DD297444A5 - Verfahren und vorrichtung fuer eine folgesteuerung bei aeroben bioprozessen - Google Patents
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- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung fuer eine Folgesteuerung bei aeroben Bioprozessen durch Messung des Sauerstoffverbrauches, Dosierung von C- und N-Substrat sowie Messung des p H-Wertes. Es ist dadurch gekennzeichnet, dasz die C-Quellendosierung ueber ansteuerbare Zeitimpulsgeber und Relais an die O2-Verbrauchsmeszeinrichtung gekoppelt ist, wobei der dem C-Substrat Verbrauch proportionale Abfall des p H-Wertes ueber einen p H-Regler durch Zudosierung von N-Substrat kompensiert und auf einen Soll-Wert gehalten wird. Die Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens ist dadurch charakterisiert, dasz sie aus einem Fermenter 1 mit Motor 6, einem Sauerstoffanalysator 2 fuer die Fermenterabluft, einem pO2-Regler 3 mit angeschlossenem pO2-Meszfuehler 9, einem Schaltmodul 3 A, einem ansteuerbaren Drehzahlsteller 3 B zur Drehzahlsteuerung des Motors 6, einem ansteuerbaren Zeitimpulsgeber 4, an dem ein Impulszaehler 4 A angeschlossen ist, ferner aus Relais 5 A bis 5 D zur Betaetigung von Dosiereinrichtungen 7 A bis 7 D fuer die Dosierung von C-Substrat, N-Substrat, Saeure und Lauge, sowie einem p H-Regler 8 mit angeschlossenem p H-Meszfuehler 10 zur Soll- und Grenzwertregelung besteht.{Messung; Sauerstoffverbrauch; Dosierung C-Substrat; N-Substrat; p H-Wert; Prozeszabluft; Fermenter 1; Sauerstoffanalysator 2; pO2-Regler 3; Schaltmodul 3 A; Drehzahlsteller 3 B; Zeitimpulsgeber 4; Impulszaehler 4 A; p H-Meszfuehler 10}
Description
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung für eine Folgesteuerung „CvVerbrauch-C-Quellenangebot-pH-Verlauf-NrQuellenangebot".
Anwendungsgebiet sind Bioprozesse, vorzugsweise submerse aerobe Fermentationsprozesse von Zellen, wie z.B.
Mikroorganismen, aber auch pflanzliche und tierische Zellen im fluiden Medium.
Die Dosierung von Nährstoffen bei Bioprozessen, wie C-Que!le (z. B. Saccharide) >ind N-Quelle (z. B. NH«-Verbindungen, proteinhaltige Naturprodukte u.a.) im kontinuierlichen oder im Satzbetrieb (fed batch) während des Prozesses sowie die Regelung des pH-Wertes in Verbindung mit Säure- und Lauge-Vorlage sind Stand der Technik. (Ulimanns Encyklopädie d.
Techn. Chemie; 4.Auflage Verlag Chemie Weinheim, Bd.4: Verfahrensentwicklung und Planung von Anbgen, Dokumentation sowie Bd.5: Analysen-und Meßverfahren)
Für die Nährstoffdosierung werden zumeist Dosierungen verwendet, die im Dauerbetrieb oder nach manuell einstellbaren Zeitprogrammen arbeiten und nicht unmittelbar mit dem Prozeß gekoppelt sind. (Siehe obengenannte Literaturstelle) Die Mängel eines derartigen Systems sind allgemein bekannt: Wachstum des Mikroorganismus und Dosierregime sind nicht direkt miteinander verknüpft, es gibt keine Rückkopplung zwischen Wachstum und Dosierung. Dadurch bedingte Fehldosierungen führen zu Instabilität im Prozeß; die Folgen sind Wachstumsstörungen, Fehlreaktionen im Stoffwechsel der Mikroorganismen, z.T. auch irreversibel; im Ergebnis Ausbeuteminderung, ferner Informations-, Qualitäts- und Zeitverlust in der biotechnologischen Forschung.
Mit dem Anstieg des Wachstums nach Beginn eines Bioprozesses steigt bei aeroben Organismen zunächst der Bedarf an C-Quelle (z. B. Glukose, Saccharose) und - metabolisch an diesen gekoppelt- der Bedarf an Luftsauerstoff (O2) an.
