DD269861A1 - Vorrichtung zur regelung des sauerstoff-partialdruckes in fermentoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des pO2-Werts in biologischen Fermentationsprozessen, insbesondere mit dem Ziel der Vermeidung unphysiologischer pO2-Werte (pO2-Limitation) in der Kulturloesung. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, die pO2-Regelung durch interne Anpassung der O2-Aufnahme einer biologischen Kultur an den gegebenen O2-Eintrag des Fermentors so durchzufuehren, dass die Tolerierung von Substratueberschuessen bzw. die Einsparung von energieeintragssteigernden technischen Massnahmen gewaehrleistet wird. Erfindungsgemaess wird dies dadurch erreicht, dass ein Koppler, bestehend aus pO2-p H-Uebertrager, Erfassungseinheit DpO2/Dt, p H-Festsollwertgeber und Drehzahlverstellung, das Zusammenwirken von pO2-Regler und p H-Regler bzw. von pO2-Regler und Drehzahl-Regler insbesondere gemaess einer direkten oder invertierenden Uebertragercharakteristik und der Stellgliedansteuerungen (Laugepumpe, Saeurepumpe, Ruehrermotor) uebernimmt. Dabei verursacht die biologische Kultur durch das im Koppler vorliegende automatische Selbstkopplungsprinzip der Zustandsgroessen pO2-Wert und p H-Wert der Kulturloesung die Verschiebung des p H-Werts entsprechend des aktuellen pO2-Werts und bewirkt somit die Herstellung der O2-Balance durch die eigenverursachte Aenderung des p H-Milieus.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes (pO₂-Wert) in Fermentoren bei aeroben Kultivierungen von Mikroorganismen, Zellen usw. Da die O₂-Versorgung essentielle Bedeutung für das Verhalten natürlich vorkommender bzw. selektierter oder genetisch manipulierter biotechnologisch eingesetzter Mikroorganismen hat, liegt das Anwendungsgebiet der Erfindung in der biotechnologischen Industrie bzw. in der technischen Mikrobiologie.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die physiologisch angemessene Versorgung aerob fermentierter biologischer Kulturen mit dem Substrat O₂ ist Voraussetzung für die effektive Umsetzung anderer essentieller Substrate (C-, N-, P-Quellen, Spurenelemente) in aktive Biomesse (Review:

BUCKLAND, B.C.: The translation of scale in fermentation processes: The impact of computer process control, BIO/ TECHNOLOGY, 1984, Heft 10).

OrLifPitötionsfreiheit im Sinne einer nicht prozeßeinschränkenden O₂-Versorgung liegt u.a. vor, solange der pO₂-Wert der Kulturlösung den kritischen pO₂-Wert des verwendeten Fermentationsorganismus nicht unterschreitet (MOSER, A.:

Bioprozeßtechnik-Berechnungsgrundlagen der Reaktionstechnik biokatalytischer Prozesse, Springer-Verlag, Wien, 1981,

Nach dem Stand der Technik werden folgende physikalisch-reaktortechnische Steuer- bzw. Stellgrößen einzeln oder kombiniert benutzt, um die pO₂-Sollwertregelung oberhalb des kritischen pO₂-Werts durchzuführen:

— Erhöhung der Umwälzungsgeschwindigkeit der Kulturlösung (z. B. Drehzahlerhöhu.ig),

— Erhöhung des Zuluft-Volumenstroms bzw. Beimischung von reinem O₂,

— Temperaturerniedrigung,

— Erhöhung des Fermentor-Innendrucks,'

— Verdünnung der Kulturlösung mit sterilem Wasser.

Zu den substanzseitigen Steuer- bzw. Stellgrößen gehören

— die Zugabe von 0₂-reichen chemischen Verbindungen,

— die limitierte Zudosierung externer Substrate,

— die Menge des frischen Austauschmediums in Abstimmung mit der Zyklusdauer bei zyklischen Fermentationen. Die Realisierung dieser physikalisch-reaktortechnischen Maßnahmen zur Ermöglichung der effektiven Umsetzung von deponierten Substraten beinhaltet als Nachteile

— den erhöhten Bedarf an elektrischer Leistung bzw. von Kühlwasser,

— den Bedarf an peripherer (kontaminationssicherer) Geräte- und Stelltechnik oder im Extremfall

— eine aufwendige konstruktive Umgestaltung der Fermentoren mit einem ausreichenden Variabilitätsbereich der für den O₂-Eintrag wichtigen Reaktorbetriebsparameter.

