Online-Überwachung und Steuerung der Fermentationsparameter (pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Temperatur, Rührgeschwindigkeit) während des biologischen Fermentationsprozesses
Einführung
Biologische Fermentation Die Fermentation ist ein biologischer Prozess, der in Bereichen wie der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie weit verbreitet ist. Ihr Kern besteht in der Synthese von Zielprodukten durch die Nutzung der Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen unter spezifischen Bedingungen. Der Erfolg der Fermentation hängt eng mit der präzisen Steuerung der Kultivierungsumgebung zusammen. Um die Produktausbeute zu erhöhen, den Fermentationszyklus zu verkürzen und die Qualitätsstabilität zu gewährleisten, ist eine Echtzeit-Online-Überwachung und automatische Steuerung der Fermentationsparameter erforderlich. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Online-Überwachungsmethoden und Steuerungsstrategien für einige Schlüsselparameter der biologischen Fermentation – pH-Wert, Sauerstoffkonzentration (DO), Temperatur und Rührgeschwindigkeit – sowie deren Bedeutung für praktische industrielle Anwendungen.
I. Online-Überwachung und -Regelung des pH-Werts
1. Die Bedeutung des pH-Werts
Der pH-Wert ist ein wichtiger Parameter, der Wachstum und Stoffwechsel von Mikroorganismen beeinflusst. Mikroorganismen weisen einen engen pH-Bereich auf, in dem sie optimal reagieren können. Sowohl ein zu saurer als auch ein zu alkalischer pH-Wert können die Aktivität von Enzymen, die Durchlässigkeit der Zellmembranen und die Stoffwechselrate beeinträchtigen. Beispielsweise liegt der optimale pH-Wert für Milchsäurebakterien zwischen 5,5 und 6,0. Während der Fermentation von Penicillin ist ein pH-Wert zwischen 6,5 und 7,5 ideal.
2. Online-Überwachungsmethoden
Die Online-pH-Wert-Überwachung basiert hauptsächlich auf pH-Sensoren mit Elektroden, deren Kernstück ein System zur Potenzialdifferenzmessung mit einer Glaselektrode und einer Referenzelektrode ist. Moderne pH-Sensoren verfügen über eine automatische Temperaturkompensation und sind unempfindlich gegenüber Verschmutzungen, was eine stabile Langzeitmessung ermöglicht.
3. Kontrollstrategie
Die pH-Wert-Regelung erfolgt üblicherweise über ein automatisches Säure-/Laugen-Zudosierungssystem. Die Steuerung passt die Peristaltikpumpe oder das Magnetventil automatisch an die Abweichung zwischen Sollwert und Messwert an, um Säure (z. B. HCl) oder Lauge (z. B. NaOH) tropfenweise zuzugeben. Gängige Regelalgorithmen sind:
- PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler)
- Fuzzy-Regelung (anwendbar auf nichtlineare Reaktionen)
- Segmentierte Steuerung (mehrstufige Einstellwerte)
MIKEBIO 100T Produktionsfermentationssystem für Bacillus
II. Online-Überwachung und -Steuerung des gelösten Sauerstoffs (DO)
1. Die Rolle von DO
Sauerstoff ist das wichtigste Atmungssubstrat im aeroben Fermentationsprozess. Ein zu niedriger Sauerstoffgehalt führt dazu, dass Mikroorganismen auf anaerobe Stoffwechselwege umstellen, wodurch Nebenprodukte entstehen und die Ausbeute sinkt. Ein Sauerstoffüberschuss kann hingegen zu Sauerstofftoxizität oder Energieverschwendung führen. Daher ist die Sauerstoffkontrolle insbesondere bei der Hochdichtefermentation von großer Bedeutung.
2. Online-Überwachungstechnologie
Die Online-Erkennung von DO lässt sich in zwei Haupttechnologien unterteilen:
Clark-Elektrodenmethode: Eine klassische Sauerstoffelektrodentechnik, die die Konzentration des gelösten Sauerstoffs durch Messung des Stroms berechnet.
Fluoreszenzlöschungsmethode (optischer DO-Sensor): Basierend auf dem Löscheffekt fluoreszierender Materialien auf Sauerstoff, zeichnet sie sich durch hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktion, wartungsfreien Betrieb aus und eignet sich für die Langzeitfermentation.
3. Kontrollmaßnahmen
Die Kontrolle von DO kann durch folgende Mittel erreicht werden:
- Anpassung der Rührgeschwindigkeit: Erhöhen Sie die Rührgeschwindigkeit, um die Gas-Flüssigkeits-Mischung zu fördern und die Sauerstoffübertragungsrate zu verbessern.
- Ventilationsvolumenregulierung: Die Zufuhr von Luft oder reinem Sauerstoff wird über einen Durchflussmesser gesteuert.
- Reiner Sauerstoffzusatz: Er wird häufig bei der Fermentation mit hoher Dichte eingesetzt, um einen Mangel an gelöstem Sauerstoff zu verhindern.
- Verriegelnde Steuerungsstrategie: wie z. B. die bidirektionale Verriegelung von „Rühren – Belüften“, um einen konstanten Sauerstoffgehalt aufrechtzuerhalten.
Ein typisches Steuerungssystem verwendet eine hierarchische Steuerungsstrategie, bei der zunächst die Rührung, dann die Belüftung und erst zuletzt die Zufuhr von reinem Sauerstoff priorisiert wird.
