DD200431A1 - Vorrichtung fuer mikrobiologische kulturen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung "Vorrichtung fuer mikrobiologische Kulturen" realisiert definierte zeitliche Uebergangszustaende in mikrobiologischen Kulturen und ist anwendbar in der mikrologisch-pharmazeutischen Industrie und bei der Abwasserbehandlung. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung bzw. Stabilisierung der Stoffwechselleistung mikrobiologischer Verfahren, bei denen eine Reihe von wirtschaftlich wichtigen mikrobiellen Produkten in erhoehtem Masse zumeist nur waehrend zeitlicher Uebergangszustaende gebildet werden koennen. Mit Hilfe der Erfindung soll eine gewuenschte Folge von Uebergangszustaenden, in denen Produktbildung mit grosser Ausbeute erfolgt, von aussen erzwungen werden. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung geloest, die den Logarithmus der Biomassekonzentration, die gegebenenfalls aus dem Logarithmus gemessener Transmissionswerte bestimmt wird, entlang der Zweifach integrierten Sollwertkurve fuehrt. Im Falle einer positiven Abweichung zwischen der doppelt zweitintegrierten Sollwertkurve und der doppelt logarithmierten Messwertkurve erfolgt Zugabe von dem das Wachstum begrenzenden Substrat ueber eine Pumpe, bis diese Abweichung korrigert ist. Fig.

Description

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litel der Erfindung

Torrichtung für mikrobiologische Kulturen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Sie Erfijidung betrifft eine Vorrichtung zur Realisierung definierter zeitlicher Ubergangszustände in mikrobiologischen Kulturen und ist anwendbar in der mikrobiologisch-pharmazeutischen Industrie und bei der Abwasserbehandlung^

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind eine Reih« von Verfahren und Vorrichtungen, allgemein als kontinuierliche bzw« zugefütterte Kultivierung bezeichnet j durch deren Anwendung definierte, zeitlich stationäre Zustände in mikrobiologischen Kulturen realisiert werden können. Dabei muß grundsätzlich zwischen Vorrichtungen ohne und mit Regeleinrichtungen zur Einstellung der stationären Zustände unterschieden werden· Vorrichtungen ohne Regler werden allgemein Ohemostat genannt, solche mit Segler werden dagegen als gefütterte Kultur (fed batch) bezeichnet. Mikrobiologische Prozesse mit spezifischen interessierenden Stoffwechselleistungen, wie Produktsynthesen und Abbauleistungen, sind im allgemeinen mehrphasig, wobei die verschiedenen Phasen durch ubergangszustände ineinander übergehen«, Es ist bekannt /1/ P S. J_e, Thacheray, S« J*, Harris-Smith, RJ(1961)#. J, gen* ilicrobiol« 2£, 119-130; /2/ Wright, D* G«j Calam, 0. T, (1968) Chem* Ind. (London) .jJ8, 1274-1275; /3/ Knorre, W₉ A« (1968), Biochem· Biophys* Res, Commun, jji, 812-817ί /V Maslen, P. P_a, Ousby, J. G», Senior, P» J*.*-DS 27 14 708 A1 Patentanmeldung: Verfahren zum Züchten von Zellen, daß eine Reihe von wirtschaftlich wichtigen mikrobiellen Produkten (Enzyme, Anti-

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biotika, Pigmente, Antikörper, Hormone, Aminosäuren) in erhöhtem Maße nur während zeitlicher Übergangszustände 'gebildet werden können*

Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird der Übergang von einem physiologischen Zustand in einen anderen lediglich von den im Organismus genetisch determinierten Stoff-· Wechselregulationen kontrolliert, also nicht von außen geführt* Wenn wirtschaftlich wichtige Produkte während bestimmter tTbergangszustände gebildet werden_s erhält man keine stabil hohe Ausbeute, weil diese tJbergangssustände entweder nur kurszeitig /5/ Bley,. ihi: LD-WP 140 150 Verfahren zur Gewinnung von Biomasse oder nicht ausreichend reproduzierbar durchlaufen werden /6/ Conney, G. Le (1979)* Biotech. Bioeng· Syrnp«,^₉ 1~11· Je- doch ist die Ausbeute an unerwünschten Hebenprodukten hoch, so daß aufwendige Anreicherungs- bzw* Reinigungsverfahren nachgeschaltet werden.müssen* Mit der Synthese von Nebenprodukten werden hochwertige Ausgangsstoffe in unwirtschartlicher Weise umgesetzt* Ss sind mikrobiologische Verfahren bekannt, bei denen durch Zufütterung von Substraten Übergangszustände aait-* lieh verlängert werden· Diese Verfahren beziehen jedoch keine Regler mit variablen Sollwerten ein© Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen kompensieren somit Abweichungen vom ange— strebten Prozeßverlauf nur unzureichend*

