JPH0697990B2 - 微生物培養法とその装置 - Google Patents
微生物培養法とその装置Info
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- JPH0697990B2 JPH0697990B2 JP15539682A JP15539682A JPH0697990B2 JP H0697990 B2 JPH0697990 B2 JP H0697990B2 JP 15539682 A JP15539682 A JP 15539682A JP 15539682 A JP15539682 A JP 15539682A JP H0697990 B2 JPH0697990 B2 JP H0697990B2
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Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、主にフイードバツク制御法に基いて微生物を
最適に培養する半回分微生物培養法及びその装置に関す
る。
最適に培養する半回分微生物培養法及びその装置に関す
る。
微生物の培養工場において、その栄養源である基質の流
加量を自動的に、制御出来れば、培養を管理する運転要
員の省力化、工程の安定化、製品々質の安定，向上が期
待出来る。ところで微生物の培養系は化学反応系等と比
較すると、微生物が自己調節機能を持つており環境に対
する適応力を発揮するという点では化学反応系と大きく
異なつている。それゆえに、微生物個有の特性を考慮し
た化学反応系とは異なる自動制御システムの開発が必要
であるがそのような系の複雑さのゆえに、微生物培養系
を対象とした基質流加量の自動制御に関する応用例は、
きわめて少なく、また研究例も多くなかつた。
加量を自動的に、制御出来れば、培養を管理する運転要
員の省力化、工程の安定化、製品々質の安定，向上が期
待出来る。ところで微生物の培養系は化学反応系等と比
較すると、微生物が自己調節機能を持つており環境に対
する適応力を発揮するという点では化学反応系と大きく
異なつている。それゆえに、微生物個有の特性を考慮し
た化学反応系とは異なる自動制御システムの開発が必要
であるがそのような系の複雑さのゆえに、微生物培養系
を対象とした基質流加量の自動制御に関する応用例は、
きわめて少なく、また研究例も多くなかつた。
次に、以上の事情を更に詳しく述べる。従来研究例とし
てパン酵母に関するものをあげると次のようなものがあ
つた。
てパン酵母に関するものをあげると次のようなものがあ
つた。
１）パン酵母の培養系を対象に、排ガス中のエタノール
濃度を一定に保つよう糖流加量を制御する。
濃度を一定に保つよう糖流加量を制御する。
２）パン酵母の培養系を対象に、呼吸商を制御量とし、
これが、ある一定の値の範囲になるよう糖流加量を制御
する。
これが、ある一定の値の範囲になるよう糖流加量を制御
する。
３）パン酵母の培養系を対象に、排ガス中のエタノール
濃度を測定し、エタノールの生成、資化状態に対応させ
て糖流加量を制御する。
濃度を測定し、エタノールの生成、資化状態に対応させ
て糖流加量を制御する。
しかしながら、これらの研究例は、オンオフ制御を基本
としており、制御（目標）量である例えばエタノール濃
度や呼吸商を一定に保つような高度な制御が行なうこと
は困難であつた。そこで我々は、多孔性テフロンを用い
たチユービング法によるアルコールセンサーを開発し、
培養液中のエタノール濃度を、きわめて迅速なる応答速
度によつて、連続的に測定することを研究可能とし、こ
のような応答特性のすぐれたセンサーを用いることによ
り、PID方式によるフイードバツク制御が可能となり、
エタノール濃度を一定に保つような高い制御性を実現す
ることが出来た。ここでPIDとは、フイードバツク制御
系における調節演算機能であるＰ（比例）、Ｉ（積
分）、Ｄ（微分）の３種の制御を備えた調節器を意味す
る略称として用いた。フイードバツク制御は目標値と被
制御量との偏差に基づいた修正動作を行うものであり、
一般には偏差の比例項、積分項および微分項の組合わせ
で操作量が決定される。各項のゲインはそれぞれのパラ
メータで調整されるため、最適な制御性を得るためには
制御パラメータの最適調整が重要となる。ところで各種
の変動が予想される工場での半回分培養系に上記研究し
た制御システムを応用しようとすれば、次に述べるよう
な欠点があるため応用出来なかつた。即ち半回分培養系
では、菌体濃度、例えばパン酵母の濃度の増加、各生産
物濃度の増加あるいは初期に仕込んだ無機塩類、ビタミ