Mit dem C-Quellen-Verbrauch steht wiederum der N-Quellen-Verbrauch in einem physiologisch bestimmten Zusammenhang.
Im Ergebnis dieser C- und N-Verwertung entstehen saure bzw. basische Metaboliten, die an das Medium abgegeben werden und deren dynamisches Verhältnis-es bestimmt denpH-Verlauf im Prozeß-ein Maßfür die Gleichgewichtslage bei der Verwertung dieser Substrate darstellt. Unter anderem ist dieser Sachverhalt Gegenstand verfahrensspezifischer Untersuchungen mit dem Ziel, eine experimentell und möglichst auch mathematisch-theoretisch optimierte Prozeßstrategie zu formulieren.
Eine systematische Kopplung dieser Verbrauche an den realen Wachstumsprozeß in Echtzeit ist derzeit nicht befriedigend realisiert.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei aeroben Bioprozessen durch Verwendung einer Vorrichtung unter Einbeziehung der pH-Regelung die C- und N-Substratdosierung an den Sauerstoffverbrauch zu koppeln.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Bei Bioprozessen, speziell bei aeroben Prozessen, kommt der C- und N-Quellen-Dosierung - zumeist Lösungen von Mono- oder Disacchariden sowie anorganische N-Verbindungen bzw. lösliche oder dispergierte Proteinsysteme, wie z. B. Maisquel'wasser, Sojamehl u.a.-eine große Bedeutung zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die rein manuell bzw. durch manuell eingestellte Zeitimpulsgeber betätigten Dosiereinrichtungen für C- und N-Substrat durch ein System von Vorrichtungen und ein Verfahren zur Prozeßsteuerung zu ersetzen.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren für eine Folgesteuerung bei aeroben Bioprozessen durch Messung des Sauerstoffverbrauches, Dosierung von C- und N-Substrat sowie Messung des pH-Wertes dadurch gekennzeichnet, daß die C-Quellendosierung über ansteuerbare Zeitimpulsgeber und Relais an die CVVerbrauchsmeßainrichtung gekoppelt ist, wobei der dem C-Substrat Verbrauch proportionale Abfall des pH-Wertes über einen pH-Regler durch Zudosierung von N-Substrat kompensiert und auf einen Sollwert gehalten wird.
Bei Überschreitung eines oberen bzw. unteren pH-Grenzwertes, wird zusätzlich Säure bzw. Lauge zudosiert.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch charakterisiert, daß sie aus einem Fermenter' mit Motor 6, einem Sauerstoffanalysator 2 für die Fermenterabluft, einem pO2-Regler 3 mit angeschlossenem p02-Meßfühlor 9, einem Schaltmodul 3A, einem ansteuerbaren Drehzahlsteller 3B zur Drehzahlsteuerung des Motors 6, einem ansteuerbaren Zeitimpulsgeber 4, an dem ein Impulszähler 4A angeschlossen ist, ferner aus Relais 5A bis 5D zur Betätigung von Dosiereinrichtungen 7 A bis 7 D für die Dosierung von C-Substrat, N-Substrat, Säure und Lauge sowie einem pH-Regler 8 mit angeschlossenem pH-Meßfühler 10 zur Soll- und Grenzwertregelung besteht.
Erfindungsgemäß wird entsprechend Fig. 1 die C-Quellen-Dosierung an den O2-Verbrauch gekoppelt, indem der von einem Gasanalysator abgenommene O2-Gehalt der Prozeßabluft (S 20,9%) zur Ansteuerung eines Zeitimpulsgebers verwendet wird, der wiederum eine Dosiereinrichtung bedient.
In einer anderen Variante Fig. 2 wird die Schalthäufigkeit eines p02-konzentrationsabhängigen Schaitmoduls für die Ansteuerung der Dosiereinheit (Dosierpumpe) genutzt.
Mit dem Anstieg des Wachstums nach Beginn des Prozesses steigt bei aeroben Organismen vor allem der Bedarf an C-Quelle
(z. B. Glukose, Saccharose) und daran gebunden, der Verbrauch an Luftsauerstoff (O2) an, d. h. die Prozeßabluft verarmt an O2.
