DD200431A1 - DEVICE FOR MICROBIOLOGICAL CULTURES - Google Patents
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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.The invention "device for microbiological cultures" realizes defined temporal transition states in microbiological cultures and is applicable in the micro-pharmaceutical industry and in wastewater treatment. The aim of the invention is to increase or stabilize the metabolic performance of microbiological processes in which a number of economically important microbial products can be formed in an increased mass usually only during temporal transition states. With the help of the invention, a desired sequence of transition states, in which product formation takes place with a high yield, is to be forced from outside. The object is achieved by a device which guides the logarithm of the biomass concentration, which is optionally determined from the logarithm of measured transmission values, along the twofold integrated setpoint curve. In the case of a positive deviation between the double-second integrated setpoint curve and the logarithmic curve, the growth-limiting substrate is added via a pump until this deviation is corrected. FIG.
Description
324 9 2 O324 9 2 O
litel der ErfindungTitle of the invention
Torrichtung für mikrobiologische KulturenGate direction for microbiological cultures
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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^The invention relates to a device for the realization of defined temporal transition states in microbiological cultures and is applicable in the microbiological-pharmaceutical industry and in wastewater treatment
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
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. Je, 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. Pa, 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-Known are a number of methods and devices, generally referred to as continuous or fed-in cultivation, which can be used to implement defined, temporally stationary states in microbiological cultures. In principle, a distinction must be made between devices with and without control devices for adjusting the stationary states. Devices without regulators are generally called ohemostats, whereas those with sailors are referred to as fed culture. Microbiological processes with specific interest metabolic activities, such as product synthesis and degradation performance, are generally multi-phase, wherein the various stages proceed through transition states into one another "It is known / 1 / P S. J e, Thacheray, S 'J *, Harris-Smith, RJ (1961) #. J, genicilbiol, 2, 119-130; / 2 / Wright, D * G «j Calam, 0. T, (1968) Chem * Ind. (London) .JJ8, 1274-1275; / 3 / Knorre, W 9 A "(1968), Biochem. Biophys * Res, Commun, jji, 812-817" / V Maslen, P. P a , Ousby, J. G ", Senior, P" J *. * -DS 27 14 708 A1 Patent application: Method for growing cells, that a number of economically important microbial products (enzymes, anti-microbial
232 Λ 9 2 O232 Λ 9 2 O
biotika, Pigmente, Antikörper, Hormone, Aminosäuren) in erhöhtem Maße nur während zeitlicher Übergangszustände 'gebildet werden können*biotics, pigments, antibodies, hormones, amino acids) can be formed to an increased extent only during temporary transitional states.
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 werdens 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*In the known methods and devices of the transition from a physiological state to another merely · by the genetically determined in the body fabric exchange regulations is monitored, that is not led by outside * If economically important products are formed during certain tTbergangszustände s not obtained stable high Yield, because these transition states are either only on time / 5 / Bley ,. ihi: LD-WP 140 150 Processes for the recovery of biomass or not sufficiently reproducible / 6 / Conney, G. Le (1979) * Biotech. Bioeng · Syrnp «, ^ 9 1 ~ 11 · However, the yield of unwanted lifting products is high, so that complex enrichment or purification processes have to be followed. * The synthesis of by-products involves the conversion of high-quality raw materials into an unsafe process microbiological processes are known in which transient states are prolonged by feeding in substrates. However, these processes do not involve any regulators with variable nominal values. These known methods and devices thus compensate deviations from the intended process process only insufficiently.
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»: WachstumDevices are also known ^ realize the temporal transitions of physical, biologically tinspezifisch acting variables, such as temperature, pH and Gelästsauerstoffkonzentration, z * B *. / 7 / Constantinides, A 0 : Spencer, J · L », Gaden, S; L «(1970), Biotechnoi; Bioeng, 12, 803 · This temporal transition states in the physical environmental conditions are in no clear relation to physiological conditions microbiological cultures'"Ss other hand, is known that in the simplest case physiological states microbiological cultures by a single size, generally specific growth rate Named n t, / 8 / Bergter, P 0 : Growth of microorganisms, Fischer-Verlag Jena, 1972 »Methods and devices for the determination of this size are known / 8 / Bergter, F»: Growth
232 4 9 2 O232 4 9 2 O
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, K0 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,·from. Microorganisms, Pischer-Verlag Jena, 1972. However, as a result of the required first derivative with time, these are very susceptible to interference / 9 / Kaorre, W, Ai: Mouth, K 0 t Jakubik, Le: Analysis of growth curves of microorganisms by piece- wise linear. approximations * Z * Alig. Microbiology Λ8 } 6O9 ** 612 (1978) ο Since the determination of a transitional state would require a second derivative with time, the use of such methods is unsuitable for the drilling process.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Die Erfindung beinhaltet das Ziel* die mikrobiologische Stoffwechseileistung von Yerfahren zu erhöhen bzw« au stabilisieren*The invention aims to increase or stabilize the microbial metabolism of plants
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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»The invention is based on the object} apparatus au describe ^, not wi $ previously held with the at ProzeBführung the physiological condition of the microbiological culture constant or the transition between physiological states by the presence in the microorganism ^ gulationsmechanismen is determined, but with a desired Sequence of transitional states is enforced from the outside »
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 zeitintegriertenAccording to the invention, this object is achieved by a device with which the logarithm of the microorganism concentration (biomass concentration) s : which may optionally be determined indirectly from another signal $ is guided along the twofold integrated setpoint curve. The device contains both elements for double logarithmization also elements for dual time integration as well as a comparator and a pump. As a result, the fact that the double differentiation of the double logarithmic measurement value sequence which is virtually unusable for reasons of stability is replaced by the formal-mathematically equivalent double time integration of the setpoint curve ensures the stability of the device. Only this procedure makes it possible to realize temporal transition states in a defined manner , In the palle of a positive deviation between the double time-integrated
.,_ 232492 O, 232492 O
Sollwertkurve und der doppelt logarithmierten Meßwertkurve erfolgt Zugabe von dem das Wachstum begrenzenden Substrat über die Pumpe, bis diese Abweichung korrigiert ist*Setpoint curve and the double logarithmic plot curve is added by the growth limiting substrate via the pump until this deviation is corrected *
Ausführungsbeispielembodiment
An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näfc&a? erläutert werden· Ss zeigt die Pig« ein Blockschema der Vorrichtung für mikrobiologische Kulturen.In one embodiment, the invention is intended to be? The block diagram of the device for microbiological cultures is shown in FIG.