ン類等の濃度の減少等、培養系の各種状態量が、培養時
間経過に応じて変化する。それが原因で培養系の制御量
の動特性を良好にする、PID方式等のフイードバツク制
御法の制御パラメータの最適値が、培養時間の経過とと
もに変化してしまい、その結果、制御パラメータを培養
時間中終始一定に固定した形のフイードバツク制御によ
つては制御特性が良くなかつた。
としており、制御（目標）量である例えばエタノール濃
度や呼吸商を一定に保つような高度な制御が行なうこと
は困難であつた。そこで我々は、多孔性テフロンを用い
たチユービング法によるアルコールセンサーを開発し、
培養液中のエタノール濃度を、きわめて迅速なる応答速
度によつて、連続的に測定することを研究可能とし、こ
のような応答特性のすぐれたセンサーを用いることによ
り、PID方式によるフイードバツク制御が可能となり、
エタノール濃度を一定に保つような高い制御性を実現す
ることが出来た。ここでPIDとは、フイードバツク制御
系における調節演算機能であるＰ（比例）、Ｉ（積
分）、Ｄ（微分）の３種の制御を備えた調節器を意味す
る略称として用いた。フイードバツク制御は目標値と被
制御量との偏差に基づいた修正動作を行うものであり、
一般には偏差の比例項、積分項および微分項の組合わせ
で操作量が決定される。各項のゲインはそれぞれのパラ
メータで調整されるため、最適な制御性を得るためには
制御パラメータの最適調整が重要となる。ところで各種
の変動が予想される工場での半回分培養系に上記研究し
た制御システムを応用しようとすれば、次に述べるよう
な欠点があるため応用出来なかつた。即ち半回分培養系
では、菌体濃度、例えばパン酵母の濃度の増加、各生産
物濃度の増加あるいは初期に仕込んだ無機塩類、ビタミ
ン類等の濃度の減少等、培養系の各種状態量が、培養時
間経過に応じて変化する。それが原因で培養系の制御量
の動特性を良好にする、PID方式等のフイードバツク制
御法の制御パラメータの最適値が、培養時間の経過とと
もに変化してしまい、その結果、制御パラメータを培養
時間中終始一定に固定した形のフイードバツク制御によ
つては制御特性が良くなかつた。
そこで、培養中適宜時間毎に外乱を与えることにより、
最適制御パラメータを遂次割出し、それに従いフイード
バツク制御演算を行うことが考えられた。しかしなが
ら、微生物の培養系においては、培養中にそのような人
為的な外乱を与えることは、微生物が活性を失つたり、
性質が変化したりしてしばしば予想外の挙動を示し好ま
しくなかつた。
最適制御パラメータを遂次割出し、それに従いフイード
バツク制御演算を行うことが考えられた。しかしなが
ら、微生物の培養系においては、培養中にそのような人
為的な外乱を与えることは、微生物が活性を失つたり、
性質が変化したりしてしばしば予想外の挙動を示し好ま
しくなかつた。
そこで、発明者等は鋭意研究した結果培養中、培養系の
所定状態量Ｂと、最適制御パラメータとの間には一定の
関係があることを発見し、予じめこの関係を実験によつ
て求めておくことによつて、培養中検出したこの所定状
態量Ｂに対応する最適制御パラメータをマイコン等で演
算することにより算出し、これを利用して容易に且つ、
外乱等による弊害なくして最適にフイードバツク制御を
行うことに成功した。
所定状態量Ｂと、最適制御パラメータとの間には一定の
関係があることを発見し、予じめこの関係を実験によつ
て求めておくことによつて、培養中検出したこの所定状
態量Ｂに対応する最適制御パラメータをマイコン等で演
算することにより算出し、これを利用して容易に且つ、
外乱等による弊害なくして最適にフイードバツク制御を
行うことに成功した。
本発明は上記のような技術思想を背景として完成された
ものであつて、従来の微生物培養法の欠点を解消した優
れた微生物培養法及びその装置を提供することを目的と
する。
ものであつて、従来の微生物培養法の欠点を解消した優
れた微生物培養法及びその装置を提供することを目的と
する。
以下に、本発明をその一実施例を示す図面に基いて説明
する。なお、説明を分りやすくするため、基質（栄養
源）としてグルコースを用い、微生物としてパン酵母を
培養し、そのフイードバツク制御方式としてPID方式を
採用し、制御量として着目する状態量Ａはエタノール濃
度とし、又最適制御パラメータと関係あるものとして選
ぶ状態量Ｂは、パン酵母濃度Ｘ及び添加グルコース濃度
Sinとすることとした。なお、この場合、エタノール濃
度に着目する理由は、よくしられるようにエタノール濃
度を一定に維持することにより、パン酵母を収率良くし
かも短時間に品質よく培養出来るからである。
する。なお、説明を分りやすくするため、基質（栄養
