Entwicklung eines Echtzeit-Ausbildungs-Simulators für Fermentationen in Rührkesselreaktoren
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Diplomarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Medizin - Biomedizinische Technik, Note: 1,1, Fachhochschule Jena (Medizintechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:Ein wesentlicher Bestandteil der biotechnischen Ausbildung sind aufwändige und teure Kultivierungsexperimente. Um Schülern, Auszubildenden und Studierenden den Zugang zu diesen komplexen Experimenten zu erleichtern, können Simulationsexperimente in die Ausbildung integriert werden.Das Ziel dieser Arbeit war es, einen Simulator zur Echtzeitsimulation von Kultivierungs- und Fermentationsprozessen in begasten Rüh...
Diplomarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Medizin - Biomedizinische Technik, Note: 1,1, Fachhochschule Jena (Medizintechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Ein wesentlicher Bestandteil der biotechnischen Ausbildung sind aufwändige und teure Kultivierungsexperimente. Um Schülern, Auszubildenden und Studierenden den Zugang zu diesen komplexen Experimenten zu erleichtern, können Simulationsexperimente in die Ausbildung integriert werden.
Das Ziel dieser Arbeit war es, einen Simulator zur Echtzeitsimulation von Kultivierungs- und Fermentationsprozessen in begasten Rührkesselreaktoren zu entwickeln.
Das entwickelte modulare mathematische Modell besteht aus verschiedenen Teilmodellen, die auf bereits experimentell verifizierten Gesetzmäßigkeiten basieren. Die Teilmodelle bestehen im wesentlichen aus Bilanzgleichungen, aus phänomenologischen Beziehungen, aus Korrelationen zur Modellierung von Stoffeigenschaften und aus Kinetiken.
Das Gesamtmodell beinhaltet u.a. Wärmedurchgang, mikrobielle Wärmeentwicklung, Stoffeigenschaften als Funktion der Prozesstemperatur, Sauerstoffübergang als Funktion von Begasung und Rührerdrehzahl, Insitu-Sterilisation und Schaumbildung sowie die realistische (verrauschte) Darstellung der Online- und Offline-Daten.
Das biologische Teilmodell basiert auf einem neu entwickelten massenbilanzierten Modell zur Beschreibung des Wachstums von Saccharomyces cerevisiae. Es berücksichtigt das aerobe und anaerobe Wachstum auf Glucose, das aerobe Wachstum auf Ethanol, den Crabtreeeffekt, den Pasteureffekt und die Katabolitrepression unter Anwesenheit von Ethanol.
Um den Entwurf von Regelungs- und Prozessführungskonzepten zu ermöglichen, wurde das Modell in das Prozessleitsystem WinErs implementiert.
Mit dem so entstandenen Simulator können alle wichtigen verfahrenstechnischen und biologischen Effekte einer Fermentation sehr realistisch in Echtzeit abgebildet werden. Der Simulator eignet sich sehr gut, um Lernenden biotechnische Produktionsprozesse näher zu bringen. Wegen seiner Modularität ist es möglich, den Simulator leicht an real existierende Prozesse anzupassen, um z.B. auch Anlagenpersonal zu schulen.
Die in der Studie erwähnte CD ist nicht im Lieferumfang enthalten, da sie für das Verständnis der Studie nicht notwendig ist.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung5
2.Zieldefinition6
3.Realisierung6
4.Grundlagen7
4.1Grundlagen der Simulationstechnik7
4.1.1Simulation bioverfahrenstechnischer Prozesse8
4.1.2Schulungs- und Trainingssimulatoren9
4.1.3Anforderungen an die Echtzeitsimulation10
4.1.4Grundlagen zu WinErs10
4.2Aufgaben des Rührkesselreaktors15
4.2.1Leistungseintrag in homogener Flüssigkeit16
4.2.1.1Pneumatischer Leistungseintrag in homogener Flüssigkeit16
4.2.1.2Rührleistung in homogener Flüssigkeit17
4.2.2Sauerstoffeintrag in Fermentationsbrühen18
4.2.2.1Vorgänge an der Phasengrenze gasförmig/flüssig Zweifilmtheorie19
4.2.2.2Stoffaustausch in dispersen Gas/Flüssigsystemen20
4.2.2.3Reinsauerstoffbegasung und Erhöhung des Gesamtdruckes im System21
4.2.3Grundlagen der Wärmeübertragung22
4.2.3.1Wärmeleitung23
4.2.3.2Konvektiver Wärmetransport23
4.2.3.3Wärmestrahlung23
4.2.3.4Wärmedurchgang23
4.2.4Schaumentstehung und Schaumbekämpfung am Rührkesselreaktor24
4.3Stand des Wissens zu Saccharomyces cerevisiae25
4.3.1Physiologie von Saccharomyces cerevisiae25
4.3.2Stoffwechsel von Saccharomyces cerevisiae26
4.3.2.1Stofftransport durch die Zellmembran27
4.3.2.2Oxidativer Stoffwechsel auf Glucose27
4.3.2.3Oxidativer Stoffwechsel unter Crabtreeeffekt27
4.3.2.4Oxidativer Stoffwechsel auf Ethanol28
4.3.2.5Pasteureffekt, reduktiver Stoffwechsel auf Glucose28
5.Modell30
5.1Mo...
