Thema: Bioanalytik, Mess- und Regeltechnik

Blitzlicht

Online-Glukoseregelung für bessere Bioprozesse

Glukose ist das Substrat für die meisten Mikroorganismen und Säugerzellen und hat starke Wirkungen auf Zellwachstum und Stoffwechsel. Deshalb sollte die Glukosekonzentration während der Kultivierung zeitnah überwacht und wenn möglich geregelt werden. Häufig werden Zellen zunächst bei hohen Glukosekonzentrationen vermehrt und dann bei niedrigen Konzentrationen für die Produktion der gewünschten Produkte gehalten. In diesem Beitrag wird eine kombinierte Messung und PID-Regelung vorgestellt und charakterisiert.

Um die Glukosekonzentration konstant zu halten, wurden bisher vor allem Zweipunktregler genutzt. Ihr Regelprinzip ist einfach: Für die Fütterungspumpe werden zwei Konzentrationswerte festgelegt. Sind sie erreicht, wird die Pumpe an- beziehungsweise ausgeschaltet. Die tatsächliche Glukosekonzentration im Medium schwankt demnach, was für die Zellen zusätzlichen Stress bedeutet. Indem Förderrate und Vorlagekonzentration angepasst werden, lassen sich Konzentrationsschwankungen und Zellstress minimieren. Dafür können PID-Regler (proportional inte­gral derivative) eingesetzt werden. Sie bestehen aus drei Teilreglern, die zusammenwirken: Proportionalregler (P), Integralregler (I) und  Differentialregler (D). Das Übergangsverhalten des Reglers wird durch eine Differentialgleichung beschrieben. Durch den I-Anteil kann die bleibende Regelabweichung, die bei einem reinen P-Regler entsteht, ausgeglichen werden. Mit Hilfe des D-Anteils kann der Regler auf schnelle Konzentrationsänderungen im Reaktor reagieren. Der PID-Regler ist deshalb für Zufütterungsprozesse deutlich besser geeignet als ein konventioneller Zweipunktregler. Nachteilig war bisher, dass für die Implementierung eines PID-Reglers eine Prozesssteuerung notwendig war, was den apparativen Aufwand deutlich erhöhte. Heutzutage werden in der Praxis häufig empirische Dimensionierungen eingesetzt. Diese lassen sich auch im Bereich der Biotechnologie gut verwenden.
Das TRACE C2 Control ist ein Online-Analysengerät zur PID-Regelung von Glukose und zur gleichzeitigen Messung von Laktat. Die Methode zur Messung beider Parameter beruht auf der etablierten enzymatischen Bestimmung mittels oxidase-basierten Biosensoren. Diese amperometrischen Sensoren sind in vorkonfektionierten Single-Use-Schlauchsets integriert. Der Bereich, in dem eine Regelung möglich ist, liegt zwischen 0,1 g/L und 40 g/L Glukose. Zusätzlich kann der Parameter Laktat zwischen 0,05 g/L und 10 g/L gemessen werden. Die Messfrequenz liegt je nach Applikation bei maximal 60 Messungen pro Stunde – ausreichend hoch, um auch mikrobielle Prozesse sicher verfolgen und regeln zu können

Kompletter Mess- und Regelkreisin einem Gerät

Mit Hilfe des im Messgerät integrierten PID-Reglers kann die Glukosekonzentration in Zellkultivierungen auf sehr niedrigem Niveau konstant gehalten werden. Die eingebaute Fütterungspumpe ist für Bioreaktoren bis etwa 5 L Arbeitsvolumen geeignet. Für geregelte Fütterungen in größeren Bioreaktoren können über die serielle Schnittstelle externe digitale Pumpen direkt angesteuert werden.

Für eine erste Dimensionierung des PID-Reglers wurden zunächst Störversuche in einem Glasfermenter mit einem Füllvolumen von 1,5 L durchgeführt, um das Verhalten des Reglers zu überprüfen. Der Sollwert wurde auf 5 g/L Glukose eingestellt und eine Glukoseverbrauchsrate von 1 g/(L*h) wurde vorgegeben. Eine 200 g/L Glukoselösung wurde mit Hilfe der internen Pumpe automatisch zugefüttert. Das System wurde mehrfach durch Zugabe von Wasser aus dem Gleichgewicht gebracht und damit die Glukosekonzentration jeweils von 5 g/L auf 3 g/L gesenkt. Durch die jeweilige Sprungantwort wurden die Parameter des PID-Reglers mittels empirischer Dimensionierung optimiert. Der Regelbereich (+/-10%) wurde so statt nach 50 Minuten schon nach 15 Minuten erreicht.

Auf der Basis der Versuche können folgende Werte für Zellkulturen (mikrobielle Prozesse) als initiale Einstellungen am TRACE C2 verwendet werden: P-Anteil: 0,01–0,1 %/(g/L) (0,1–0,5%/(g/L)), I-Anteil (Nachstellzeit): 60 min (45 min) und D-Anteil (Vorhaltzeit): 1 min (2 min). Mit der optimierten Reglereinstellung wurde eine Laktobazillus-Kultivierung bei der Fa. ATB, Potsdam unter industriellen Bedingungen durchgeführt (siehe Abbildung 1). Zunächst wurde die Kultur im Batchbetrieb mit ca. 30 g/L Glukose gestartet und bis zum Verbrauch der Glukose gefahren. Anschließend wurde der Regler auf einen Sollwert von 2 g/L eingestellt. Der Regelbereich wurde schnell erreicht und nicht mehr verlassen. Somit war eine zuverlässige Regelung bereits mit diesen ersten empirisch ermittelten Einstellungen möglich. In weiteren Versuchen kann das Einschwingverhalten weiter optimiert werden.

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2/2015

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