Bezüglich der substanzreichen Steuer- bzw. Stellgrößen sind die wechselnde Chargenqualität industrieller ß jbstrate, der extensive Aufwand zur Realisierung reproduzierbarer Substratdosierungsstrategien usw. nachteilig.

Als Instrumentierung von Fermentoren sind Meß· und Regelvorrichtungen für die Zustandsgrößen Temperatur, pH-Wert, pOrWert, Schaum, Druck usw. in Verbindung mit den Stellgliedern für die Rührerdrehzahl (Motor), den Förderstrom im Außenkreislauf (Pumpe), den Zuluft-Volumenstrom (Kompressor), den O₂-Anteil der Zuluft (Mischer), Korrekturmittel (Pumpen für Säure, Lauge, Entschäumer) Stand der Technik (PRAEVE, P. und Mitautoren: Handbuch der Biotechnologie, Oldennourg-Verlag Münche i/Wien, 1984,173-212).

Bisher sind über die Anwendung spezieller Ferrnentations-Prozeßtypen hinaus nur Vorrichtungen zur Regelung des pO₂-Wertes bekannt, die die Verbesserung des (^-Eintrages von Fermentore.n kausal durch die energieaufwendige Extensivierung physikalisch-technischer Maßnahmen erzwingen (US-Patent 4468155). Dabei geht die Entwicklung bis zur Abarbeitung kaskadenartig gestaffelter Parametererhöhungen als gewichtige Stellmaßnahmen der pO₂ Sollwertregelung.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung beinhaltet das Ziel, während aerober Fermentationen u. a. mit hohen Biomassen in den Fermentoren eine Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes zu realisieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabt zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes in Fermentoren anzugeben, die die Tolerierung won relativen Überschüssen anderer Substrate bzw. die Absenkung der Werte physikalischtechnischer Fermentor-Betriebsparameter und damit Energie- und Kosteneinsparungen ohne Eintreten einer O₂-Limitation erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die nach an sich bekannten Prinzipien arbeitenden pO₂-Regler 11, pH-Regler 6 und Drehzahlregler (anstelle dessen auch Zuluft-Regler oder Druck-Regler) durch einen übergeordneten Koppler 1 erweitert und hierarchisch zugeoidnet werden. Der pH-Regler β und der Drehzahlregler 4 besitzen über die üblichen Ein- und Ausgänge hinaus einen zusätzlichen elektronischen Eingang für den Start der Betriebsart externe Sollwertvorgabe. Der pH-Regler 6 und der Drehzahl-Regler 4 steuern die Säurepumpe 8, die Laugenpumpe 9 bzw. den Rührerantriebsmotor 12 des Fermentors 13, der die Kulturlösung 14 enthält.

