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Projekt
Adaptive optimale Regelung der kontinuierlichen wässrigen Zweiphasen-Flotation (ATPF)
Antragsteller
Professor Dr. Moritz Diehl; Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504452366
Die Bedeutung von Enzymen in der biotechnologischen Industrie hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Bislang erfolgt in der Industrie nach der Biosynthese in kontinuierlichen Fermentationsprozessen ein aufwändiger Downstream-Prozess zur Abtrennung und Aufreinigung der Enzyme aus der Fermentationsbrühe. Konventionelle Aufarbeitungsverfahren sind aufgrund der Vielzahl an einzelnen Prozessschritten nicht nur mit einem hohen Energie- und Kostenaufwand verbunden, sondern führen aufgrund der langen Verweilzeiten auch zu Einbußen in der Produktqualität und -ausbeute. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer alternativen Prozesskette zur Enzymaufarbeitung. Der erste Prozessschritt ist die kontinuierliche wässrige Zweiphasen-Flotation (ATPF), mit dem sich die erste Förderperiode des SPP befasste. Die ATPF-Laboranlage wurde zunächst mit Online-Messtechnik ausgestattet, um das Prozessverhalten zu charakterisieren. Dies ermöglichte die Identifikation von zwei unterschiedlichen Systemmodellen, einem Black-Box-Modell und einem mechanistisch-dynamischen Modell. Basierend darauf erfolgte die Entwicklung eines prädiktiven und geschlossenen Regelungssystems für die ATPF, das die Maximierung der Separationseffizienz durch Anpassung der Prozessparameter (d.h. der Gasvolumenströme der Begasungseinheiten sowie der Volumenströme von Ober- und Unterphase) erlaubt. Zur weiteren Aufkonzentrierung der enzymbeladenen Oberphase aus der ATPF ist in der zweiten Förderperiode der Aufbau einer Prozesskette mit nachgeschalteter Ultrafiltration (UF) vorgesehen. Auch für die UF, sowie die gesamte Prozesskette, erfolgt die Entwicklung einer autonomen und robusten Regelungsstrategie. Eine besondere Herausforderung besteht darin, dass sich die Prozessschritte gegenseitig beeinflussen, was möglicherweise zu Störungen führt und bei der Entwicklung eines Reglers zu berücksichtigen ist. Die experimentelle Arbeit auf dem Projekt wird am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT, Prof. Hermann Nirschl) durchgeführt, einschließlich der Etablierung von Online-Messtechnik zur Überwachung der Enzymausbeute und -aktivität und der Prozesscharakterisierung bei verschiedenen Prozessparametern. In Kombination mit bekannten empirischen Zusammenhängen aus der Literatur entwickelt die KIT-Gruppe ein mechanistisches Systemmodell für die UF. Das Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (UFR, Prof. Moritz Diehl) entwickelt ein Black-Box-Modell sowie eine prädiktive Regelungsstrategie, basierend auf den identifizierten Systemmodellen. Die Validierung und Erweiterung des geschlossenen Regelungssystems für die UF sowie für die gesamte Prozesskette erfolgt in enger Zusammenarbeit der beiden Arbeitsgruppen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
