Messdatenaufzeichnung zur Prozessüberwachung eines Bioreaktors Seminarvortrag von Alexander Dohr Betreuer: Dipl.-Ing Martin Wunderlich 24. Januar 2013

Gliederung 1)Motivation zur Software-Neuentwicklung 2)Einführung in die Bioverfahrenstechnik 3)Hardwaresystem und Schnittstelle zum Computer 4)Anforderungen an die Software 5)Zusammenfassung und Ausblick Seminarvortrag 2

Motivation und Ziel Entwicklung neuer Methoden zur Prozessüberwachung in Bioreaktoren am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Situation:  Bioreaktor bietet Funktion die über Software nicht nutzbar ist  Überwachungssoftware müsste erweitert werden Seminarvortrag 3 Bisherige Software:  schlecht strukturiert  veraltet  nicht wartbar  nicht erweiterbar Ziel: Neue Software planen  Benutzerfreundlichkeit  Wartbarkeit  Erweiterbarkeit

Bioverfahrenstechnik Fermentation: Veredelung eines Stoffes durch biologische Verfahren  Mikroorganismen nehmen Ausgangsstoffe auf und erzeugen Stoffwechselprodukte Forschungsziel der Bioverfahrenstechnik:  Produktbildung möglichst gut überwachen und optimieren  Bestmöglicher Ertrag  nutzbar für die Industrie Seminarvortrag 4 Mikroorganismen  Bakterien  Hefen  Pilze

Endprodukte  Nachhaltige Produkte Biogas Bioethanol  Chemische Produkte Organische Säuren (Essigsäure, Zitronensäure) Industrie-Alkohole, Lösungsmittel  Medizinische Produkte Antibiotika, Impfstoffe Hormone (Insulin) Künstliche Gewebe  Nahrungs- und Genussmittel Bier, Wein, schwarzer Tee Milchprodukte Tabak Seminarvortrag 5

Fermentationsprozesse Bioreaktor:  Gefäß zur Züchtung und Lebenserhaltung des Organismus  Enthält Nährlösung mit Ausgangsstoffen Vor der Fermentation: 1)Sterilisierung von Bioreaktor und Nährlösung 2)Organismus hinzugeben  Animpfen Prozess abhängig von z.B. folgenden Größen: Temperatur pH-Wert Sauerstoffzufuhr/-gehalt in der Nährlösung Homogenisierung  Durchmischung Schüttelgeschwindigkeit, Rührerdrehzahl, Begasungsrate Seminarvortrag 6

Typischer Fermentationsprozess Seminarvortrag 7 Entnommen aus Wunderlich 2009

Prozessüberwachung durch Abgasanalytik Seminarvortrag 8 Entnommen aus Wunderlich 2009  Abgasanalyse liefert O 2 und CO 2 in Echtzeit  Aufschluss über Atmung und Produktbildung  Grundlage für Steuerungen und Regelungen

Reaktorsystem  50-L-Rührkesselreaktor bis 10 bar Überdruck  Sensoren Temperatur, Druck, pH-Wert, Rührerdrehzahl, …  Pumpen und Ventile pH-Stellmittel, Nährlösung, Gasgemisch  Heizregler und Kühlkreislauf  Schaltschrank Anzeige von Messsignalen Manuelle Steuerung oder Reglung von Stellgrößen  Waagen (stand-alone)  pH-Stellmittel, Nährlösung Seminarvortrag 9

I/O-Schnittstelle zum PC  Advantech ADA-Module Jedes Modul über Adresse ansprechbar Auflösungsbereiche für Spannung und Strom einstellbar Seminarvortrag 10 ADAM-4018: 8 Eingänge ADAM-4024: 4 Ausgänge ADAM-4520: Schnittstelle

Anforderungen an die Software

Regelungen Steuerungen Berechnungen Grundidee Seminarvortrag 12 Basissoftware Hardwarekonfiguration Grundkalibrierung Voreinstellungen zur Fermentation Fermentationsprozess Daten aufzeichnen grafisch darstellen speichern

Allgemeine Anforderungen  Pop-up-Fenster vermeiden  Stattdessen Gliederung in Registerkarten  Bessere Übersicht und Arbeitsfluss  Nutzung zusätzlicher Messinstrumente  Möglichkeit für Benutzer, die erforderlichen Messgrößen zur Laufzeit zu ergänzen  Möglichkeit zum Speichern und Laden von Fermentations- Voreinstellungen  Sprachauswahl für GUI und Ausgabedateien Seminarvortrag 13

Konfiguration der Hardware – GUI Entwurf 14

Kalibrierung von Mess- und Vorgabegrößen Seminarvortrag 15 Messwert [mV]Temperatur [°C] 7, ,540 2-Punkt-Kalibrierung: Kalibriergerade

Einstellungen vor Fermentationsbeginn  Auswahl von Zusatzmodulen  Softwareseitig werden zugehörige Größen und Berechnungen freigeschaltet  Weitere Einstellungen Berechnungsparameter Startwerte Abtast-; Berechnungs- und Speicherraten Grundpfad der Ausgabedateien Benutzername Versuchsbezeichnung Seminarvortrag 16