源）としてグルコースを用い、微生物としてパン酵母を
培養し、そのフイードバツク制御方式としてPID方式を
採用し、制御量として着目する状態量Ａはエタノール濃
度とし、又最適制御パラメータと関係あるものとして選
ぶ状態量Ｂは、パン酵母濃度Ｘ及び添加グルコース濃度
Sinとすることとした。なお、この場合、エタノール濃
度に着目する理由は、よくしられるようにエタノール濃
度を一定に維持することにより、パン酵母を収率良くし
かも短時間に品質よく培養出来るからである。
まず、本発明に係る微生物培養装置（以下本発明装置と
いう）について説明する。
いう）について説明する。
第１図は本発明装置の簡略培養系統図であつて、１はパ
ン酵母を培養する培養タンクである。該培養タンク１の
上部には、基質としてのグルコースを培養タンク１内に
流下するためのパイプ２の先端が取付けられ、パイプ２
の他端はグルコースを貯蔵するグルコースタンク３に連
結している。該パイプ２の途中にはグルコースを培養タ
ンク１に供給するためのポンプ４が装設され、またダイ
ヤフラム弁等の操作部５が介設されている。培養タンク
１の上部には、培養液中のエタノール濃度を検出する、
多孔性テフロンを用いたチユービング法によるアルコー
ルセンサ６が取付けられている。７は、一定に維持しよ
うとするエタノール濃度の目標値を設定する設定器であ
り、８はその設定器７から出力された目標値信号と前記
アルコールセンサ６から出力されたエタノール濃度信号
を入力し、双方を比較しその差を偏差信号εとして出力
する比較減算器である。培養タンク１の上部には、培養
タンク１中の菌体濃度、本実施例では培養パン酵母の濃
度Ｘを検出する菌体濃度センサ９が下垂固設されてい
る。10は、上記培養系の制御量としてのエタノール濃度
の制御動特性が良好となるような、パン酵母濃度Ｘ及び
供給されるグルコースの濃度Sinと、制御パラメータPr
（比例帯）,Ti（積分時間）,Td（微分時間）との関係
を、例えば次に述べるようにして予め求めておいたもの
を記憶する記憶回路である。上記方法とは、所定のパン
酵母濃度Xs,グルコース濃度Sin sの場合における培養系
に、ステツプ外乱を加えるZiegler-Nichols応答法を適
用し、その場合における制御量の動特性が最適となる最
適制御パラメータを実験的に求め、更に他のパン酵母濃
度X,グルコース濃度Sinの場合について、前記Ziegler-N
ichols法により、最適動特性を与える最適制御パラメー
タを求め、このようにして、各種のパン酵母濃度X,グル
コース濃度Sinの値についての最適制御パラメータPr,T
i,Tdの値，関係を求めておく。ここに良好な制御動特性
とは、速みやかにエタノール濃度が目標値に収束するこ
とをいう。本実施例の場合は、上記関係は次式（１）の
ように簡単なものとなつた。
ン酵母を培養する培養タンクである。該培養タンク１の
上部には、基質としてのグルコースを培養タンク１内に
流下するためのパイプ２の先端が取付けられ、パイプ２
の他端はグルコースを貯蔵するグルコースタンク３に連
結している。該パイプ２の途中にはグルコースを培養タ
ンク１に供給するためのポンプ４が装設され、またダイ
ヤフラム弁等の操作部５が介設されている。培養タンク
１の上部には、培養液中のエタノール濃度を検出する、
多孔性テフロンを用いたチユービング法によるアルコー
ルセンサ６が取付けられている。７は、一定に維持しよ
うとするエタノール濃度の目標値を設定する設定器であ
り、８はその設定器７から出力された目標値信号と前記
アルコールセンサ６から出力されたエタノール濃度信号
を入力し、双方を比較しその差を偏差信号εとして出力
する比較減算器である。培養タンク１の上部には、培養
タンク１中の菌体濃度、本実施例では培養パン酵母の濃
度Ｘを検出する菌体濃度センサ９が下垂固設されてい
る。10は、上記培養系の制御量としてのエタノール濃度
の制御動特性が良好となるような、パン酵母濃度Ｘ及び
供給されるグルコースの濃度Sinと、制御パラメータPr
（比例帯）,Ti（積分時間）,Td（微分時間）との関係
を、例えば次に述べるようにして予め求めておいたもの
を記憶する記憶回路である。上記方法とは、所定のパン
酵母濃度Xs,グルコース濃度Sin sの場合における培養系
に、ステツプ外乱を加えるZiegler-Nichols応答法を適
用し、その場合における制御量の動特性が最適となる最
適制御パラメータを実験的に求め、更に他のパン酵母濃
度X,グルコース濃度Sinの場合について、前記Ziegler-N
ichols法により、最適動特性を与える最適制御パラメー
タを求め、このようにして、各種のパン酵母濃度X,グル