Der Koppler 1 umfaßt den Übertrager 15, die Erfassungseinheit ApO₂Mt 16, die Drehzahleinstellungg 17 und den pH-Festsollwertgeber 18 als funktioneile Elemente. Der Übertrager 15 realisiert die pH-Sollwertführung in Ableitung vom pO₂-Wert entsprechend der direkten oder invertierenden Charakteristik (Figur 3a und 3b). Die Funktion der Vorrichtung ist dadurch charakteri&i«"*., daß der Übertrager 15 dem aktuell in der Kulturlösung gemessenen pO₂-Wert nach Absinken desselben unter den am pO₂-Reglor 11 vorgewählten Schwellwert S1 einen aktuellen pH-Sollwert zuor dnet und diesen dem pH-Regler 6 in Form des elektrischen Eingangssignals in der Betriebsart externe Sollwertvorgabe vorschreibt. Der pH-Regler 6 steuert in an sich bekannter Weise die Korrekturmittel-Stellglieder Laugenpumpe 9 und Säurepumpe 8 und bewirkt die Anpassung des aktuellen pH-Wertes der Kulturlösung 14 im Fermenter 13 an den vom pO₂-Wert und die Übertragungscharakteristik vorgegebenen aktuellen pH-Sollwert. Somit verursacht der Abfall des pO₂-Wertes untsrhalb des Schwellwertes S Ί infolge wachstumbedingter Zunahme des (^-Verbrauches der biologischen Kultur eine dieselbe vermindernde definierte Absenkung bzw. Anhobung des pH-Wertes der Kulturlösung 14 (Selbstkopplung) im Anschluß an die Phase des pH-Freilaufs, die durch pO₂-Werte größer als S1 gekennzeichnet ist. Auf die beschriebene Weise verursacht der Koppler 1 mittels kulturspezifische selbstgekoppelter pH-Verschiebung ohne Erhöhung der Rührerdrehzahl, des Zuluft-Volumenstroms oder des Fermenterinnendrucks, daß der pO₂-Wert das stationäre Minimum als Ausdruck der mit dem erreichten pH-Wert verbundenen Balance zwischen festem O₂-Eintrag des Fermentors und Ölverbrauch der wachsenden Kultur annimmt. Die Übertragungscharakteristik wird so vorgegeben, daß das pO₂-Minimum größer als der kulturspezifische kritische pO₂-Wert ist.

Die Vorrichtung kann in einer anderen Variante der Erfindung auch so ausgeführt werden, daß anstelle der Regler 11,6 und 4 die zugehörigen Meßverstärker (pO₂-Meßverstärker 10, pH-Meßverstärker 7 und Drehzahlmeßverstärker 5) mit einem übergeordnetem Prozeßinterface 3 sowie einem Rechner 2 verbünde· werden.

Überraschenderweise wird die Aktivität der Biomasse durch die eigenverursachte Verschlechterung ihrer O₂-Aufnahme nicht negativ, wie z. B. in Form des Wachstumsstops, beeinflußt. Die Stationarität des Wachstums tritt erst mit der Limitation anderer Substrate ein.

Die Erfassungseinheit ApO₂Mt gibt nach Erreichen des Wertes ApO₂Mt = O die in der Koppler-Untereinheit pH-Festsollwertgeber 18 vorgewählte und gespeicherte pH-Schwelle frei. Die pH-Schwelle wird als fester Sollwert der weiteren pH-Regelung aktiviert, wenn der pO₂-abhängige aktuelle pH-Wert durch den Übertrager 15 infolge pO₂-Anstiegs diesselbe oder das zusammen mit ihr vorgewählte Toleranzintervall erreicht. Damit endet die Funktion des Übertragers 15. Mit der Aktivierung des festen pH-Sollwertes wird die Betriebsart externe Sollwertvorgabe des Drehzahl-Reglers 4 (bzw. des Zuluft- oder Druckreglers gestartet und die Koppler-Untereinheit Drehzahleinstellung 17 übernimmt die Sollwertvorgabe, beginnend mit der bislang schon realisierten Drehzahl und endend bei dor Minimaldrehzahl, die der pO₂-Sollwertregelung an der vorgewählten Schwelle S 2 des pO₂-Reglers 11 entspricht. Somit steht die Drehzahlerhöhung (bzw. die Vergrößerung des Zuluft-Volumenstroms oder die Druckerhöhung) als Absicherungsmaßnahme auch in der Phase der pO₂-Regelung über die pH-Verschiebung zur Verfügung. Grundsätzlich hat jedoch die regulativ begründete Sollwertregelung über die pH-Wert-Verschiebung den Vorrang vor der Verbesserung des O₂-Eintrags des Fermentors 13 durch Intensivierung der Durchmischung usw.

Die erfinderische Lösung hat folgende Vorteile:

Durch die Entwicklung der vorlegenden Vorrichtung ist die Ablösung technisch-apparativer Regelungen unter Benutzung mehrerer Stellgrößen (Kaskadenregelung) zur Vermeidung der O₂-Limitation gegeben. Damit ist bei vorhandener Fermentorkonfiguration und üblicher Peripherie die Durchführung von Hochleistungsfermentationen ohne weitere Kosten für Energie, Kühlwasser usw. gewährleistet. Als zusätzlicher Vorteil wird gesehen, daß die Potenz zur Einbeziehung weiterer Maßnahmen zur pO₂-Sollwertregelung voll erhalten bleibt.

