In der beschriebenen beispielhaften Ausführung kompensiert der Leistungsregler 49 die in der Praxis häufig auftretenden Nichtlinearitäten und Serienstreuungen der Wärmepumpe 28.1 Der Leistungsregler 49 linearisiert aktiv das Verhalten der eingesetzten Wärmepumpe 28.1. Darüber hinaus werden durch die direkte Leistungsmessung Bauteilstreuungen ausgeglichen. Es ist eine robuste Regelung gebildet, die auch wirtschaftlich arbeitet, da in der Fertigung keine Sortierung von Elementen erforderlich ist.
In einer vereinfachten Ausführung kann das Ausgangssignal des äußeren Temperaturreglers 40 unter Weglassen des inneren Temperaturreglers 44 sowie des Leistungsreglers 49 direkt zum Regeln der Ansteuerung 52 verwendet werden. Alternativ kann in einer Ausgestaltung der innere Temperaturregler 44 dem äußeren Temperaturregler 40 nachgeschaltet sein, ohne dass der Leistungsregler 49 zum Einsatz kommt. In einer anderen Ausführung kann der Ausgang 43 direkt auf den Sollwerteingang 48 des Leistungsreglers 49 gegeben werden.
Analog zu den (immer geringer werdenden) Wärmekapazitäten der jeweils thermisch zu regelnden Systemkomponenten steigt die Dynamik der Regelkreise mit dem äußeren Temperaturregler 40, dem inneren Temperaturregler 44 und dem Leistungsregler 49. Typische Einregelzeiten des Leistungsreglers 49 liegen in dem Bereich einiger Millisekunden bis maximal einer Sekunde. Die Regeldynamik des inneren Temperaturreglers 44 liegt typischerweise in dem Bereich mehrere Sekunden bis wenige Minuten. Die Einregelzeit des äußeren Temperaturreglers 40 kann normalerweise den Bereich ein bis zweistelliger Minutenwerte umfassen.
Die ineinander greifenden Regelkreise linearisieren jeweils das Übertragungsverhalten der ihnen zugewiesenen Regelstrecken. Dadurch wird eine sehr enge und exakte Regelung mit einer großen Robustheit erzielt.
Die ineinander greifenden Regelkreise sind bezüglich ihrer Regelparameter jeweils optimal dem dynamischen Übertragungsverhalten der ihnen zugewiesenen Regelstrecke angepasst. Hierzu kann vorgesehen sein, das dynamische Verhalten der Regelkreise vorab experimentell zu bestimmen und Informationen über die ermittelte Dynamik, zum Beispiel das dynamische Verhalten charakterisierende Betriebsparameter, softwaretechnisch zu hinterlegen. Eine derartige Vorgehensweise ist als solche wohlbekannt und Bedarf deshalb hier keiner weitergehenden Erläuterung. Hierdurch wird eine optimale Regelungsdynamik des Gesamtsystems erzielt.
Ein weiterer Regler 54 steuert in Abhängigkeit von Soll- und Istwert der Temperatur T0 und der aktuellen Lastsituation den thermischen Widerstand 34 der Kopplung zwischen dem das Hauptpotential bildenden Bezugskörper 26 und der Umgebung 35. Hierzu nutzt es ein Stellelement 55, bei dem es sich zum Beispiel um die Lüfter 24, 25 handelt.
Mittels gezielter Vorgabe und Regelung der maximalen Differenztemperaturen zwischen der Temperatur im Kultivierungsraum 31.1, ..., 31.n und der Temperatur des Reaktorbehälter 30.1, ..., 30.n/der Behälteraufnahme 27.1, ..., 27.n wird eine mögliche Schädigung der biologischen Systeme in der Kultur durch Überhitzung oder Unterkühlung aktiv vermieden. Aufgrund der hohen Systemdynamik der inneren Temperaturregelkreise mit den Reglern 44, 49 kann dies auch bei Transienten/Übergangsvorgängen gewährleistet werden.
Die Vorrichtung zum Temperaturmanagement von Bioreaktoren kann sowohl aus Gründen der Wirtschaftlichkeit als auch aus Gründen der elektrischen Sicherheit mit sogenannten Weitbereichsnetzteilen betrieben werden, welche die landespezifische Primärspannung in eine einheitliche Schutzkleinspannung umformen.
Der Steuerblock 50 (vgl. 5) bildet insbesondere die Summe der Leistungsbeiträge aller n-Sollwerte Pi.SP. Dieses Summensignal P.sum wird zur systemweiten Lastverteilung genutzt, also insbesondere einem Management der Verteilung der den Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n individuell zugeordneten elektrischen Leistungen. In ein solches (übergeordnetes) Leistungsmanagement können auch andere Funktionskomponenten der biotechnologischen Vorrichtung einbezogen werden, auch kann dies nur für Funktionskomponenten vorgesehen sein, die die Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n gar nicht umfassen. Im Folgenden wird deshalb von einer beliebigen Gruppe von Funktionselementen der biotechnologischen Vorrichtungen ausgegangen, bei der es sich in einem speziellen Fall dann um die Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n handeln kann.