コース濃度Sinの値についての最適制御パラメータPr,T
i,Tdの値，関係を求めておく。ここに良好な制御動特性
とは、速みやかにエタノール濃度が目標値に収束するこ
とをいう。本実施例の場合は、上記関係は次式（１）の
ように簡単なものとなつた。
ここに、Xs,Sin sは、前記所定の値であり、その場合の
最適なPrの値がPrsである。Ti,Tdは本実施例の場合にお
いては、Ｘ、Sinとは関係ないものであつた。つまりTi,
Tdは固定しておいてもよい。11は、最適パラメータ算出
回路であつて、前記、菌体濃度センサ９からの出力信号
Ｘ及び、前記記憶回路10からの出力信号を入力し、その
パン酵母濃度Ｘ及びその時点で培養タンク１に供給され
ているグルコース濃度Sin（これは個々のグルコースタ
ンク３によつて各一定であり、予め既知である）の場合
における最適制御パラメータPr,Ti,Tdを、前記関係式
（１）に基き算出する回路である。12は、その最適パラ
メータ算出回路11から出力される信号と、前記比較減算
器８から出力される偏差信号εを入力し、次式（２）に
従つて、 PIDフイードバツク演算を行い、制御動作信号Ｚを算出
するフイードバツク演算回路である。この制御動作信号
Ｚは前記操作部５へ入力され、それに従い、操作部５は
弁開度を調節する。第１図において、13は培養タンク１
に設けられ、培養液を撹拌する撹拌羽根であり、14は培
養タンク１の排ガス用パイプである。
最適なPrの値がPrsである。Ti,Tdは本実施例の場合にお
いては、Ｘ、Sinとは関係ないものであつた。つまりTi,
Tdは固定しておいてもよい。11は、最適パラメータ算出
回路であつて、前記、菌体濃度センサ９からの出力信号
Ｘ及び、前記記憶回路10からの出力信号を入力し、その
パン酵母濃度Ｘ及びその時点で培養タンク１に供給され
ているグルコース濃度Sin（これは個々のグルコースタ
ンク３によつて各一定であり、予め既知である）の場合
における最適制御パラメータPr,Ti,Tdを、前記関係式
（１）に基き算出する回路である。12は、その最適パラ
メータ算出回路11から出力される信号と、前記比較減算
器８から出力される偏差信号εを入力し、次式（２）に
従つて、 PIDフイードバツク演算を行い、制御動作信号Ｚを算出
するフイードバツク演算回路である。この制御動作信号
Ｚは前記操作部５へ入力され、それに従い、操作部５は
弁開度を調節する。第１図において、13は培養タンク１
に設けられ、培養液を撹拌する撹拌羽根であり、14は培
養タンク１の排ガス用パイプである。
第２図は、第１図に示す本発明装置に、フイードフオワ
ード的制御機能を付与した本発明装置の簡略培養系統図
である。15は、前記フイードバツク演算回路12から出力
された制御動作信号Ｚと前記菌体濃度センサ９からの出
力信号を入力し、次式（３）に従い、制御動作信号Ｚ′
を算出するフイードフオワード加算回路である。
ード的制御機能を付与した本発明装置の簡略培養系統図
である。15は、前記フイードバツク演算回路12から出力
された制御動作信号Ｚと前記菌体濃度センサ９からの出
力信号を入力し、次式（３）に従い、制御動作信号Ｚ′
を算出するフイードフオワード加算回路である。
この をフイードバツク制御動作信号Ｚに加えることにより、
例えばパン酵母濃度Ｘに大きな変化が生じた場合等に、
より制御性よくエタノール濃度を制御し得ることとな
る。なお、ここに、μは比増殖速度、Ｙは対糖収率、Ｖ
は培養液量、a,bは定数である。
例えばパン酵母濃度Ｘに大きな変化が生じた場合等に、
より制御性よくエタノール濃度を制御し得ることとな
る。なお、ここに、μは比増殖速度、Ｙは対糖収率、Ｖ
は培養液量、a,bは定数である。
次に本発明にかかる微生物培養法（以下本発明法とい
う）を上記本発明装置を例にとつて説明する。
う）を上記本発明装置を例にとつて説明する。
本発明法は、予めステツプ応答法等により、培養液中の
エタノール濃度が最適に制御されるような、パン酵母濃
度Ｘ及びグルコース濃度Sinと、制御パラメータとの間
の関係を求めておき、それを記憶回路10に記憶してお
く。次に、操業中の培養タンク１中のパン酵母濃度Ｘと
培養タンク１に供給されるグルコースの濃度Sinを求め
る。パン酵母濃度Ｘを求める方法としては、培養タンク
１に供給されたグルコース総量から間接的に推定する法
あるいは、第１図に示すようなパン酵母濃度センサー９
により直接自動的に検知する法等がある。又グルコース
濃度Sinを求める方法としては、培養タンク１にグルコ
ースを供給するパイプ２に取付けられた濃度計による方
法あるいは、グルコースタンク３に一定の既知の濃度の
グルコース溶液を貯蔵しておく法等がある。次に、最適
