DD160232A3 - Verfahren zur kontrolle und regelung aerober fermentationsprozesse - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle und Regelung biochemischer Prozesse. Durch die Erfindung sollen insbesondere Fermentationsprozesse gesteuert werden, deren Kohlenstoffsubstrate bei entsprechenden Konzentrationen inhibierend wirken koennen. Durch die Anwendung der Erfindung ist es moeglich, bei inhibierenden Kohlenstoffsubstraten die wachstumshemmenden Konzentrationsbereiche sicher zu vermeiden. Durch Regelung des Durchflusses durch den Fermentor und die Kohlenstoffsubstratzufuhr wird eine stabile und teilautomatisierte Fermentation bei gleichbleibender Produktivitaet erreicht. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung von diskontinuierlichen und kontinuierlichen Fermentationen aerober Mikroorganismen, wobei waehrend der Zuechtung die Geloestsauerstoffkonzentration konstant gehalten wird und die Veraenderung der Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermentationsmedium durch die photometrische Messung des physiologischen Zustandes des Atmungsenzyms Cytochrom C erfasst und rueckgekoppelt wird oder waehrend der Fermentationen d. Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermentationsmedium konstant gehalten wird u. die Geloestsauerstoffkonzentration durch die photometrische Messung d. physiologischen Zustandes d. Atmungsenzyms Cytochrom C erfasst und rueckgekoppelt wird. Gleichzeitig ist es moeglich, den Durchfluss durch den Fermentor bei kontinuierlichen Fermentationsprozessen in Abhaengigkeit von der Konzentration des gemessenen Cytochrom C zu regeln.
Description
2 2 2371
Titel ·
Verfahren zur Kontrolle und Regelung aerober Fermentationsprozesse Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle und Regelung biochemischer Prozesse. Durch die Erfindung sollen insbesondere Fermentations-5prozesse geregelt werden, deren Kohlenstoffsubstrate bei entsprechenden Konzentrationen inhibierend wirken können
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt (E. Hofmann, Dynamische Biochemie, Bd. 2, Akademieverlag Berlin 1972), daß das Atmungsenzym Cytochrom C der Mikroorganismenzelle
iOim sichtbaren Bereich charakteristische Absorptionsbanden besitzt, aus deren Intensität und Lage Rückschlüsse auf den physiologischen Zustand der Mikroorganismenkultur und deren Konzentration im Feimentationsmedium möglich sind (H. Brauer, Dissertation TH Leipzig 1975). Zur Gewinnung der Meßsignale wird das i'ermentationsmedium photometrisch abgetastet und so-
15mit die den Cytochrom-Absorptionen proportionalen Meßsignale im ö( Bereich bei 550 nm bis 565 nm oder ImJS -Bereich bei 520 nm bis 530 nm und vorzugsweise im γ -Bereich bei 400 nm bis 420 nm gebildet. Durch eine elektronische Verknüpfung der Absorptionssignale erhält man das den physiologischen Zustand der Mikroorganismenkultur abbildende Signal und
20ein der Cytochrom C-Konzentration im i'ermentationsmedium proportionales Signal.
Bekannte Verfahren zur Regelung von Fermentationsprozessen (BRD OS 1442076, BRD OS 1953430, BRD AS 2217909, BRD OS 2457044, BRD OS 2546236) verwenden als Regelgrößen der KohlenstoffSubstratkonzentration im Fermentations-
25medium den pH-Wert, die Gelöstsauerstoffkonzentration oder die Sauerstoffkonzentration im Abgas des Fermentationsnjediums. Der .Nachteil dieser vorgeschlagenen Lösungen besteht darin, daß die Mikroorganismenkultur durch inhibierend wirkende KohlenstoffSubstratkonzentrationen in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt oder geschädigt werden kann.