Das dabei ansteigende Differenzsignal Zuluft-Abluft bewirkt über entsprechende Baugruppen eine höhere Dosiorrate. Mit sinkendem O2-Verbrauch bei zunehmend stationär verlaufender Wachstumskurve wird auch die Dosierrate wieder gesenkt. Im Ergebnis des C-Stoffwechsels werden vom Mikroorganismus saure Metaboliten in das Medium abgegeben, gleichbedeutend mit einem Absinken des pH-Wertes unter den vorgegebenen Sollwert.
Das hierdurch entstehende Differenzsignal (ΔρΗ) bewirkt die Ansteuerung einer weiteren Dosierpumpe mit N-Quelle (z.B.
Maisquellwasser, NH4OH-Lösung). Deren Verstoffwechslung setzt basische Metabolite frei, die den pH-Wert ansteigen lassen, bis schließlich dessen Sollwert wieder erreicht ist.
Mit der Vorgabe eines (optimierten) pH-Sollwertes steuert der Mikroorganismus automatisch die optimale (und somit ökonomische) Verwertung von C- und N-Quelle; Mangelsituationen auf der einen und Überdosierungen auf der anderen Seite werden minimiert: Fehlregulationen und die damit verbundenen Ausbeute- und Qualitätsminderungen können weitgehend vermieden werden.
Ferner lassen sich mit Hilfe dieses Systems Prozeßstrategien für die biotechnologische Forschung formulieren, die in relativ kurzer Zeit für ausgewählte Randbedingungen eine möglichst optimale Verfahrensvariante liefern.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll durch die folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Die Abluft des Fermenters 1 wird einem Sauerstoff (O2-) Analysator 2 zugeführt. Aus dem Meßsignal des O2-Gehaltes der Abluft und dem konstanten Wert für die Normalatmosphäre (20,9% O2) wird ein Differenzsignal ΔΟ2 gebildet, dessen Größe die Impulsdauer At dos von dessen Signal angesteuerten Zeit-Impulsgebers 4 bestimmt: At ~ O2 Dem Zeit-Impulsgeber ist eir> pulszähler 4A angeschlossen. Dar Impulsgeber 4 steuert über ein Relais 5B die Dosiereinrichtung 7 B für das C-Substrat, beeinflußt somit O2-verbrauchsabhängig die Dosiermenge an C-Substrat und paßt sie automatisch dem Wachstumsverlauf des Mikroorganismus und somit dem C-Substrat-Bedarf an. Mit dem erhöhten C-Subst it-Bedarf ist der N-Substrat-Verbrauch korreliert. Dessen Ankopplung an den C-Substrat-Verbrauch geschieht folgendermaßen:
Das dem Fermenter 1 über pH-Meßfühler 10 entnommene Meßsignal für den pH-Istwert (PH1) wird einem pH-Regler 8 eingegeben. Erhöht sich der C-Substrat-Verbrauch durch den Mikroorganismus, so entstehen im allgemein vermehrt saure Metabolite, die ein Absinken des pH-Wertes bewirken. Bei Unterschreiten eines vorwählbaren Sollwertes pHs dosiert der Regler über ein Relais 5C N-Substrat aus der Dosiereinrichtung 7C zu; die bei der Verstoffwechselung des N-Substrates anfallenden basischen Metabolite bewirken einen Anstieg des pH-Wertes; wird der Sollwert pHs überschritten, dosiert der Regler 8 über das Relais 5B wieder C-Substrat zu.
Unter Berücksichtigung der Trägheit von Bioprozessen und zur Erhöhung der Prozeßsicherheit ist am Regler 8 eine Schaltfunktion integriert, an dieser sind 2 Grenzwerte vorwählbar: oberer Grenzwert pHs+ a pHs und unterer Grenzwert pHs- S pHs.
Bei Überschreitung dieser Grenzwerte werden vom Regiere bei pH > pHs+ Säure durch die Dosiereinrichtung 7 A und pH < pHs.
Base durch die Dosiereinrichtung 7 D über die Relais 5 A bzw. 5D zudosiert, bis pHs+ 2 pH| > pHS- gilt. Die weitere Einregelung ρHs < pHi < pHs+ und pHs > pH| > pHs- erfolgt dann wieder mit der Ansteuerung der Vorlage 7 B für C-Substrat über Relais 5B bzw. Vorlage 7 C für N-Substrat über Relais 5 C.