Die Vorrichtung besteht aus dem Kultivierungsgefäß 1t. das mittels einer Einrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Mikro<* Organismenkonzentration 2S 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«;The device consists of the cultivation vessel 1 t . which is connected to an input of a comparator 7 by means of a device for the continuous determination of the micro-concentration 2 S 3s 1, a linear transformer 3 and a logarithm 4, the other input of the comparator being connected to a setpoint generator 5 via two integrators S © The setpoint generator 5 specifies the current time derivative of the specific growth rate. The output of the comparator is coupled via an amplifier to a pump connected to a reservoir containing the microorganism growth substrate.
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;In the culture vessel 1 (for example, fixed setpoint controller for temperature * pH, pOp etc. '') are required for the growth conditions, "except for a five growth-limiting substrate Konzen" concentration through here not further described bene institutions - constant "Concentration The microorganisms, symbolized by x, are for example determined photometrically using the well-known Lambert-Beer law for the attenuation of light when passing through an optically opaque medium.
xsaln T"1 (1)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/xo5 erhalten wird. Dieses Signal ver-A photometer 2 first supplies an electrical signal proportional to the transmission T. In the case of higher optical densities, the measurement of the backscatter is technically more advantageous instead of measuring the transmission. This signal is converted into the transmission signal T by means of the linear transformer 3. The logarithm 4 · and another linear trans *. Formers 3 perform the operations required by equation (1), whereby an electrical signal proportional to the microorganism concentration, the normalized microorganism concentration x / x o 5, is obtained. This signal
232 Λ 9 2 O232 Λ 9 2 O
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 Yergleicherruns via the second logarithmizer 4, so that the logarithm of the normalized microorganism concentration is available at one input of the comparator 9 * 'At the second input of the comparator 7, the twice-time-integrated so-value curve is provided by the setpoint value. , Generator 5 <lis current time derivative of the specific growth rate as a setpoint curve f (t), which is processed by the two integrators 6 to the setpoint curve of the logarithmized normalized microorganism concentration "The Yleichleicher
7 stellt die aktuelle Differenz zwischen Soll- und Istwert der logarithmierten normierten Mikroorganismenkonzentration fest*' Diese Differeca läSt sich mathematisch darstellen als7 shows the actual difference between the setpoint and the actual value of the logarithmised normalized microorganism concentration. * This differeca can be represented mathematically as
t t? d ?
r r r f(t«O dt**J dt* « in x/xJi (2) rrr f (t «O dt ** J dt *« in x / xJi (2)
OOOO
mit 2 s Startwert der Bionasse konzentrationwith 2 s starting value of the Bionasse concentration
t a aktuelle Permentationszeit tf, t1*= Integrationsvariable (t1, ttf Dimension einer Zeit) Sobald die Differenz (2) positiv ist und eine Hysterese £ des Vergleichers 7 übersteigts wird über den Verstärker 8 dia Pumpe 9 eingeschaltet, die aus einem Reservoir 1Ot daß das Mikro*» Organismenwachstum begrenzende Substrat mit einer bestimmten^ konstanten Hate in das Kultivierungsgefäß 1 beförderte"ta actual time of diffusion t f , t 1 * = integration variable (t 1 , t tf dimension of a time) As soon as the difference (2) is positive and exceeds a hysteresis ε of the comparator 7 s pump 9 is switched on via the amplifier 8, the off a reservoir 1O t that the micro * »organisms carried growth limiting substrate with a certain constant ^ Hate in the culture vessel 1"
Im Palle einer negativen Abweichung (2) wird über den VerstärkerIn the palle of a negative deviation (2) is over the amplifier
8 die Pumpe 9 ausgeschaltet, so daS diese kein Substrat in das Kultivierungsgefäß 1 befördert»8, the pump 9 is turned off so that it does not transport any substrate into the culture vessel 1.
Solange die mit (2) symbolisierte Abweichung ,kleiner als S-ist, verläuft die erste zeitliche Ableitung /U der spezifischen Wachstumsrate ,xkf die als x/x definiert ist, näherungsweise entlang der vorgegebenen Sollwertkurve f(t)? d» h» für diesen* von der beschriebenen Vorrichtung erzwungenen Pail giltAs long as the deviation symbolized by (2) is smaller than S- , the first time derivative / U of the specific growth rate , xk f, which is defined as x / x, runs approximately along the given setpoint curve f (t) ? d "h" applies to this pail enforced by the device described
Beispielsweise wird für den einfachsten Pail einer mit der Brozeßzeit linear abnehmenden spezifischen Wachstuasrate, alsoFor example, for the simplest of pail, a specific growth rate decreasing linearly with the brokering time, ie
m 6 - m 6 -
232 Λ 9 2 O232 Λ 9 2 O
,h. » const«,, ο«) ,H. »Const« ,, ο «)
mittels der beschriebenen Vorrichtung der Logarithmus der normierten Mikroorganismenkonzentration entlang einer Parabel geführteguided by the described device, the logarithm of normalized microorganism concentration along a parabola
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