Messdatenaufzeichnung einleiten Seminarvortrag 17 Einstellungen auf Richtigkeit und Vollständigkeit prüfen [fehlgeschlagen] Hardwarekonfiguration testen [alles ok] Ausgabedateien erzeugen [Einstellungen fehlerhaft] Vorgang abbrechen und Nutzer benachrichtigen Fermentationsprozess starten Einstellungsbereiche sperren Einstellungsbereiche freigeben

Aufzeichnung der Daten Seminarvortrag 18 In regelmäßigen Zeitabständen: Aufzeichnung mit ADA- Modulen und Waagen Messwerte [roh] Umrechnung in die entsprechenden Einheiten Grund- kalibrierung Messwerte [kalibriert] Speicherung mit Zeitstempel zur weiteren Verarbeitung Zuordnung zu den entsprechenden Größen Hardware- konfiguration Messwerte [zugeordnet]

Grafische Darstellung der Daten Liniendiagramm Beliebig viele Plots und Achsen Darstellbare Größen jederzeit frei wählbar Achsenbereiche manuell oder automatisch Seminarvortrag 19 Tabelle Aktuelle Werte zu den im Diagramm ausgewählten Größen

Ausgabedateien  Log Benutzername, Datum, Versuchsbezeichnung, Rechnername, Hardwarekonfiguration, Grundkalibrierung, ausgewählte Module Protokollierung wichtiger Aktionen und Fehler  Start Startwerte (Beispiel: Anfangsfüllvolumen) Protokollierung von Probenahmen und Startwertänderungen mit Kommentar  Konti Online-Messwerte und direkt abgeleitete Größen In festgelegten Zeitabständen  Soll (bei vorhandenem Modul) Sollwertänderungen Seminarvortrag 20

Zusammenfassung  Fermentation: Veredelung von Stoffen durch biologische Prozesse  Bioverfahrenstechnik versucht Prozesse zu überwachen, zu optimieren und industriell nutzbar zu machen  Alte Software nicht für neue Methoden ausgelegt  Anforderungen an neue Software Konfiguration der Hardware Kalibrierung von Ein- und Ausgangsgrößen Einstellungen vor Fermentationsversuch Aufzeichnung, grafische Darstellung und Speicherung von Daten Modular erweiterbar Seminarvortrag 21

Ausblick  Implementierung der Basissoftware  Zusatzmodule: Prozessüberwachung durch Abgasanalytik Sollwertvorgabe von Rührerdrehzahl und Begasungsrate Automatische geregelte Zugabe der Nährlösung  Bachelorarbeit: Erstellung und Integration eines Kalorimetrie-Moduls  Komplexe Methode zur Prozessüberwachung  Bestimmung von Wärmemengen ermöglicht Rückschluss auf Aktivitäten von Mikroorganismen Seminarvortrag 22 Kalorimetrie Basissoftware

Danke für eure Aufmerksamkeit Gibt es Fragen?

Quellen Literatur:  Wunderlich, M. (2009). „Essigsäureethylestergewinnung aus lactosehaltigen Abprodukten der Milchindustrie mit Kluyveromyces marxianus“. Diplomarbeit. Fakultät Maschinenewesen Technische Universität Dresden.  Boeke, J. D. und S. Richardson (28. Nov. 2012). Yeast cells of the species Saccharomyces cerevisiae. url: Internet:   Seminarvortrag 24

Zusatzfolien (nicht Teil des Vortrags)

Beispielfermentation Nährlösung:  Molke  Zucker (Kohlenstoffquelle)  Sauerstoff Mikroorganismus:  Hefe Gewünschte Produkte:  Essigsäureethylester  Ethanol Seminarvortrag 26 Grafik entnommen aus Boeke und Richardson 2012 Hefezellen unter dem Elektronenmikroskop

Batch-Prozess Seminarvortrag 27 Entnommen aus Wunderlich 2009 Anlaufphase Beschleunigungsphase Exponentielle Phase VerzögerungsphaseStationäre Phase Absterbe-Phase

Prozessüberwachung durch Abgasanalytik Seminarvortrag 28 Entnommen aus Wunderlich 2009 Anlaufphase Beschleunigungsphase Exponentielle Phase VerzögerungsphaseStationäre Phase Absterbephase  Abgasanalyse liefert O 2 und CO 2 in Echtzeit  Aufschluss über Atmung und Produktbildung  Grundlage für Steuerungen und Regelungen

Fed-Batch-Prozess  Anfang wie Batch-Prozess  Geringere Menge an Nährlösung zu Beginn  Nährlösung kontinuierlich hinzugeben Vorteile:  Vermeidung von Substratüberschussinhibierung  Kontrollierte Substratlimitierung Förderung bestimmter Produkte Seminarvortrag 29 Volumenanstieg durch Zufütterung Nährlösung

Regelungen pH-Wert:  Nur Lauge zum Anheben des pH-Wertes  Regelung über Schaltschrank anhand der pH-Sonde  Waagen-Signal softwaremäßig aufgezeichnet Kohlenstoffzufuhr (nur bei Fed-Batch-Prozess)  Kohlenstoffkonzentration nicht direkt messbar  Keine Referenzwert für Regelung mit Sollwert 1.Manuell über Schaltschrank 2.Regelung über Software anhand des Waagen-Signals Seminarvortrag 30