Modellgestützte Verfahren zur Beobachtung und Steuerung bioverfahrenstechnischer Prozesse:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
2006
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschritt-Berichte VDI
Reihe 17, Biotechnik/Medizintechnik ; 261 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zugl.: Hamburg, Hochsch. für Angewandte Wiss. |
| Beschreibung: | XII, 157 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3183261170 |
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|---|---|
| adam_text | Inhalt V
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
1.1 Hintergrund und Motivation 1
1.2 Zielsetzung der Arbeit 3
2. Hochzelldichtekultivierung von Escherichia coli 5
2.1 Standardverfahren zur Erlangung hoher Zelldichten 6
2.2 Mikro- und molekularbiologische Grundlagen 8
2.2.1 Eingesetzte Stämme und Plasmide 9
2.2.2 Stoffwechselvorgänge in Escherichia coli 11
2.2.3 Das Modellprotein Green Fluorescent Protein (GFP) 14
2.2.4 Induktionsabläufe 15
2.2.5 Bildung von Inclusion Bodies 16
3. Monitoring von Bioreaktionsprozessen 18
3.1 Erwünschte Informationen eines Bioprozesses 18
3.2 Klassische Instrumentierung von Bioreaktoren 20
3.2.1 Ausstattung der Laborfermenter BIOSTAT C und Bplus 20
3.3 Einbindung analytischer Messmethoden 23
3.3.1 Inline-Messtechnik 24
3.3.2 Online-Messtechnik 29
3.3.3 Atline-Messtechnik 29
3.3.4 Offline-Messtechnik 38
4. Erweiterte Automatisierungstechnik von Bioreaktoren 40
4.1 Das Automatisjerungs- und Datenerfassungskonzept 40
4.2 Die Integration der Analysen- und Automatisierungskomponenten 41
4.3 Das SCADA-System MFCS/win 2.1 43
4.3.1 Der ISA S88-Standard 44
4.3.2 DasMFCS-Tool 45
4.4 Die wissenschaftliche Entwicklungsumgebung MATLAB 46
4.4.1 Verwendete Toolboxen 46
4.4.2 Das biotechnologische Simulations-System BIOSS 46
VI Inhalt
5. Systemtheoretische Analyse biotechnologischer Prozesse 50
5.1 Bilanzierung der Teilprozesse 50
5.1.1 Das Dreiphasenmodell 50
5.1.2 Die Beschreibung des Bioreaktionsraums L 52
5.1.3 Die Biofeuchtphase Z 53
5.1.4 Die allgemeinen Bilanzen in der Medienphase M 54
5.1.5 Die Ermittlung zellspezifischer Reaktionsraten 55
5.2 Ein erster reaktionskinetischer Ansatz 58
5.3 Ermittlung der globalen Substrat- und Sauerstoffparameter 60
6. Modellbasiertes Monitoring und Control der Prozesse 66
6.1 Prozessbeobachtung über volumetrische Bilanzen 66
6.1.1 Sauerstoff- und Kohlendioxidbilanzgleichungen 66
6.1.2 Bilanzierung der Substratversorgung in der Fed Batch-Phase 71
6.1.3 Online-Bilanzierung der zellspezifischen Wachstumsrate 71
6.1.4 Aufstellung von Elementarbilanzen 74
6.2 Rekonstruktion der Zelldichte 77
6.2.1 Die Berechnung der Zelldichte über die Massenströme 77
6.2.2 Die Ermittlung der Zelldichte über Elementarbilanzen 78
6.3 Führung der zellspezifischen Wachstumsrate 79
6.3.1 Die ^-Steuerung 79
6.3.2 Das u-stat Prinzip 82
6.4 Online-Beobachtung zellspezifischer Reaktionsraten 86
6.5 Online-Monitoring eines GFP-Produktionsprozesses 89
7. Modellbildung und Simulation 96
7.1 Dynamisches Modell der Kultivierung von E. coli 96
7.1.1 Volumenbilanzen 96
7.1.2 Konzentrationsbilanzen 97
7.2 Die Reaktionskinetiken 100
7.2.1 Der erweiterte globale Reaktionsansatz 100
Inhalt VII
7.3 Parameteridentifikationsverfahren und Methoden
zur Bestimmung der Sensitivität und Schätzgenauigkeit 108
7.3.1 Identifikation von Parametern 109
7.3.2 Sensitivitätsanalyse 110
7.3.3 Parameterschätzgenauigkeit 111
7.4 Simulation beispielhafter Kultivierungen 113
7.4.1 Untersuchung der Beschreibung einer beispielhaften
Hochzelldichtekultivierung durch das entwickelte Modell 113
7.4.2 Validierung des Modells anhand weiterer Kultivierungen 120
7.5 Erweiterung des Modells durch ein pH-System 125
7.5.1 Das pH-Modell 125
7.5.2 Eine beispielhafte Batch-Phase 127
8. Modellbasierte prädiktive Führung von
biotechnologischen Herstellungsprozessen 130
8.1 Prinzipielle Produktbildungskinetiken 131
8.2 Das Optimierungsproblem 134
8.3 Das Prädiktor/Korrektor-Verfahren 139
8.4 Ein Applikationsbeispiel der prädiktiven Prozessführung
bei der Herstellung von Glycinoxidase 142
9. Zusammenfassung 145
10. Anhang 147
10.1 Kultivierungsbedingungen 147