パラメータ算出回路11において、求められたパン酵母濃
度Ｘ及びグルコース濃度Sinに対応する最適パラメータP
r,Ti,Tdを、記憶回路10に記憶された前記関係式（１）
に基き算出する。他方アルコースセンサ６から出力され
た培養液のエタノール濃度と、目標とするエタノール濃
度とを、比較減算器８において減算しその偏差εを算出
する。次にフイードバツク演算回路12において、偏差ε
と前記最適制御パラメータPr,Ti,Tdと前記（２）式に基
き、制御動作信号Ｚを演算し出力する。最後に、その制
御動作信号Ｚに従つて操作部５の弁開度を調節しグルコ
ースの供給量を制御する。なお、パン酵母濃度Ｘが大巾
に変化するような場合にも、良好な制御動特性をもつて
制御し得るように、前記フイードフオワード用の項 の付加に基いて演算した値を式（３）を示すように、前
記制御動作信号Ｚに加算し、その和Ｚ′に従つて操作部
５を調節してもよい。なお、ポンプ４の回転数を調節し
てグルコースの供給量を制御してもよい。
エタノール濃度が最適に制御されるような、パン酵母濃
度Ｘ及びグルコース濃度Sinと、制御パラメータとの間
の関係を求めておき、それを記憶回路10に記憶してお
く。次に、操業中の培養タンク１中のパン酵母濃度Ｘと
培養タンク１に供給されるグルコースの濃度Sinを求め
る。パン酵母濃度Ｘを求める方法としては、培養タンク
１に供給されたグルコース総量から間接的に推定する法
あるいは、第１図に示すようなパン酵母濃度センサー９
により直接自動的に検知する法等がある。又グルコース
濃度Sinを求める方法としては、培養タンク１にグルコ
ースを供給するパイプ２に取付けられた濃度計による方
法あるいは、グルコースタンク３に一定の既知の濃度の
グルコース溶液を貯蔵しておく法等がある。次に、最適
パラメータ算出回路11において、求められたパン酵母濃
度Ｘ及びグルコース濃度Sinに対応する最適パラメータP
r,Ti,Tdを、記憶回路10に記憶された前記関係式（１）
に基き算出する。他方アルコースセンサ６から出力され
た培養液のエタノール濃度と、目標とするエタノール濃
度とを、比較減算器８において減算しその偏差εを算出
する。次にフイードバツク演算回路12において、偏差ε
と前記最適制御パラメータPr,Ti,Tdと前記（２）式に基
き、制御動作信号Ｚを演算し出力する。最後に、その制
御動作信号Ｚに従つて操作部５の弁開度を調節しグルコ
ースの供給量を制御する。なお、パン酵母濃度Ｘが大巾
に変化するような場合にも、良好な制御動特性をもつて
制御し得るように、前記フイードフオワード用の項 の付加に基いて演算した値を式（３）を示すように、前
記制御動作信号Ｚに加算し、その和Ｚ′に従つて操作部
５を調節してもよい。なお、ポンプ４の回転数を調節し
てグルコースの供給量を制御してもよい。
次に、本発明法によつて実施した微生物の培養制御結果
を第８図の中央部に示す。
を第８図の中央部に示す。
実施条件は、10ジヤーフアーメンターを用い、培養温
度を33℃,PHを4.7,溶存酸素濃度を3ppm以上とした。比
較のため制御パラメータを固定した従来例の制御結果を
第４図の中央に示す。他の条件は本発明法の実施例と同
一である。ここに、第3,4図中、T1は自動制御のスター
ト時点（それ以前は手動で安定させている）、T2,T5は
夫々外乱として10％グルコース水溶液10ccをパルス状に
加えた時点である。横軸は時間、縦軸はエタノール濃度
を示す。なお、第３図及び第４図においては、エタノー
ル濃度の変化を示すグラフの上方に、前記制御パラメー
タの１つPr（比例帯）のグラフ（横軸時間，縦軸％）を
示し、下方に、パン酵母濃度Ｘのグラフ（横軸時間，縦
軸g/）を示す。なお、第３図のパン酵母濃度Ｘのグラ
フにおいて実線は培養タンク１への添加グルコース総量
から推測されたパン酵母濃度Ｘ値である。黒点はパン酵
母濃度Ｘの実測値である。
度を33℃,PHを4.7,溶存酸素濃度を3ppm以上とした。比
較のため制御パラメータを固定した従来例の制御結果を
第４図の中央に示す。他の条件は本発明法の実施例と同
一である。ここに、第3,4図中、T1は自動制御のスター
ト時点（それ以前は手動で安定させている）、T2,T5は
夫々外乱として10％グルコース水溶液10ccをパルス状に
加えた時点である。横軸は時間、縦軸はエタノール濃度
を示す。なお、第３図及び第４図においては、エタノー
ル濃度の変化を示すグラフの上方に、前記制御パラメー
タの１つPr（比例帯）のグラフ（横軸時間，縦軸％）を
示し、下方に、パン酵母濃度Ｘのグラフ（横軸時間，縦
軸g/）を示す。なお、第３図のパン酵母濃度Ｘのグラ