15.Shi
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der Erfindung
Die Erfindung stellt sich das Ziel der Kontrolle und Regelung aerober Fermentationsprozesse zur Erreichung eines teilautomatisierten Prozesses. Darlegung des Wesens der Erfindung
5Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung von diskontinuierlichen und kontinuierlichen Permentationsprozessen zu entwickeln, wobei es möglich ist, bei inhibierenden Kohlenstoffsubstraten die wachstumshemmenden Konzentrationsbereiche sicher zu vermeiden und bei nichtinhibierenden und inhibierenden Kohlenstoffsubtra-
lOten soll durch die Verbindung der Kohlenstoffsubstratregelung mit einer Regelung des Durchflusses durch den Permentor eine stabile und teilautomatisierte Fermentation bei gleichbleibender Produktivität erreicht werden
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aeroben Mikro-
I5organismen in einem Nährmedium gezüchtet werden, wobei während der Züchtung die Gelöstsauerstoffkonzentration konstant gehalten wird und die Veränderung der Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermentationsmedium durch die photometrische Cytochrom C-Messung erfaßt und rückgekoppelt wird. Dabei dient das den physiologischen Zustand der Mikroorganismen-
20kultur abbildende Cytochrom C-Signal als Regelgröße der Kohlenstoffsubstrat zufuhr.
Der Regler der Kohlenstoffsubstratdosiervorrichtung ist so einzustellen, daß die wachstumshemmende Kohlenstoffsubstratkonzentration nicht erreicht werden kann,"d.h., daß d,uk 0 erfüllt ist und damit die Fermen-
25tation bei maximaler Wachstumsgeschwindigkeit geführt wird.
Andererseits ist es möglich, daß die aeroben Mikroorganismen in einem Nährmedium gezüchtet werden, wobei während der Züchtung die Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermentationsmedium konstant gehalten wird und das den physiologischen Zustand der Mikroorganismenkultur abbildende
30Cytochrom C-Signal als Regelgröße des Sauerstoffeintrages in das Fermentationsmedium dient.
Neben einem den physiologischen Zustand der Mikroorganismenkultur kennzeichnenden Cytochrom C-Meßwert ist es möglich, aus dem Cytochrom C-Absorptionsbanden einen der Cytochrom C-Konzentration proportionalen Meß-
35wert zu gewinnen, der mit der im Fermentationsmedium vorhandenen Mikroorganismenkonzentration korreliert. Erfindungsgemäß wird mittels dieses Meßwertes der Durchfluß durch den Fermentor so geregelt, daß bei kontinuierlicher Fermentation die Mikroorganismenkonzentration konstant gehalten werden kann.
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pie Erfindung beinhaltet somit eine durch Cytochrom C-Absorptictnssignale geregelte Kohlenstoffsubstrat- oder Sauerstoffzufuhr, die bei kontinuierlichen Fermentationen mit dem erfindungsgemäß geregelten Durchfluß durch den Permentor verbunden wird
5Ausführungsbeispiele
Beispiel 1; Regelung eines Verfahrens zur diskontinuierlichen Kultivierung von Bakterien mit Methanol als Kohlenstoffquelle (Abbildung 1)
Das Fermentationsmedium befindet sich im Permentor 1. Über einen AußenlOkreislauf wird der Cytochrom C-Meßeinrichtung Fermentationsmedium zugeführt. Das dem physiologischen Zustand der Mikroorganismen proportionale Cytochrom C-Signal wirkt über eine Regelvorrichtung 5 auf eine Dosiereinrichtung 91 mittels der der Zufluß des Kohlenstoffsubstrates aus einem Vorratsbehälter B in den Fermentor 1 gesteuert wird. Gleichzeitig muß die 15Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium konstant gehalten werden. Dies 'erfolgt über die Gelöstsauerstoffmeßeinrichtung 11, den Regeler 12 und die Luft-? bzw. Sauerstoff dosiereinrichtung 10. Bei einem vorgegebenen, den physiologischen Zustand der Mikroorganismen beschreibenden Cytochrom C-Signal und bei einer Gelöstsauerstoffkonzentration von 201,5 mg Op/1 bis 2»5 mg 0P^1 sowie einem pH-Wert von 4 wurde ein Anwachsen der Biomassekonzentration von 1,5 g/l auf 22 g/l innerhalb von 16 Stunden erreicht. Dies entspricht einer durchschnittlichen relativen Wachstumsgeschwindigkeit von ,u =0,17 h . Die mittels des Cytochrom C-Signals geregelte Methanolkonzentration im Fermentationsmedium betrug 250 mg/l bis 25300 mg/1.
Beispiel 2: Regelung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Kultivierung von Bakterien mit Methanol als Kohlenstoffquelle (Abbildung 1) .