Bekannt sind weiterhin Vorrichtungen^ die zeitliche übergänge von physikalischen, biologisch tinspezifisch wirkenden Größen, wie Temperatur, pH-Wert und Gelästsauerstoffkonzentration realisieren, z* B*. /7/ Constantinides, A₀: Spencer, J· L», Gaden, S; L« (1970), Biotechnoi; Bioeng, 12, 803· Diese zeitlichen Übergangszustände in den physikalischen Umweltbedingungen stehen in keinem eindeutigen Zusammenhang zu physiologischen Zuständen mikrobiologischer Kulturen<» Ss ist dagegen bekannt, daß im einfachsten Falle physiologische Zustände mikrobiologischer Kulturen durch eine einzige Größe, allgemein spezifische Wachstumsrate genannt, beschrieben werden können /8/ Bergter, P₀: Wachstum von Mikroorganismen, Fischer-Verlag Jena, 1972» Methoden und Vorrichtungen zur Bestimmung dreser Größe sind bekannt /8/ Bergter, F»: Wachstum

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von. Mikroorganismen, Pischer-Verlag Jena, 1972. Jedoch infolge der dabei erforderlichen ersten Ableitung nach der Zeit sind diese sehr störanfällig /9/ Kaorre, W, Ai: Mund, K_{0 t} Jakubik, Le: Analysis of growth curves of microorganisms by piece-wise linear. approximations* Z* AlIg. Mikrobiologie Λ8_} 6O9**612 (1978)ο Da die Bestimmung eines Übergangszustandes eine zweite Ableitung nach der Zeit erforderlich machen würde, ist die Anwendung solcher Yerfahren für die ProzeBfuhrung in Bohrzeit ungeeignet,·

Ziel der Erfindung

Die Erfindung beinhaltet das Ziel* die mikrobiologische Stoffwechseileistung von Yerfahren zu erhöhen bzw« au stabilisieren*

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_} eine Vorrichtung au beschreiben^, mit der bei der ProzeBführung der physiologische Zustand der mikrobiologischen Kultur nicht wi$ bisher konstant gehalten oder der Übergang zwischen physiologischen Zuständen durch im Mikroorganismus vorhandene ^gulationsmechanismen bestimmt wird, sondern mit der eine gewünschte Folge von Übergangszuständen von außen erzwungen wird»

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, mit der der Logarithmus der Mikroorganismenkonzentration (Biomassekonzentration) _s: die gegebenenfalls indirekt aus einem anderen Signal bestimmt werden kann_$ entlang der zweifachen integrierten Sollwertkurv® geführt wird* Die Vorrichtung, enthält sowohl Elemente zur zweifachen Logarithmierung als auch Elemente zur zweifachen Zeitintegration sowie einen Vergleicher und eine Pumpe. Dadurch,., daß die aus Stabilitätsgründen praktisch nicht anwendbare doppelte Differentiation der doppelt logarithmierten Meßwertfolge durch die formal-mathematisch gleichwertige doppelte Zeitintegration der Sollwertkurve ersetzt wird, ist die Stabilität der Vorrichtung gewährleistet* Erst diese Verfahrensweise gestattet es, zeitliche Übergangszustände in definierter Weise zu realisieren. Im Palle einer positiven Abweichung zwischen der doppelt zeitintegrierten

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Sollwertkurve und der doppelt logarithmierten Meßwertkurve erfolgt Zugabe von dem das Wachstum begrenzenden Substrat über die Pumpe, bis diese Abweichung korrigiert ist*

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näfc&a? erläutert werden· Ss zeigt die Pig« ein Blockschema der Vorrichtung für mikrobiologische Kulturen.

Die Vorrichtung besteht aus dem Kultivierungsgefäß 1_t. das mittels einer Einrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Mikro<* Organismenkonzentration 2_S 3s ^* einem Lineartransformierer 3 und einem Logarithmierer 4 an einem Eingang eines Vergieichers 7 angeschlossen ist, wobei der andere Eingang des Vergleichers über zwei Integrierer S mit einem Sollwertgenerator 5 verbunden ist© Der Sollwertgenerator 5 gibt die aktuelle Zeitableitung der spezifischen Wachstumsrate vor. Der Ausgang des Vergleichers ist über einen Verstärker mit einer Pumpe gekoppelt, die mit einem das Mikroorganismenwachstmii begrenzenden Substrat enthaltenden Reservoir verbunden ist«;