Ausfuhrungsbeispiele

Die Erfindung soll durch folgende Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: den Gesamtaufbau der Vorrichtung

Fig. 2: den Aufbau des Kopplers

Fig. 3a: die Charakteristik des direkten Übertragers

Fig. 3b: die Charakteristik des invertierenden Übertragers.

Beispiel 1:

Gemäß Figur 1 besteht die Vorrichtung aus den.KoppleM.derdie Instrumentierung des Fermentors 13 bezüglich pO₂ Regler 11, pH-Regler 6 und Drehzahl-Regler 4 verknüpft bzw, hierarchisch ordnet. Die jeweiligen Regler sind dem pOj-Meßverstärker 10, dem pH-Meßverstärker 7 und dem Drehzahl-Meßverstärker 5 nachgeordnet. Sie verarbeiten die elektronisch aufbereiteten Meßsignale, deren Pegel OV bis 10V bzw. O mA bis 20 mA beträgt. Der pH-Regler 6 kontrolliert über diskrete oder kontinuierliche Ausgänge die Säurepumpe 8 und die Laugenpumpe 9 zur Einstellung des pH-Wertes der Kulturlösung 14. Der Diehzahlragler 4 schreibt dem Rührer-Antriebsmotor 12 die Drehzahl vor. Der Koppler 1 besteht gemäß Figur 2 aus dem Übertrager 15, der Erfassungseinheit ApO₂/At 16, der Drehzahleinstellung 17 und dem pH-Festsollwertgeber 18. Dabei hat der Übertrager 15 entsprechend Figur 3a und 3b entwedor eine direkte oder eine invertierende Charakteristik.

Die Erfassungseinheit ApO₂/At 16 ist als Differenzierer mit Grenzwertmeldung bei variabel wählbarem Grenzwert für (ApO₂Mt) aufgebaut. Die Triggerung des pH-Festsollwertgebers 18 erfolgt durch einen Komparator mit variabler Hysterese. Der Bereich für den einzustellenden festen pH-Sollwert liegt zwischen pH = 4,0 und pH = 8,0; die Hysterese beträgt maximal ΔρΗ = 0,8. Die Drehzahleinstellung 17 ist als motorgekoppeltes Potentiometer ausgeführt, wobei dessen Motor vom pO₂-Regler 11 angesteuert wird und der Spannungswert des Potentiometers dem Drehzahl-Regler 4 den externen Sollwert vorgibt. Die direkte Charakteristik des Übertragers 15 entsteht im einfachsten Fall durch Zuleitung des Ausgangssignals des pO₂-Meßverstärkers 10 zum Eingang für die externe Sollwertvorgabe des pH-Reglers 6. Dabei ist der Eingang für den Pegel OV bis 10V bzw. OmA bis 20 mA ausgelegt. Als Modifikation dieser direkten Einspeisung des pO₂-Signals zur Vorgabe des pH-Soüwerts tritt die Addition oder Subtraktion einer konstanten oder variablen Spannung bzw. eines konstanten oder variablen Stroms zum bzw. vom Ausgangssignal des pO₂Meßverstärkers 10 hinzu. Die Variation des addierten oder subtrahierten Pegels im Dereich OV bis 5V bzw. OmA bis 10 mA entspricht der vorgewählten Variationsbreite des pO₂-Wert für die pH-Wert-Änderung. Alternativ zur direkten Charakteristik wird die invertierende Charakteristik des Übertragers 15 durch einen mitwählbarer Verstärkung arbeitenden Inverter für das Ausgangssignal des pO₂-Meßverstärkers 10 erzeugt. Im bevorzugten Fall erfolgt die Inversion mittels Subtrahierer, indem das Eingangssignal der externen Sollwertvorgabe des pH-Reglers 6 durch Subtraktion des aktuellen Ausgangssignals des pO₂-Meßverstärkers 10 vom Maximalpegel 10V bzw. 2OmA gebildat wird Der funktionell Ablauf der Vorrichtung beginnt, wenn der pO₂-Wert der Kulturlösung 14 die am pO₂-Regler 11 vorgewählte Schwelle S1 unterschreitet. Vorher befindet sich die Fermentation im pH-Freilauf. Das Ausgangssignal des pO₂- Reglers 11 zur Meldung derGrenzwertunterschreitung pO₂-Wert S. 1 startet mittels Relaisumschaltung den Übertrager 15, der entsprechend seiner beiden Charakteristika die pO₂-abhängige Einstellung des pH-Wertes der Kulturlösung 14 durch Vorgabe des pH-Sollwerts in Abhängigkeit vom anfallenden pO₂-Signal bewirkt. Gleichlaufend ermittelt die Erfassungseinheit ApO₂MtI 6 die Änderung des pO₂-Werts und startet nach Erreichen der Stationarität (pO₂-Minimum) des pH-Festsollwertgeber 18, womit dessen vorgewählte pH-Schwelle sowie deren Toleranzintervall freigegeben werden. Der pH-Festsollwertgeber 18 stoppt die Funktion des Übertragers 15, wenn der pH-Wert der Kulturlösung 14 dessen vorgewählte pH-Schwelle bzw. das mit ihr vorgegebene Toleranzintervall erreicht.