Das Fermentationsmedium befindet sich im Fermentor 1. Über einen Außenkreislauf wird der Cytochrom C-Meßeinrichtung Fermentationsraedium zuge-30führt. Das den physiologischen Zustand der Mikroorganismen abbildende Cytochrom C-Signal wirkt über die Regelvorrichtung 5 auf eine Dosiereinrichtung 9 mittels der der Zufluß des Kohlenstoffsubstrates aus einem Vorratsbehälter 8 in den Fermentor 1 gesteuert wird. Das Cytochrom C-Konzentrationssignal steuert über den Regler 4, der auf eine Dosiereinrichtung 35wirkt, den Zufluß von Fermentationsmedium aus dem Behälter 7 zum Fermentor und damit den Durchfluß durch den Fermentor. Im Behälter 7 befindet sich das Fermentationsmedium ohne· die Kohlenstoffquelle. Gleichzeitig muß die Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium konstant gehalten
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werden. Dies erfolgt über die Gelöstsauerstoffmeßeinrichtung 11, den Regler 12 und die Luft-bzw. Sauerstoffdosiereinrichtung 10. Bei einer Biomassekonzentration von 18 g/l stellte sich eine durch das Cytochrora C-Konzentrationssignal geregelte Durchflußrate von D= 0,143 h ein. Die, 5durch das den physiologischen Zustand anzeigende Cytochrom C-Meßsignal, geregelte Methanolkonzentration im Fermentationsmedium betrug bei einer konstanten Gelöstsauerstoffkonzentration 100 mg/1 bis 150 mg/1. Beispiel ~j: Regelung einer kontinuierlichen Kultivierung von Bakterien mit Methanol als Kohlenstoffquelle, wobei die Gelöstsauerstoff konzentration im Fermentationsmedium geregelt wird (Abbildung 2)
Das Fermentationsmedium befindet sich im Fermentor ^l .Über einen Außenkreislauf wird der Cytochrom C-Meßeinrichtung Fermentationsmedium zugeführt. Das den physiologischen Zustand der Mikroorgänismenkultur abbil-
I5dende Cytochrom C-Signal wirkt über den Regler 5 auf die Luft- oder Sauerstoffdosiereinrichtung 10, mittels der der Sauerstoffeintrag in den Fermentor gesteuert wird. Das Cytochrom C-Konzentrationssignal steuert über den Regler 4, der auf ein.e Dosiereinrichtung 6 wirkt, den Zufluß von Fermentationsmedium aus dem Behälter 7 zum Fermentor 1 und damit den Durch-
20fluß durch den Fermentor. Im Behälter 7 befindet sich das Fermentationsmedium ohne die Kohlenstoffquelle. Die Konzentration an Kohlenstoffsubstrat im Fermentor wird durch die Meßeinrichtung 13 gemessen und über den Regler 14 und die Dosiereinrichtung 9 auf ein vorgegebenes Niveau geregelt. Im Vorratsbehälter 8 befindet sich das Kohlenstoffsubstrat, das mit-
25tels der Dosiereinrichtung 9 in den Fermentor 1 gefördert wird.
Claims (2)
- 2 2 23 71Erfindunftsanspruch1. Verfahren zur Kontrolle und Regelung aerober Fermentationsprozesse dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium bei kontinuierlichen und diskontinuierlichen Fermentationsprozessen der Kohlenstoffsubstratgehalt im Fermentationsmedium in Abhängigkeit vom physiologischen Zustand des Atmüngsenzyms Cytochrom C der Mikroorganismenkultur sowie bei kontinuierlichen Fermentationsprozessen der Durchfluß durch den Fermentor in Abhängigkeit von der Konzentration des Atmungsenzyms Cytochrom C der Mikroorganismenkultur geregelt wird.
- 2. Verfahren gemäß Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Kohlenstoffsubstratgehalt im Fermentationsmedium die Gelöstsauerstoffkonzentration in Abhängigkeit vom physiologischen Zustand des Atmungsenzyms Cytochrom C der Mikroorganismenkultur sowie der Durchfluß durch den Fermentor in Abhängigkeit von der Konzentration des Atmungsenzyms Cytochrom C der Mikroorganismenkultur geregelt wird.Hierzu .....^.„Seiten Zeichnungen
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