Die Funktionskomponenten Pi weisen die folgenden Eigenschaften auf:

Pi.max	maximale Leistungsaufnahme der Funktionskomponente Pi
Pi.SP \|Pi.SP\| <= Pi.max	Von übergeordneter Betriebsführung vorgegebener Sollwert der Leistung. Der Betrag von Pi.SP ist stets kleiner gleich Pi.max. Hierdurch werden insbesondere Überlastungen des Stellelements wirksam vermieden. Mittels zeitlich abhängiger Modifikation von Pi.SP, zum Beispiel mittels eines integrierenden Regelanteils, kann die übergeordnete Betriebsführung zum Lastmanagement eine Priorisierung der Funktionskomponenten beim Zuteilungsverfahren des Leistungsmanagements beeinflussen (vgl. weitere Erläuterungen unten).
Pi.SP' \|Pi.SP'\| <= \|Pi, SP\|	Vom Leistungsmanagement nach einer bestimmten Verteilungsstrategie zugeteilter Sollwert der Leistung. Der Betrag von Pi.SP' ist nicht größer als der Betrag von Pi.SP. Dieser Wert wird im obigen Ausführungsbeispiel dem Leistungsregler 49 als gültiger Sollwert zugeführt. (Für schaltende Stellelemente ist Pi.SP' entweder gleich Pi.SP oder Null.)
Pi.PV	Istwert für Leistungsaufnahme der Funktionskomponente Pi. (Wird beispielsweise mittels des Leistungsreglers 49 mit üblicherweise hoher Dynamik entsprechend des vorgegebenen Sollwerts Pi.SP' eingestellt.)
Pi.σ	Typische prozentuale dynamische Streuung der Leistung Pi.PV. Kann bei guter Auslegung der Regelung relativ gering sein, beispielsweise in dem Bereich 1 bis 3%.

Weiterhin kann die biotechnologische Vorrichtung andere Funktionskomponenten Fj (j = 1, .., m) aufweisen, welche nicht direkt dem Leistungsmanagement unterliegen, sondern diesem vielmehr äußere, zeitlich variable Rahmenbedingungen für das Leistungsmanagement vorgeben. Typische Ausführungsbeispiele für die anderen Funktionskomponenten Fj sind Rührantriebe, Gasmischsysteme, Ventile und/oder Pumpenantriebe.
Im Gegensatz zu den Funktionskomponenten Pi, für die ein leichter, mittels reduzierter Leistungszuteilung verursachter Verzug der Ausregelung durchaus verkraftet werden kann, müssen bestimmte Funktionskomponenten jederzeit ihre volle Funktion erbringen können. Daher sollten diese nicht durch eine reduzierte Leistungszuteilung gestört werden, die im Rahmen des vorgeschlagenen Leistungsmanagements auftreten kann.

Die anderen Funktionskomponenten Fj weisen die folgenden Eigenschaften auf:

Fj.max	Maximale Leistungsaufnahme der anderen Funktionskomponente Fj, die mit Hilfe eines der jeweiligen anderen Funktionskomponente direkt zugeordneten Leistungsreglers sichergestellt wird.
Fj.PV \|Fj.PV\| <= Fj.max	Istwert der Leistungsaufnahme der anderen Funktionskomponente Fj
Fj.σ	prozentuale dynamische Streuung der Leistung Fj.PV

Den Funktionskomponenten Pi sowie den anderen Funktionskomponenten Fj wird eine Energieversorgung S bereitgestellt, bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die elektrische Energieversorgung 36.

Die Energieversorgung S weist die folgenden Eigenschaften auf.