Im Kultivierungsgefäß 1 werden durch hier nicht näher beschrie— bene Einrichtungen (zum Beispiel Festwertregler für Temperatur* pH, pOp usw.»') die für das Wachstum erforderlichen Bedingungen « mit Ausnahme einer₅ das Wachstum begrenzenden Substratkonzen« tration - konstant gehalten« Die Konzentration der Mikroorganismen, symbolisiert mit x, wird beispielsweise photo» metrisch ermittelt unter Anwendung des bekannten Lambert-Beer*- sehen Gesetzes für die Schwächung des Lichtes beim Durchgang durch ein optisch trübes Medium;

xsaln T"¹ (1)

Ein Photometer 2 liefert zunächst ein der Transmission T propor*« tionales elektrisches Signali (Im Falle höherer optischer Dichten ist anstelle der Messung der Transmission die Messung der Rückstreuung technisch vorteilhafter*) Dieses Signal wird mittels des Lineartransformierers 3 in das Transmissionssignal T überführt. Der Logarithmierer 4· und ein weiterer Lineartrans·*· . formierer 3 führen die nach Gleichung (1) erforderlichen Operationen aus,- wodurch ein der Mikroorganismenkonzentration proportionales elektrisches Signal, die normierte Mikroorganismenkonzentration x/x_o5 erhalten wird. Dieses Signal ver-

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läuft über den zweiten Logarithmierer 4, so daJS an einem Ein=- gang des Vergleichers 9 der Logarithmus der normierten Mikroorganismenkonzentration zur Verfügung steht*' Parallel dazu wird am zweiten Eingang des Yergleichers 7 die doppelt zeitintegrierte So 11 wert kurve bereitgestellt, indem der Sollwert-, generator 5 <lis aktuelle Zeitableitung der spezifischen Wachs— tumsrate als Sollwertkurve f(t) vorgibt, die von den beiden Integrierern 6 zur Sollwertkurve der logarithmierten normierten Mikroorganismenkonzentration verarbeitet wird« Der Yergleicher

7 stellt die aktuelle Differenz zwischen Soll- und Istwert der logarithmierten normierten Mikroorganismenkonzentration fest*' Diese Differeca läSt sich mathematisch darstellen als

t t^?

r r r f(t«O dt**J dt* « in x/xJi (2)

OO

mit 2 s Startwert der Bionasse konzentration

t a aktuelle Permentationszeit t^f, t¹*= Integrationsvariable (t¹, t^tf Dimension einer Zeit) Sobald die Differenz (2) positiv ist und eine Hysterese £ des Vergleichers 7 übersteigt_s wird über den Verstärker 8 dia Pumpe 9 eingeschaltet, die aus einem Reservoir 1O_t daß das Mikro*» Organismenwachstum begrenzende Substrat mit einer bestimmten^ konstanten Hate in das Kultivierungsgefäß 1 beförderte"

Im Palle einer negativen Abweichung (2) wird über den Verstärker

8 die Pumpe 9 ausgeschaltet, so daS diese kein Substrat in das Kultivierungsgefäß 1 befördert»

Solange die mit (2) symbolisierte Abweichung ,kleiner als S-ist, verläuft die erste zeitliche Ableitung /U der spezifischen Wachstumsrate ,xk_f die als x/x definiert ist, näherungsweise entlang der vorgegebenen Sollwertkurve f(t)_? d» h» für diesen* von der beschriebenen Vorrichtung erzwungenen Pail gilt

Beispielsweise wird für den einfachsten Pail einer mit der Brozeßzeit linear abnehmenden spezifischen Wachstuasrate, also

m 6 -

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,h. » const«,, ο«)

mittels der beschriebenen Vorrichtung der Logarithmus der normierten Mikroorganismenkonzentration entlang einer Parabel geführte

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Vorrichtung für mikrobiologische Kulturen, gekennzeichnet dadurch, daß die mikrobiologische Kultur über eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Mikroorganismenkonzentration (2*3*4), einem Idneartransformierer(3) und einem Logarithm mierer (4) an einem Eingang eines Vergleichers (7) angeschlossen ist, wobei der andere Eingang des Vergleichers (7) über zwei Integrierer (O) mit einem .Sollwertgenerator.(5), verbunden ist und der Ausgang des Vergleichers (7) über einen Verstärker (8) mit einer Pumpe (9) gekoppelt ist, die mit einem das Mikroorganismemsachstua begrenzenden Substrat enthaltenden Eeservoir (10} _, verbunden ist 1:

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