フにおいて実線は培養タンク１への添加グルコース総量
から推測されたパン酵母濃度Ｘ値である。黒点はパン酵
母濃度Ｘの実測値である。
第３図，第４図から明らかなように、外乱が加わつて
も、本発明法による場合の方がエタノール濃度の変動は
速やかに減衰される。その結果、パン酵母の培養を速や
かに且つ収率良く行うことが出来る。
も、本発明法による場合の方がエタノール濃度の変動は
速やかに減衰される。その結果、パン酵母の培養を速や
かに且つ収率良く行うことが出来る。
次に基質（栄養源）としてエタノール、微生物としてエ
タノール資化性酵母を用いてアミノ酸を生産する場合
に、本発明装置及び本発明法を適用した実施例について
述べる。この場合には、制御量として着目する状態量Ａ
として、エタノール濃度を選び培養前半（20時間）にお
いてはエタノール濃度を1000ppmに保つことによつて酵
母を生産し、培養後半においてはエタノール濃度を9000
ppmまで上昇させてアミノ酸含量を上昇させることとす
る。すなわちこの実施例では制御量が段階的に変化する
場合である。また、最適制御パラメータと関係がある状
態量Ｂとしては、エタノール資化性酵母濃度Ｘ′，培養
液量Ｖ及び酵母活性αに着目する。第５図はこの実施例
の培養系統を示す図面であつて、設定器７′は培養前半
と後半において、制御しようとするエタノール濃度の目
標値を切換えうるプログラム機能を有する設定器であ
る。また、16は培養タンク１の液面の位置を検知し、液
量Ｖを検出する液量計である。酵母活性αはエタノール
濃度Ｐから求め得ることが分つている。予め、上記、エ
タノール資化性酵母濃度Ｘ′，培養液量Ｖ及び酵母活性
αと最適制御パラメータPr,Ti,Tdとの関係を求めた結果
次式（４），（５）が得られる。
タノール資化性酵母を用いてアミノ酸を生産する場合
に、本発明装置及び本発明法を適用した実施例について
述べる。この場合には、制御量として着目する状態量Ａ
として、エタノール濃度を選び培養前半（20時間）にお
いてはエタノール濃度を1000ppmに保つことによつて酵
母を生産し、培養後半においてはエタノール濃度を9000
ppmまで上昇させてアミノ酸含量を上昇させることとす
る。すなわちこの実施例では制御量が段階的に変化する
場合である。また、最適制御パラメータと関係がある状
態量Ｂとしては、エタノール資化性酵母濃度Ｘ′，培養
液量Ｖ及び酵母活性αに着目する。第５図はこの実施例
の培養系統を示す図面であつて、設定器７′は培養前半
と後半において、制御しようとするエタノール濃度の目
標値を切換えうるプログラム機能を有する設定器であ
る。また、16は培養タンク１の液面の位置を検知し、液
量Ｖを検出する液量計である。酵母活性αはエタノール
濃度Ｐから求め得ることが分つている。予め、上記、エ
タノール資化性酵母濃度Ｘ′，培養液量Ｖ及び酵母活性
αと最適制御パラメータPr,Ti,Tdとの関係を求めた結果
次式（４），（５）が得られる。
Pr＝f1（α・Ｖ・Ｘ′） （４） Td＝f2（α・Ｖ・Ｘ′） （５） Tiは固定でよい。そこでそれを記憶回路10′に記憶して
おく。操業中の培養系において、エタノール資化性酵母
濃度Ｘ′，培養液量Ｖ及び酵母活性αを検出し、上記式
（４），（５）に基き、最適パラメータ算出回路11にお
いて、最適制御パラメータを算出し、以後パン酵母の培
養の場合と同様にして、フイードバツク制御演算し、制
御を行う。上記アミノ酸生産のための実施例の実施結果
を第６図下方に示す。実施条件は10ジヤーフアーメン
ターを用い、PHを4.5、培養温度を30℃、溶存酸素濃度
を1ppm以上とした。比較のため制御パラメータPrを45％
に、Tdを2.5（min）に固定した従来例の制御結果を第７
図下方に示す。他の条件は本発明法の実施例と同じであ
る。図中T1は自動制御開始時点、T2は外乱として10％エ
タノール水溶液20ccを添加した時点を示す。横軸は時
間、縦軸はエタノール濃度を示す。なお第6,7図には、
エタノール濃度の上方に、制御パラメータPr（％）を、
更に上方に制御パラメータTd（min）を示した。第6,7図
から明らかな如く、外乱に対して本発明法による方が、
エタノール濃度の制御特性がはるかに良く、又エタノー
ル濃度の目標値の設定切換によつても本発明の方が制御
特性が良い。
おく。操業中の培養系において、エタノール資化性酵母
濃度Ｘ′，培養液量Ｖ及び酵母活性αを検出し、上記式
（４），（５）に基き、最適パラメータ算出回路11にお
いて、最適制御パラメータを算出し、以後パン酵母の培
養の場合と同様にして、フイードバツク制御演算し、制
御を行う。上記アミノ酸生産のための実施例の実施結果