S.max	Maximale Abgabeleistung der Energieversorgung S. (Die maximale Abgabeleistung kann in Abhängigkeit externer Faktoren wie Uhrzeit, Temperatur der Betriebsumgebung, Energiepreise in einem gewissen Bereich zeitlich schwanken, jedoch nicht unter einen vorgegebenen Minimalwert sinken.)
S.PV <= S.max	Aktuelle Abgabeleistung der Energieversorgung S.

Für die Auslegung der minimalen Abgabeleistung S.max können, so bekannt, Gleichzeitigkeitsfaktoren der elektrischen Leistungsaufnahmen für die Funktionskomponenten Pi und die anderen Funktionskomponenten Fj zugrunde gelegt werden. Die folgende Auslegung geht von einer Gleichzeitigkeit der anderen Funktionskomponenten Fj von 1 aus, d. h. alle Komponenten können gleichzeitig mit Fj.max betrieben werden.
Es wird zunächst die Summe der maximalen Leistungsaufnahmen der Funktionskomponenten Pi ermittelt:
Es wird sodann die Summe der maximalen Leistungsaufnahmen der anderen Funktionskomponenten Fj ermittelt:
Es wird dann der Minimalwert der maximalen Abgabeleistung der Versorgung S dimensioniert:
Der Faktor α liegt theoretisch in dem Bereich [0...1] und wird üblicherweise je nach Applikation beispielsweise in dem Bereich [0.2 ... 0.8] gewählt.
Bei der oben beschriebenen biotechnologischen Vorrichtung mit den Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n (vgl. 5) ist üblicherweise der größte Anteil der installierten Leistung bei den Funktionselementen Pi zur Temperierung zu finden.
Die komplette installierte Leistung der Wärmepumpen 28.1, ..., 28.n wird nur in seltenen Fällen benötigt; darüber hinaus wird in diesen Betriebsfällen von den anderen Funktionskomponenten Fj nur mit geringer Wahrscheinlichkeit die maximale Leistung Fj.max angefordert. Also kann hier der Faktor α relativ gering gewählt werden [0.2, ..., 0.5]. Eine Überdimensionierung der Versorgung mit den begleitenden negativen Folgen wie Kosten, Verlustleistung, Einschaltströme wird so vermieden.
Im Folgenden wird beispielhaft ein Verfahren zum Bestimmen der Verteilung der elektrischen Leistungsaufnahme beschrieben. Zunächst wird die aktuelle Betriebssituation hinsichtlich der elektrischen Leistungsaufnahme bestimmt.
Es wird die angeforderte Gesamtleistung der Funktionselemente Pi ermittelt. Hierbei kann optional mittels einer Streuung Pi.σi, d. h. in dem Fall Pi.σi > 0, eine individuelle dynamische Reserve berücksichtigt werden:
Auch wird der aktuelle Istwert der Gesamtleistung der anderen Funktionselemente Fj bestimmt. Mit der optionalen Berücksichtigung der Streuung Fj.σ, d. h. in dem Fall Fj.σ > 0, wird eine individuelle dynamische Reserve berücksichtigt:
Auf diese Weise sind optional die individuellen Leistungsaufnahmen der Funktionskomponenten Pi und/oder der anderen Funktionselemente Fj dynamisch veränderbar, zum Beispiel zur Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebssituationen.
Es wird dann die in der aktuellen Betriebssituation angeforderten Gesamtleistung S.sum bestimmt: S.sum = P.sum + F.sum
Wenn S.sum kleiner gleich dem aktuell verfügbaren maximalen Abgabewert der Energieversorgung S.max ist, kann allen Funktionselementen Pi die angeforderte Leistung sicher zur Verfügung gestellt werden: ∀_iPi.SP' = Pi.SP
Wenn jedoch S.sum größer als der aktuell verfügbare maximale Abgabewert der Versorgung S.max ist, so muss zum Aufrechterhalten eines sicheren Betriebs eine geeignete Verteilungsstrategie der verfügbaren Leistung zu den Funktionselementen Pi durchgeführt werden. Hierfür stehen alternative Ausgestaltungen zur Verfügung.
In einer Ausführung wird zunächst die an die Funktionselemente Pi verteilbare Gesamtleistung P.sum' ermittelt: P.sum' = S.max – F.sum
In einer bevorzugten Ausführung wird angestrebt, eine bestehende relative Verteilung der Leistung zwischen den Funktionselementen Pi fortzuführen. Dazu wird ein Reduktionsfaktor x berechnet, der in dem Bereich a ... 1 liegt:
In einem weiteren Schritt werden die individuellen Leistungs-Sollwerte Pi.SP' wie folgt berechnet: ∀_iPi.SP' = x·Pi.SP
Auf Basis dieser reduzierten Leistungssollwerte wird das Gesamtsystem sicher geführt.
Voraussetzung für die Umsetzung des beschriebene Regelungskonzeptes ist, dass die Funktionselementen Pi regelungsfähig sind im Sinne wenigstens einer der folgenden Arten:

– Es sind Elemente beteiligt, deren individuelle Leistungsaufnahme veränderbar/einstellbar ist.
– Es sind mehrere Elemente mit konstanter (nicht veränderbarer) Leistungsaufnahme beteiligt, die aber einzeln oder in Gruppen zu- und abschaltbar sind.

Die gesteuerte Bereitstellung der Leistung für die System- oder Funktionskomponenten kann einer Mittelung über allen beteiligten Komponenten entsprechend erfolgen, so dass jede Funktionskomponente den gleichen Leistungsanteil bereitgestellt bekommt. Alternativ oder überlagernd kann eine Wichtung zwischen den Systemkomponenten bei der Leistungsbereitstellung erfolgen. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass ausgewählten Systemkomponenten stets deren maximale Leistung bereitgestellt wird. Oder solche Systemkomponenten werden vom Abschalten ganz ausgeschlossen. Auch kann für solche Systemkomponenten vorgesehen sein, dass eine Verminderung der bereitgestellten Leistung auf einen bestimmten prozentualen Anteil begrenzt wird, zum Beispiel auf 30% der üblichen/maximalen Leistungsaufnahme.
Das vorgeschlagene Lastmanagement ist für eine beliebige Kombination von System- oder Funktionskomponenten des Bioreaktorsystems realisierbar. Die obige Beschreibung für Ausführungsbeispiel erfolgte unter Bezugnahme auf Temperiereinrichtungen. Vergleichbar kann zum Beispiel ein gemeinsames Lastmanagement für Rühreinrichtungen und/oder Temperiereinrichtungen erfolgen, die einem jeweiligen Bioreaktor im Bioreaktorsystem zugeordnet sind.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zum geregelten Betreiben einer biotechnologischen Vorrichtung, mit – einem oder mehreren Bioreaktoren, – Funktionskomponenten, die jeweils wenigstens einem Bioreaktor zugeordnet und beim Betreiben des wenigstens einen Bioreaktors zur Betriebsführung nutzbar sind, und – einer Regeleinrichtung, die an eine erste Gruppe von Funktionskomponenten koppelt, um im Betrieb Regelsignale zumindest an die erste Gruppe von Funktionskomponenten zu geben, wobei das Verfahren zum Regeln einer elektrischen Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten im Betrieb die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen von elektronischen Informationen über eine vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung, – Erzeugen eines jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung, – Bestimmen einer aktuell angeforderten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für eine aktuelle Betriebssituation, die sich unter Berücksichtigung des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die erste Gruppe von Funktionskomponenten ergibt, in der Regeleinrichtung, – Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für eine oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zur Leistungsoptimierung, wenn ein Vergleich ergibt, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten die aktuelle angeforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, derart, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten eine angepasste elektrische Gesamtleistungsaufnahme, die sich bei Berücksichtigung des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie wahlweise verbleibender nicht angepasster aktueller Leistungsregelsignale ergibt, nicht größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, und – Ausgeben des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie der wahlweise verbleibenden nicht angepassten aktuellen Leistungsregelsignale durch die Regeleinrichtung an die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten eine relative Leistungsverteilung aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der aktuellen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten eine den Funktionskomponenten der ersten Gruppe jeweils zugeordnete dynamische Leistungsreserve berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schritt zum Bestimmen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten ausgeführt wird, bei dem die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme bestimmt wird als die Differenz zwischen einer im Betrieb für die Funktionskomponenten maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Gesamtleistung und einer einer zweiten Gruppe von Funktionskomponenten zugeordneten elektrischen Leistungsaufnahme, wobei die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe, im Unterschied zu den Funktionskomponenten der ersten Gruppe, von einer Anpassung des ihnen jeweils zugeordneten aktuellen Leistungsregelsignals wenigstens dann ausgeschlossen werden, wenn die Anpassung eine Leistungsminderung für die jeweilige Funktionskomponente bewirken würde.