Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3420
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.

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.

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.

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.

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Letzte Änderung: 07.06.2022