を第６図下方に示す。実施条件は10ジヤーフアーメン
ターを用い、PHを4.5、培養温度を30℃、溶存酸素濃度
を1ppm以上とした。比較のため制御パラメータPrを45％
に、Tdを2.5（min）に固定した従来例の制御結果を第７
図下方に示す。他の条件は本発明法の実施例と同じであ
る。図中T1は自動制御開始時点、T2は外乱として10％エ
タノール水溶液20ccを添加した時点を示す。横軸は時
間、縦軸はエタノール濃度を示す。なお第6,7図には、
エタノール濃度の上方に、制御パラメータPr（％）を、
更に上方に制御パラメータTd（min）を示した。第6,7図
から明らかな如く、外乱に対して本発明法による方が、
エタノール濃度の制御特性がはるかに良く、又エタノー
ル濃度の目標値の設定切換によつても本発明の方が制御
特性が良い。
本発明装置及び本発明法は以上述べた場合に限らず、培
養すべき微生物としては、バクテリア，他の酵母，原生
動物等に応用できる。又基質としては、炭素源として
糖，モラセス，グルコース，アルコール，有機酸（酢
酸）その他、又炭素源と無機塩類との一定割合混合物等
が考えられる。また、制御量として着目する状態量Ａと
しては、培養液中の基質濃度（エタノール，糖，その
他）、または生産物濃度（エタノール，酢酸，その他）
等を用いてもよく、また、排ガス中のO2,CO2濃度，エタ
ノール濃度を用いてもよい。更に、変化させる制御パラ
メータとしてはPr,Ti,Tdの全て又は任意の組合せあるい
は任意の一つでもよい。その最適制御パラメータとの一
定の関係を求める状態量Ｂとしては、前記酵母濃度X,
X′，グルコース濃度Sin等に限らず、培養系の任意の状
態量である。また、酵母濃度Ｘは、添加基質量（単位時
間）の時間積分量から推定することが出来、その添加基
質量は予め決定しておきうるから、実用的には、酵母濃
度Ｘと最適制御パラメータとの関係の代りに、時間Ｔと
最適制御パラメータとの関係を予め求めることとしてお
いてもよい。
養すべき微生物としては、バクテリア，他の酵母，原生
動物等に応用できる。又基質としては、炭素源として
糖，モラセス，グルコース，アルコール，有機酸（酢
酸）その他、又炭素源と無機塩類との一定割合混合物等
が考えられる。また、制御量として着目する状態量Ａと
しては、培養液中の基質濃度（エタノール，糖，その
他）、または生産物濃度（エタノール，酢酸，その他）
等を用いてもよく、また、排ガス中のO2,CO2濃度，エタ
ノール濃度を用いてもよい。更に、変化させる制御パラ
メータとしてはPr,Ti,Tdの全て又は任意の組合せあるい
は任意の一つでもよい。その最適制御パラメータとの一
定の関係を求める状態量Ｂとしては、前記酵母濃度X,
X′，グルコース濃度Sin等に限らず、培養系の任意の状
態量である。また、酵母濃度Ｘは、添加基質量（単位時
間）の時間積分量から推定することが出来、その添加基
質量は予め決定しておきうるから、実用的には、酵母濃
度Ｘと最適制御パラメータとの関係の代りに、時間Ｔと
最適制御パラメータとの関係を予め求めることとしてお
いてもよい。
なお、前記設定器7,7′，比較減算器8,記憶回路10,1
0′，最適制御パラメータ算出回路11,フイードバツク演
算回路及びフイードフオワード加算回路等の一部又は全
部をマイコン等のコンピユーターの、上記回路，機器の
機能を有する各手段で構成しても勿論良い。
0′，最適制御パラメータ算出回路11,フイードバツク演
算回路及びフイードフオワード加算回路等の一部又は全
部をマイコン等のコンピユーターの、上記回路，機器の
機能を有する各手段で構成しても勿論良い。
以上述べたところから明らかな如く、本発明は制御が非
常に難しい微生物の培養系において、Pr,Ti,Td等のパラ
メータを測定した状態量Ｂに基いて変化させることによ
り、外乱等を加えることなくして、制御量を極めて制御
性良く自動制御出来るので、目的とする微生物を早く、
且つ収率良く、しかも品質良く培養することが出来る優
れた発明である。
常に難しい微生物の培養系において、Pr,Ti,Td等のパラ
メータを測定した状態量Ｂに基いて変化させることによ
り、外乱等を加えることなくして、制御量を極めて制御
性良く自動制御出来るので、目的とする微生物を早く、
且つ収率良く、しかも品質良く培養することが出来る優
れた発明である。
図面は、いずれも本発明装置及び本発明法の実施例を説
明するためのものであつて、第１図は本発明装置の簡略
培養系統図、第２図は本発明装置の簡略培養系統図、第
３図は本発明法の実施結果を示すグラフ（横軸時間，縦
軸エタノール濃度等）、第４図は従来法の実施結果を示
すグラフ横軸時間，縦軸エタノール濃度等）、第５図は
