Der virtuelle Essigmeister

Die hier neu konzipierte Prozessf√ľhrung zur Optimierung der Essigs√§urefermentation nutzt die Adaptationsf√§higkeit der Essigs√§ure produzierenden Bakterien (Acetobacter sp.) an hohe S√§urekonzentrationen. Ein Fuzzy-Logic-Regelsystem - der ‚Äěvirtuelle Essigmeister‚Äú - sch√§tzt anhand der eingespeisten Messdaten den S√§ure-Adaptationsgrad, die Vermehrungsf√§higkeit und das Umsatzpotenzial der Essigs√§urebakterien und steuert den Produktionsprozess. Die erreichte Produktkonzentration wurde auf diese Weise von 18,5% (w/v) auf 21,3% (w/v) im Technikumsma√üstab und auf 20,6% (w/v) in der Industrieanlage gesteigert; gleichzeitig wurde die Produktivit√§t durch eine 10%ige Verk√ľrzung der Chargenlaufzeit erh√∂ht. Unter dem Strich wurden der Wasser- und Energieverbrauch um 16% bzw. 22% gesenkt.
Mit einem Jahresausstoß von 1,6 Millionen Tonnen (bezogen auf 10% Säurekonzentration) nimmt die Essigherstellung einen bedeutenden Anteil an der biotechnologischen Lebensmittelproduktion ein. Aufgrund der geringen Wertschöpfung des Produkts und des steigenden Qualitätsanspruchs der Verbraucher, unternehmen die Essigproduzenten verstärkte Anstrengungen zur Produktivitätssteigerung. Dabei spielt die Erhöhung der Essigsäurekonzentration eine große Rolle; weltweit liegt diese im Mittel bei 13%.

Industrielle Essigherstellung
Bei der fermentativen Gewinnung von Essig kommen Essigs√§urebakterien der Gattung Acetobacter, die aus Ethanol Essigs√§ure produzieren, zum Einsatz. Die allm√§hliche S√§urezunahme im Laufe einer G√§rung hemmt jedoch die Mikroorganismen, besonders bei hohen Konzentrationen gegen Ende der Fermentation. Angepasste St√§mme verm√∂gen √ľber eine Wechselbelastung, bestehend aus einer Erholungsphase nach Zugabe frischen Mediums am Fermentationsende und einer Stressphase bei hohem S√§uregehalt, zeitweise hohe S√§urekonzentrationen zu tolerieren. Der Clou des virtuellen Essigmeisters ist es, die Anpassungsf√§higkeit der Mikroorganismen direkt im Produktionsprozess f√ľr dessen Optimierung zu nutzen.

Prozessumfassender, softwaregest√ľtzter Sensor
Literaturdaten und Expertenwissen, d.h. das unpublizierte Know-how in den K√∂pfen erfahrener Anlagenf√ľhrer, wurden in ein sogenanntes Fuzzy-Logic-Regelsystem integriert. Ein solcher Ansatz bot sich deshalb an, weil die gesammelten Experteninformationen zur Prozesssteuerung √ľberwiegend qualitativen Charakter hatten. Nach Pr√ľfung diverser Messgr√∂√üen und Sonden (pH, Gel√∂stsauerstoff, Redoxpotenzial, Tr√ľbung, Leitf√§higkeit) hinsichtlich ihrer Robustheit und Aussagekraft bew√§hrte sich die Erfassung der Tr√ľbung als zus√§tzliche Eingangsinformation des virtuelle Essigmeisters zur Erfassung des biologischen Prozesszustands: Ansteigende Tr√ľbung verr√§t, dass die Essigs√§urebakterien sich vermehren, abnehmende Tr√ľbung bedeutet, dass mehr Bakterien sterben, als durch Zellteilung neue entstehen. In Verbindung mit anderen Daten beurteilt der virtuelle Essigmeister, ob die Acetobacter-Zellen noch weiter belastbar sind und steigert schlussendlich die S√§uretoleranz, und damit die erzielbare Produktkonzentration und die volumetrische Produktivit√§t, durch das fuzzy-gest√ľtzte, situative Management des S√§urestresses.


Projektziel:
Entwicklung eines prozessumfassenden softwaregest√ľtzten Sensors zur Optimierung der Essigs√§urefermentation
Projektträger:
Technische Universit√§t M√ľnchen Lehrstuhl f√ľr Fluidmechanik und Prozessautomation PD Dr. Thomas Becker Weihenstephaner Steig 23 85354 Freising
Telefon:
08161/71-3670
Fax:
08161/71-4510
URL:
www.wzw.tum.de/lfp/
E-Mail:
tbecker@wzw.tum.de
Versuchsanlage im Technikumsmaßstab
Übersicht zur Fuzzy-Struktur des virtuellen Essigmeisters; mit den beispielhaft dargestellen Eingangs-Fuzzysets (hier Dreiecke) erfolgt eine "Fuzzyfizierung" der konkreten Eingangswerte. Über die Zwischengrößen wird adaptiv eine konkrete Absenkung bzw. Erhöhung der angestrebten Gesamtkonzentration ermittelt.