Mit Hilfe der 3 Werte pHs+, pHs und pHS- sowie mit der Wahl der Relation
(C- und N-Substi at-Konzentration) Start (C- und N-Substrat) Dosierung
kann mit relativ geringem Aufwand eine Optimierung von Bioprozessen erfolgen und eine On-Iine-Fahrwelse „Oj-Verbrauch -» C-Substrat-Doslerung -> pH-Verlauf N-Substrat-Dosierung -> Wachstum -»02-Verbrauch" realisiert werden (Fig. 1).
Das Meßsignal für den Gelöstsauerstoff wird dem Fermentor 1 über den pO2-Meßfühler 9 entnommen und dem pO2-Regler 3 aufgegeben.
Bei Unterschreitung des p02-Sollwertes aktiviert die hierdurch gebildete Stellgröße (y) ein Schaltmodul 3A (Relais).
Dieses Modul steuert einerseits über einen Drehzahlsteller 3 B den Motor 6 auf die höhere Drehzahl nE, andererseits wird über das Relais 5 B die Dosiereinrichtung 7 B für C-Substrat eingeschaltet. Aufgrund der erhöhten Drehzahl steigt der O2-Übergang von der Gasphase in die Flüssigphase des aeroben Kulturmediums und folglich erhöht sich auch der pO2-Wert wieder.
Bei Erreichen bzw. Überschreiten des pO2-Sollwertes werden durch das Gchaltmodul 3 A die Drehzahl des Motors 6, auf die Grunddrehzahl no geschaltet und die Dosiereinrichtung 7 B über Relais 5B wieder abgestellt. Je höher das Wachstum und damit der O2-Verbrauch sind, desto größer wird Y = pOZson pO2 i„ und damit erhöhen sich Häufigkeit und Dauer der Aufschaltphase des Schaltmoduls 3A („erhöhte Drehzahl") nE). Dieses Regime sichert eine dem Wachstum angepaßte O2- und C-Substrat-Versorgung.
Durch Variation von Substratkonzentration und Fördermenge (Volumenstrom) der Dosierlösung kann der Prozeß r"it einem Minimum an Zeitaufwand weiter optimiert werden.
Außerdem wird in gleicher Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, der N-Substratbedarf über den pH-Regler 8 in Verbindung mit den Relais 5C, 5A und 5D, sowie den Dosiereinrichtungen 7C (C-Substrat) 7A (Säure) und 7 D (Base) flexibel an den C-Substrat-Verbrauch gekoppelt (Fig.2).
Claims (3)
1. Verfahren für eine Folgesteuerung bei aeroben Bioprozessen durch Messung des Sauerstoffverbrauches, Dosierung von C- und N-Substrat sowie Messung des pH-Wertes, dadurch gekennzeichnet, daß die C-Quellendosierung über ansteuerbare Zeitimpulsgeber und Relais an die O2-Verbrauchsmeßeinrichtung gekoppelt ist, wobei der dem C-Substrat-Verbrauch proportionale Abfall des pH-Wertes über einem pH-Regler durch Zudosierung von N-Substrat kompensiert und auf einen Sollwert gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines oberen bzw. unteren pH-Grenzwertes zusätzlich Säure bzw. Lauge zudosiert wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Fermenter (1) mit Motor (6), einem Sauerstoffanalysator (2) für die Fermenterabluft, einem pO2-Regler (3) mit angeschlossenem pO2-Meßfühler (9), einem Schaltmodul 3 A, einem ansteuerbaren Drehzahlsteller 3B zur Drehzahlsteuerung des Motors (6) einem ansteuerbaren Zeitimpulsgeber (4) an dem ein Impulszähler (4A) angeschlossen ist, ferner aus Relais (5A bis 5D) zur Betätigung von Dosiereinrichtungen (7 A bis 7 D) für die Dosierung von C-Substrat, N-Substrat, Säure und Lauge, sowie einem pH-Regler (8) mit angeschlossenem pH-Meßfühler (10) zur Soll- und Grenzwertregelung besteht.
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