10.2 Medienzusammensetzung 147
10.2.1 Kultivierungsmedium 147
10.2.2 Zusammensetzung der Reagenzien zur Ammoniumbestimmung
mit der TAS 2000 148
10.3 Verwendete Offline-Messtechnik 148
11. Literaturverzeichnis 152
|
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Inhalt V
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
1.1 Hintergrund und Motivation 1
1.2 Zielsetzung der Arbeit 3
2. Hochzelldichtekultivierung von Escherichia coli 5
2.1 Standardverfahren zur Erlangung hoher Zelldichten 6
2.2 Mikro- und molekularbiologische Grundlagen 8
2.2.1 Eingesetzte Stämme und Plasmide 9
2.2.2 Stoffwechselvorgänge in Escherichia coli 11
2.2.3 Das Modellprotein Green Fluorescent Protein (GFP) 14
2.2.4 Induktionsabläufe 15
2.2.5 Bildung von Inclusion Bodies 16
3. Monitoring von Bioreaktionsprozessen 18
3.1 Erwünschte Informationen eines Bioprozesses 18
3.2 Klassische Instrumentierung von Bioreaktoren 20
3.2.1 Ausstattung der Laborfermenter BIOSTAT C und Bplus 20
3.3 Einbindung analytischer Messmethoden 23
3.3.1 Inline-Messtechnik 24
3.3.2 Online-Messtechnik 29
3.3.3 Atline-Messtechnik 29
3.3.4 Offline-Messtechnik 38
4. Erweiterte Automatisierungstechnik von Bioreaktoren 40
4.1 Das Automatisjerungs- und Datenerfassungskonzept 40
4.2 Die Integration der Analysen- und Automatisierungskomponenten 41
4.3 Das SCADA-System MFCS/win 2.1 43
4.3.1 Der ISA S88-Standard 44
4.3.2 DasMFCS-Tool 45
4.4 Die wissenschaftliche Entwicklungsumgebung MATLAB 46
4.4.1 Verwendete Toolboxen 46
4.4.2 Das biotechnologische Simulations-System BIOSS 46
VI Inhalt
5. Systemtheoretische Analyse biotechnologischer Prozesse 50
5.1 Bilanzierung der Teilprozesse 50
5.1.1 Das Dreiphasenmodell 50
5.1.2 Die Beschreibung des Bioreaktionsraums L 52
5.1.3 Die Biofeuchtphase Z 53
5.1.4 Die allgemeinen Bilanzen in der Medienphase M 54
5.1.5 Die Ermittlung zellspezifischer Reaktionsraten 55
5.2 Ein erster reaktionskinetischer Ansatz 58
5.3 Ermittlung der globalen Substrat- und Sauerstoffparameter 60
6. Modellbasiertes Monitoring und Control der Prozesse 66
6.1 Prozessbeobachtung über volumetrische Bilanzen 66
6.1.1 Sauerstoff- und Kohlendioxidbilanzgleichungen 66
6.1.2 Bilanzierung der Substratversorgung in der Fed Batch-Phase 71
6.1.3 Online-Bilanzierung der zellspezifischen Wachstumsrate 71
6.1.4 Aufstellung von Elementarbilanzen 74
6.2 Rekonstruktion der Zelldichte 77
6.2.1 Die Berechnung der Zelldichte über die Massenströme 77
6.2.2 Die Ermittlung der Zelldichte über Elementarbilanzen 78
6.3 Führung der zellspezifischen Wachstumsrate 79
6.3.1 Die ^-Steuerung 79
6.3.2 Das u-stat Prinzip 82
6.4 Online-Beobachtung zellspezifischer Reaktionsraten 86
6.5 Online-Monitoring eines GFP-Produktionsprozesses 89
7. Modellbildung und Simulation 96
7.1 Dynamisches Modell der Kultivierung von E. coli 96
7.1.1 Volumenbilanzen 96
7.1.2 Konzentrationsbilanzen 97
7.2 Die Reaktionskinetiken 100
7.2.1 Der erweiterte globale Reaktionsansatz 100
Inhalt VII
7.3 Parameteridentifikationsverfahren und Methoden
zur Bestimmung der Sensitivität und Schätzgenauigkeit 108
7.3.1 Identifikation von Parametern 109
7.3.2 Sensitivitätsanalyse 110
7.3.3 Parameterschätzgenauigkeit 111
7.4 Simulation beispielhafter Kultivierungen 113
7.4.1 Untersuchung der Beschreibung einer beispielhaften
Hochzelldichtekultivierung durch das entwickelte Modell 113
7.4.2 Validierung des Modells anhand weiterer Kultivierungen 120
7.5 Erweiterung des Modells durch ein pH-System 125
7.5.1 Das pH-Modell 125
7.5.2 Eine beispielhafte Batch-Phase 127
8. Modellbasierte prädiktive Führung von
biotechnologischen Herstellungsprozessen 130
8.1 Prinzipielle Produktbildungskinetiken 131
8.2 Das Optimierungsproblem 134
8.3 Das Prädiktor/Korrektor-Verfahren 139
8.4 Ein Applikationsbeispiel der prädiktiven Prozessführung
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9. Zusammenfassung 145
10. Anhang 147
10.1 Kultivierungsbedingungen 147
10.2 Medienzusammensetzung 147
10.2.1 Kultivierungsmedium 147
10.2.2 Zusammensetzung der Reagenzien zur Ammoniumbestimmung
mit der TAS 2000 148
10.3 Verwendete Offline-Messtechnik 148
11. Literaturverzeichnis 152 |
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