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schritt zum Bestimmen der der zweiten Gruppe von Funktionskomponenten zugeordneten elektrischen Leistungsaufnahme ausgeführt wird, derart, dass für die Funktionskomponenten der zweiten Gruppe eine jeweilige maximale elektrische Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung einer den Funktionskomponenten jeweils zugeordneten dynamischen Leistungsreserve aufsummiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schritt zum Bestimmen der im Betrieb für die Funktionskomponenten maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Gesamtleistung ausgeführt wird, derart, das ein unterer Grenzwert für die maximal zur Verfügung stehende elektrische Gesamtleistung bestimmt wird, und dass der untere Grenzwert beim Bestimmen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die eine oder die mehreren Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten das angepasste Leistungsregelsignal jeweils derart bestimmt wird, dass die dem angepassten Leistungsregelsignal entsprechende angepasste Leistungsaufnahme stets kleiner gleich einer maximalen elektrischen Leistungsaufnahme der jeweiligen Funktionskomponente ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistungsaufnahme für Funktionskomponenten einer oder mehrerer Komponentenarten aus der folgenden Gruppe ausgeführt wird: Temperiereinrichtung, Sensoreinrichtung, Mischeinrichtung, Rührantrieb, Ventil, Fluidfördereinrichtung und Pumpenantrieb.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle Leistungsregelsignal für eine oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zum erhöhten Ausnutzen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme angepasst wird, wenn der Vergleich ergibt, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten die aktuelle elektrische Gesamtleistungsaufnahme kleiner als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, derart, dass sich eine angepasste elektrische Gesamtleistungsaufnahme ergibt, die größer als die aktuell geforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme und nicht größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zur Leistungsoptimierung und/oder das Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zum erhöhten Ausnutzen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme eine Leistungsumverteilung zwischen den mehreren Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zur Leistungsoptimierung und/oder beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals zum erhöhten Ausnutzen der vorgegebenen elektrischen Gesamtleistungsaufnahme ein oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zu- und/oder abgeschaltet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der elektrischen Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten in einem äußeren Regelkreis ausgeführt wird, welcher an einen oder mehrere innere Regelkreise koppelt.
Biotechnologische Vorrichtung, mit – einem oder mehreren Bioreaktoren, – Funktionskomponenten, die jeweils wenigstens einem Bioreaktor zugeordnet und beim Betreiben des wenigstens einen Bioreaktors zur Betriebsführung nutzbar sind, und – einer Regeleinrichtung, die an eine erste Gruppe von Funktionskomponenten koppelt, um im Betrieb Regelsignale zumindest an die erste Gruppe von Funktionskomponenten zu geben, wobei die Regeleinrichtung konfiguriert ist, im Betrieb eine elektrische Leistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten im Betrieb den folgenden Schritten entsprechend zu regeln: – Bereitstellen von elektronischen Informationen über eine vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme für die erste Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung, – Erzeugen eines jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten in der Regeleinrichtung, – Bestimmen einer aktuell angeforderten elektrischen Gesamtleistungsaufnahme für eine aktuelle Betriebssituation, die sich unter Berücksichtigung des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für die erste Gruppe von Funktionskomponenten ergibt, in der Regeleinrichtung, – Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für eine oder mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten zur Leistungsoptimierung, wenn ein Vergleich ergibt, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten die aktuell angeforderte elektrische Gesamtleistungsaufnahme größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, derart, dass für die erste Gruppe von Funktionskomponenten eine angepasste elektrische Gesamtleistungsaufnahme, die sich bei Berücksichtigung des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie wahlweise verbleibender nicht angepasster aktueller Leistungsregelsignale ergibt, nicht größer als die vorgegebene elektrische Gesamtleistungsaufnahme ist, und – Ausgeben des einen oder der mehreren angepassten Leistungsregelsignale sowie der wahlweise verbleibenden nicht angepassten aktuellen Leistungsregelsignale durch die Regeleinrichtung an die Funktionskomponenten der ersten Gruppe von Funktionskomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass das die Regeleinrichtung weiterhin konfiguriert ist, beim Anpassen des jeweiligen aktuellen Leistungsregelsignals für mehrere der Funktionskomponenten aus der ersten Gruppe von Funktionskomponenten eine relative Leistungsverteilung aufrechterhalten wird.