III. Online-Überwachung und -Steuerung der Temperatur
1. Die Rolle der Temperatur bei der Fermentation
Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor, der die Enzymaktivität, die Stoffwechselrate und die Zellmembranpermeabilität von Mikroorganismen beeinflusst. Die erforderlichen Temperaturen variieren in den einzelnen Phasen des Fermentationsprozesses, und eine geeignete Temperaturregelung sollte entsprechend den Eigenschaften des jeweiligen Stammes erstellt werden. Beispielsweise ist es für die Fermentation von Streptomyces-Produkten optimal, die Temperatur bei 28 °C zu halten.
2. Online-Überwachung und Ausrüstung
Zur Temperaturüberwachung werden typischerweise Thermoelemente (z. B. vom Typ K) oder thermische Widerstände (z. B. Pt100) eingesetzt, die im Inneren des Gärbehälters installiert sind. Die Datenerfassung erfolgt über das Gärungskontrollsystem.
3. Steuermodus
Das Temperaturregelungssystem realisiert Heiz- und Kühlvorgänge mittels Kühlwassermantel oder elektrischer Heizung. Es erfasst Temperaturdaten in Echtzeit und passt die Temperatur nach Vergleich mit dem Sollwert automatisch an.
- Leistungsabgabe des elektrischen Heizgeräts
- Öffnungsgrad des Kühlwasserventils
- Dampfstromregelung (Industrielle Großtanks)
Die meisten modernen Steuerungssysteme verwenden eine geschlossene PID-Regelung, um die Temperaturstabilität zu gewährleisten.
IV. Online-Überwachung und -Steuerung der Rührgeschwindigkeit
1. Die Funktion des Rührens
- Das Umrühren spielt im Gärungsprozess eine dreifache Rolle:
- Förderung der Gas-Flüssigkeits-Mischung und Verbesserung der Sauerstoffübertragungseffizienz;
- Gleichmäßige Temperatur- und Nährstoffverteilung;
- Zellablagerungen oder Verklumpungen verhindern.
2. Kontroll- und Messmethoden
Die Rührgeschwindigkeit wird von einem Motor angetrieben und über einen Frequenzumrichter stufenlos geregelt. Die Rührgeschwindigkeit wird üblicherweise von einem Drehzahlsensor (z. B. einem Encoder) erfasst, und der Regler passt das Frequenzsignal entsprechend an.
3. Verriegelungssteuerungsmodus
Die Rührgeschwindigkeit ist häufig mit der Sauerstoffregelung verknüpft. Sinkt beispielsweise der Sauerstoffgehalt, wird die Rührgeschwindigkeit automatisch erhöht (bis zu 600–1200 U/min), um den Sauerstoffaustausch zu verbessern. Lässt sich der Sauerstoffgehalt trotz maximaler Rührgeschwindigkeit nicht weiter erhöhen, sollte auf Belüftung oder reine Sauerstoffzufuhr umgeschaltet werden.
V. Integriertes automatisches Steuerungssystem
In modern biologische FermentationssystemeDie Überwachung und Steuerung verschiedener Parameter erfolgt einheitlich über verteilte Steuerungssysteme (DCS) oder integrierte Systeme. Bioreaktor Steuerungsplattformen. Zu diesen Systemen gehören:
- Online-Sensormodule (pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Temperatur, Drehzahl usw.).
- Signalerfassung und Steuerung (SPS, DCS usw.).
- Regelungsstrategien (PID, Fuzzy-Logik, adaptive Regelung)
- Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI): Echtzeitdiagramme, Alarme, Datenaufzeichnung
Durch die Voreinstellung des Prozessablaufdiagramms können die Bediener in Echtzeit in jeden Parameter eingreifen, oder das System kann die Programmsteuerung automatisch ausführen, um einen effizienten und wiederholbaren Produktionsprozess zu erreichen.
VI. Herausforderungen und Entwicklungstrends
1. Die Stabilität des kontinuierlichen Online-Sensors
Herkömmliche pH- und DO-Elektroden sind sehr anfällig für Verunreinigungen und Drift und erfordern regelmäßige Kalibrierung. Zukünftig wird sich die Sensortechnologie in Richtung wartungsfreier, korrosionsbeständiger und hochempfindlicher Sensoren entwickeln.
2. Integration intelligenter Steuerungssysteme
Durch die Integration von künstlicher Intelligenz und Big-Data-Technologien in den Fermentationsprozess zum Aufbau einer intelligenten Fermentationsfabrik können eine vorausschauende Steuerung, Prozessoptimierung und Frühwarnung vor Fehlern erreicht werden.
3. Kollaborative Optimierung mit mehreren Parametern
Der Fermentationsprozess ist ein multivariables, nichtlineares und dynamisches System. Zukünftige Regelungsstrategien werden sich verstärkt auf multivariate Fuzzy-Regelalgorithmen oder modellprädiktive Regelung (MPC) stützen, um eine adaptive Optimierung des gesamten Prozesses zu erreichen.
MIKEBIO Pilot-Bioreaktor-Fermentationssystem für Pflanzenernährung
Abschluss
Die Online-Überwachung und -Steuerung von Fermentationsparametern ist entscheidend für den reibungslosen Ablauf mikrobieller Fermentation. pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Temperatur und Rührgeschwindigkeit sind zwar grundlegende Steuerungsparameter, bestimmen aber gemeinsam den Wachstumszustand der Zellen und die Produktbildungsrate. Mit der Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung und intelligenten Fertigung wird die biologische Fermentation zukünftig stärker auf präzise, effiziente und intelligente Prozesssteuerungstechnologien angewiesen sein und so den kontinuierlichen Fortschritt der Biotechnologie hin zu hoher Qualität, hoher Effizienz und niedrigem Energieverbrauch fördern.
Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.
Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.