Der virtuelle Essigmeister

Die hier neu konzipierte ProzessfĂŒhrung zur Optimierung der EssigsĂ€urefermentation nutzt die AdaptationsfĂ€higkeit der EssigsĂ€ure produzierenden Bakterien (Acetobacter sp.) an hohe SĂ€urekonzentrationen. Ein Fuzzy-Logic-Regelsystem - der „virtuelle Essigmeister“ - schĂ€tzt anhand der eingespeisten Messdaten den SĂ€ure-Adaptationsgrad, die VermehrungsfĂ€higkeit und das Umsatzpotenzial der EssigsĂ€urebakterien und steuert den Produktionsprozess. Die erreichte Produktkonzentration wurde auf diese Weise von 18,5% (w/v) auf 21,3% (w/v) im Technikumsmaßstab und auf 20,6% (w/v) in der Industrieanlage gesteigert; gleichzeitig wurde die ProduktivitĂ€t durch eine 10%ige VerkĂŒrzung der Chargenlaufzeit erhöht. Unter dem Strich wurden der Wasser- und Energieverbrauch um 16% bzw. 22% gesenkt.
Mit einem Jahresausstoß von 1,6 Millionen Tonnen (bezogen auf 10% SĂ€urekonzentration) nimmt die Essigherstellung einen bedeutenden Anteil an der biotechnologischen Lebensmittelproduktion ein. Aufgrund der geringen Wertschöpfung des Produkts und des steigenden QualitĂ€tsanspruchs der Verbraucher, unternehmen die Essigproduzenten verstĂ€rkte Anstrengungen zur ProduktivitĂ€tssteigerung. Dabei spielt die Erhöhung der EssigsĂ€urekonzentration eine große Rolle; weltweit liegt diese im Mittel bei 13%.

Industrielle Essigherstellung
Bei der fermentativen Gewinnung von Essig kommen EssigsĂ€urebakterien der Gattung Acetobacter, die aus Ethanol EssigsĂ€ure produzieren, zum Einsatz. Die allmĂ€hliche SĂ€urezunahme im Laufe einer GĂ€rung hemmt jedoch die Mikroorganismen, besonders bei hohen Konzentrationen gegen Ende der Fermentation. Angepasste StĂ€mme vermögen ĂŒber eine Wechselbelastung, bestehend aus einer Erholungsphase nach Zugabe frischen Mediums am Fermentationsende und einer Stressphase bei hohem SĂ€uregehalt, zeitweise hohe SĂ€urekonzentrationen zu tolerieren. Der Clou des virtuellen Essigmeisters ist es, die AnpassungsfĂ€higkeit der Mikroorganismen direkt im Produktionsprozess fĂŒr dessen Optimierung zu nutzen.

Prozessumfassender, softwaregestĂŒtzter Sensor
Literaturdaten und Expertenwissen, d.h. das unpublizierte Know-how in den Köpfen erfahrener AnlagenfĂŒhrer, wurden in ein sogenanntes Fuzzy-Logic-Regelsystem integriert. Ein solcher Ansatz bot sich deshalb an, weil die gesammelten Experteninformationen zur Prozesssteuerung ĂŒberwiegend qualitativen Charakter hatten. Nach PrĂŒfung diverser MessgrĂ¶ĂŸen und Sonden (pH, Gelöstsauerstoff, Redoxpotenzial, TrĂŒbung, LeitfĂ€higkeit) hinsichtlich ihrer Robustheit und Aussagekraft bewĂ€hrte sich die Erfassung der TrĂŒbung als zusĂ€tzliche Eingangsinformation des virtuelle Essigmeisters zur Erfassung des biologischen Prozesszustands: Ansteigende TrĂŒbung verrĂ€t, dass die EssigsĂ€urebakterien sich vermehren, abnehmende TrĂŒbung 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 SĂ€uretoleranz, und damit die erzielbare Produktkonzentration und die volumetrische ProduktivitĂ€t, durch das fuzzy-gestĂŒtzte, situative Management des SĂ€urestresses.


Projektziel:
Entwicklung eines prozessumfassenden softwaregestĂŒtzten Sensors zur Optimierung der EssigsĂ€urefermentation
ProjekttrÀger:
Technische UniversitĂ€t MĂŒnchen Lehrstuhl fĂŒr 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 ZwischengrĂ¶ĂŸen wird adaptiv eine konkrete Absenkung bzw. Erhöhung der angestrebten Gesamtkonzentration ermittelt.