Gleichzeitig startet er die Drehzahlregelung im Zusammenwirken zwischen pO₂-Regler 11 (an eier Schwelle S 2) und der Drehzahleinstellung 17. Dabei ergibt sich eine im Vergleich zur Startdrehzahl erniedrigte Drehzahl, die der Führung der Fermentation bei pO₂ = S2 entspricht. Wird der Wert pO₂ = S2 während der pO₂-Regslung durch pH-Verstellung erreicht, erfolpt analog dazu die Drehzahlerhöhung als Absicherungsmaßnahme bei unveränderter Priorität der Stellmaßnahme pH-Verschiebung durch den Übertrager 15.

Beispiel 2:

Gemäß Figur 1 gehen die Signale des pO₂-Meßverstärkers 10, pH-Meßverstärkers 7 und Drehzahl-Meßverstärkers 5 über das serielle Prozeßinterface 3 zum Rechner 2, der die hierarchische Verknüpfung der Regler (pO₂-Regler 11, pH-Regler 6 und Drehzahl-Regler 4) enthält sowie deren Funktion realisiert und die Stellglieder Säurepumpe 8, Laugenpumpe 9 und Rührer-Antriebsmotor 12 aktiviert.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes in Fermentoren, gekennzeichnet durch die hierarchische Zusammofassung von pO₂-Regler (11),pH-Regler (6) und Drehzahl-Regler (4) durch den aus Übertrager (15), Erfassungseinheit ApO₂Mt (16), pH-Festsollwertgeber (18) und Drehzahleinstellung (17) bestehenden übergeordneten Koppler (1), der als Stellmaßnahmen der pO₂-Regelung die Verschiebung des pH-Werts der Kulturlösung (14) und die Drehzahlabsenkung nach Übergang in die pO₂-unabhängige pH-Festsollwertregelung realisiert, wobei der pH-Regler (6) und der Drehzahl-Regler (4) einen elektronischen Eingang für die Auslösung der Betriebsart externe Sollwertvorgabe besitzen und bei Unterschreitung des vorgewählten pO₂-Grenzwerts die Verschiebung des pH-Werts der Kulturlösung mittels externer Sollwertvorgabe für den pH-Regler (6) entsprechend der Charakteristik des Übertragers (15) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Realisierung des pH-Profils durch den mit pO₂-abhängiger Sollwertvorgabe arbeitenden pH-Regler (4) über die Korrekturmittel-Stellglieder Säurepumpe (8) und/oder Laugepumpe (S).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erweiterung des Kopplers (1) durch die Einheiten Druckverteilung und/oder Zuluft-Volumenstrom-Verstellung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Übertrager (15) mit direkter oder invertierender Charakteristik.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,2,3 und 4, gekennzeichnet durch die Realisierung des Kopplers (1) und der Regler mittels Prozeßinterface (3) und Rechner (2).