Ein wesentlicher Bestandteil der biotechnischen Ausbildung sind aufwändige und teure Kultivierungsexperimente. Um Schülern, Auszubildenden und Studierenden den Zugang zu diesen komplexen Experimenten zu erleichtern, können Simulationsexperimente in die Ausbildung integriert werden.
Das Ziel dieser Arbeit war es, einen Simulator zur Echtzeitsimulation von Kultivierungs- und Fermentationsprozessen in begasten Rührkesselreaktoren zu entwickeln.
Das entwickelte modulare mathematische Modell besteht aus verschiedenen Teilmodellen, die auf bereits experimentell verifizierten Gesetzmäßigkeiten basieren. Die Teilmodelle bestehen im wesentlichen aus Bilanzgleichungen, aus phänomenologischen Beziehungen, aus Korrelationen zur Modellierung von Stoffeigenschaften und aus Kinetiken.
Das Gesamtmodell beinhaltet u.a. Wärmedurchgang, mikrobielle Wärmeentwicklung, Stoffeigenschaften als Funktion der Prozesstemperatur, Sauerstoffübergang als Funktion von Begasung und Rührerdrehzahl, Insitu-Sterilisation und Schaumbildung sowie die realistische (verrauschte) Darstellung der Online- und Offline-Daten.
Das biologische Teilmodell basiert auf einem neu entwickelten massenbilanzierten Modell zur Beschreibung des Wachstums von Saccharomyces cerevisiae. Es berücksichtigt das aerobe und anaerobe Wachstum auf Glucose, das aerobe Wachstum auf Ethanol, den Crabtreeeffekt, den Pasteureffekt und die Katabolitrepression unter Anwesenheit von Ethanol.
Um den Entwurf von Regelungs- und Prozessführungskonzepten zu ermöglichen, wurde das Modell in das Prozessleitsystem WinErs implementiert.
Mit dem so entstandenen Simulator können alle wichtigen verfahrenstechnischen und biologischen Effekte einer Fermentation sehr realistisch in Echtzeit abgebildet werden. Der Simulator eignet sich sehr gut, um Lernenden biotechnische Produktionsprozesse näher zu bringen. Wegen seiner Modularität ist es möglich, den Simulator leicht an real existierende Prozesse anzupassen, um z.B. auch Anlagenpersonal zu schulen.
Die in der Studie erwähnte CD ist nicht im Lieferumfang enthalten, da sie für das Verständnis der Studie nicht notwendig ist.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung5
2.Zieldefinition6
3.Realisierung6
4.Grundlagen7
4.1Grundlagen der Simulationstechnik7
4.1.1Simulation bioverfahrenstechnischer Prozesse8
4.1.2Schulungs- und Trainingssimulatoren9
4.1.3Anforderungen an die Echtzeitsimulation10
4.1.4Grundlagen zu WinErs10
4.2Aufgaben des Rührkesselreaktors15
4.2.1Leistungseintrag in homogener Flüssigkeit16
4.2.1.1Pneumatischer Leistungseintrag in homogener Flüssigkeit16
4.2.1.2Rührleistung in homogener Flüssigkeit17
4.2.2Sauerstoffeintrag in Fermentationsbrühen18
4.2.2.1Vorgänge an der Phasengrenze gasförmig/flüssig Zweifilmtheorie19
4.2.2.2Stoffaustausch in dispersen Gas/Flüssigsystemen20
4.2.2.3Reinsauerstoffbegasung und Erhöhung des Gesamtdruckes im System21
4.2.3Grundlagen der Wärmeübertragung22
4.2.3.1Wärmeleitung23
4.2.3.2Konvektiver Wärmetransport23
4.2.3.3Wärmestrahlung23
4.2.3.4Wärmedurchgang23
4.2.4Schaumentstehung und Schaumbekämpfung am Rührkesselreaktor24
4.3Stand des Wissens zu Saccharomyces cerevisiae25
4.3.1Physiologie von Saccharomyces cerevisiae25
4.3.2Stoffwechsel von Saccharomyces cerevisiae26
4.3.2.1Stofftransport durch die Zellmembran27
4.3.2.2Oxidativer Stoffwechsel auf Glucose27
4.3.2.3Oxidativer Stoffwechsel unter Crabtreeeffekt27
4.3.2.4Oxidativer Stoffwechsel auf Ethanol28
4.3.2.5Pasteureffekt, reduktiver Stoffwechsel auf Glucose28
5.Modell30
5.1Mo...
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