Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3420
Basierend auf der Regelung der Substratkonzentration im geschlossenen Regelkreis (Nutristat)
wurde eine Versuchsplanungstechnik zur Durchführung von kontinuierlichen Fermentationen mit
Mikroorganismen erarbeitet. Unter der Voraussetzung, daß das makrokinetische Modell bereits
bekannt ist, wurde die D-optimale Versuchsplanungstechnik verwendet, um stationäre
Betriebspunkte vorzugeben. Durch die Anwendung der Technik wird die Parametrisierung des
makrokinetischen Modells mit hohen Parametergenauigkeiten erreicht. Entsprechende Versuche
wurden mit der methylotrophen Hefe Candida boidinii durchgeführt.
Ist das passende Modell vor Durchführung der Kinetikbestimmung unbekannt, ist es Aufgabe einer
diskriminierenden Versuchsplanungstechnik, innerhalb weniger Experimente das geeignete Modell
zu identifizieren. Daher wurde eine diskriminierende Versuchsplanungstechnik mit Hilfe von
Entropieberechnungen entwickelt. Sowohl die Auswertung von Fermentationsdaten als auch
Simulationsergebnisse dokumentieren die Einsatzfähigkeit dieser Methodik.
Um die Anwendbarkeit der aus kontinuierlichen Fermentationen ermittelten Kinetikergebnisse zur
Beschreibung von Batch oder Fed Batch Prozessen zu testen, wurden diskontinuierliche Versuche
durchgeführt und der Fermentationsverlauf simuliert. Es zeigte sich eine weitgehend gute
Übereinstimmung zwischen Fermentation und Experiment.
Die vorgestellten Versuchsplanungstechniken, die Auswertung von Fermentationsdaten und die
Möglichkeit zur Simulation von Fermentationen wurden unter Verwendung von C++ im
Programm PARAGLIDE implementiert.
Based on closed-loop substrate control (nutfistat) an experimental design strategy for the design
of steady state experiments is developed. Following the assumption that a suitable modeling
approach is known, a D-optimal design strategy is applied for calculation of steady state operating
points. Using this method the identification of macrokinetic model parameters is possible achieving
high parameter accuracies. Fermentations were performed with the methylotrophic yeast Candida
boidinii.
If an appropriate macrokinetic approach in unknown before kinetic measurements are carried out,
it is the task of a discriminating experimental design to enable model discrirnination within as few
experiments as possible. Therefore a model discriminating design strategy based on entropy
formulations has been developed. The analysis of fermentation results as well as simulation results
demonstrate the quality of this method.
To investigate the applicability of steady state kinetic results for the simulation of discontinuous
fermentations, batch and fed batch fermentations with Candida boidinii were performed.
Experimental results are compared to simulation results. An acceptable concurrence between
simulations and fermentation results could be stated.
Both design strategies as well as possibilities for kinetic data analysis and simulation are
implemented in the C++ -coded software PARAGLIDE.
Takors, Ralf
Entwicklung und Einsatz einer Versuchsplanungstechnik zur experimentellen Makrokinetikbestimmung
158 S., 1997
Die Modellierung der kinetischen Meßgrößen Wachstum, Substratverbrauch und Produktbildung
zur Beschreibung mikrobieller Stoffwechselreaktionen ist ein wichtiges Werkzeug zur
Entwicklung und Optimierung von Bioprozessen. Da die experimentelle Ermittlung kinetischer
Daten oftmals sehr zeitaufwendig ist, war es Ziel der vorliegenden Arbeit eine Technik zur
effizienten Bestimmung der Makrokinetik zu entwickeln.
Modeling of microbial growth, substrate consumption and product formation represents an
important tool for bioprocess development and optimization. As the determination of kinetic data
often requires lots of fermentations lasting several weeks, it is the aim of this work to present an
experimental design strategy for an efficient determination of microbial kinetics.
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