本発明装置の簡略培養系統図、第６図は本発明法の他の
実施結果を示すグラフ（横軸時間，縦軸エタノール濃
度）、第７図は従来法の他の実施結果を示すグラフ（横
軸時間，縦軸エタノール濃度）である。 １……培養タンク、３……グルコースタンク、５……操
作部、６……アルコールセンサ、7,7′……設定器、８
……比較減算器、９……菌体濃度センサ、10,10′……
記憶回路、11……最適パラメータ算出回路、12……フイ
ードバツク演算回路、15……フイードフオワード加算回
路、Ｘ……パン酵母濃度、Ｘ′……エタノール資化性酵
母濃度、ε……偏差、Z,Z′……制御動作信号
明するためのものであつて、第１図は本発明装置の簡略
培養系統図、第２図は本発明装置の簡略培養系統図、第
３図は本発明法の実施結果を示すグラフ（横軸時間，縦
軸エタノール濃度等）、第４図は従来法の実施結果を示
すグラフ横軸時間，縦軸エタノール濃度等）、第５図は
本発明装置の簡略培養系統図、第６図は本発明法の他の
実施結果を示すグラフ（横軸時間，縦軸エタノール濃
度）、第７図は従来法の他の実施結果を示すグラフ（横
軸時間，縦軸エタノール濃度）である。 １……培養タンク、３……グルコースタンク、５……操
作部、６……アルコールセンサ、7,7′……設定器、８
……比較減算器、９……菌体濃度センサ、10,10′……
記憶回路、11……最適パラメータ算出回路、12……フイ
ードバツク演算回路、15……フイードフオワード加算回
路、Ｘ……パン酵母濃度、Ｘ′……エタノール資化性酵
母濃度、ε……偏差、Z,Z′……制御動作信号
Claims (6)
- 【請求項１】微生物培養系のエタノール濃度を制御量と
せるフイードバツク制御に基き、培養地に加える基質の
量を調節することによつて微生物を培養する微生物培養
法において、 制御量の動特性が良好になるような、フイードバツク制
御演算に用いられる制御パラメータの比例帯Pr、積分時
間Ti及び微分時間Td、と培養系のパン酵母濃度Ｘ及び添
加グルコース濃度Sinとの間の所定の関数関係である下
の式（１）、式（２）、式（３）、式（４）及び式
（５）を予め実験により求めて記憶手段に記憶してお
き、 式（１） 但し、Xsはパン酵母濃度Ｘの所定値 Sin sは添加グルコース濃度Sinの所定値 PrsはＸがXsでSinがSin sのときの比例帯Prの最適値 式（２） 但し、Ｚは制御動作信号値 εはエタノール濃度の検出値と目標値との偏差 式（３） 但し、Ｚ′はフイードフオワード制御演算による制御動
作値を加えた制御動作信号値 μは比増殖速度 Ｙは対糖収率 Ｖは培養液量 a,bは定数 式（４） Pr＝f1（α・Ｖ・Ｘ′） 但し、αは酵母活性 Ｖは培養液量 Ｘ′はエタノール資化性酵母濃度 式（５） Td＝f2（α・Ｖ・Ｘ′）、 稼働中の培養系の前記パン酵母濃度Ｘ及び前記添加グル
コース濃度Sinを測定し、 前記パン酵母濃度Ｘ及び前記添加グルコース濃度Sinに
対応する最適パラメータ値を算出し、 他方、その培養系の前記エタノール濃度を検出し、 前期エタノール濃度の検出値と目標値との偏差εを算出
し、 その偏差εと前記最適パラメータ値に基き前記フイード
バツク制御演算を実行して最適な制御動作信号値Ｚを算
出し、 その制御動作信号値Ｚに従い培養系の操作部を操作し、 基質の添加量を最適に調節することによつて微生物を培
養することを特徴とする微生物培養方法。 - 【請求項２】前記操作部の操作は、前記フイードバツク
制御演算による制御動作信号値に、菌体濃度に基いたフ
イードフオワード制御演算による制御動作値を加えた値
に従つて行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の微生物培養法。 - 【請求項３】前記微生物はパン酵母であり、前記基質は
グルコースであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項又は第２項記載の微生物培養法。 - 【請求項４】微生物の培養タンク、 該培養タンクへ基質を基質用タンクからパイプを通じて
供給するポンプ、 該パイプの途中に介設され基質供給量を調節する操作
部、 微生物培養タンクの所定の場所に取付けられ、培２養系
のパン酵母濃度Ｘ及び添加グルコース濃度Sinを直接自
動検出するセンサー、 制御量の動特性が良好となるような、培養系のパン酵母
濃度Ｘ及び添加グルコース濃度Sinと、制御パラメータ
の比例帯Pr、積分時間Ti及び微分時間Tdとの間の所定の
関数関係である下の式（１）、式（２）、式（３）、式
（４）及び式（５）を予め記憶している記憶手段 式（１） 但し、Xsはパン酵母濃度Ｘの所定値 Sin sは添加グルコース濃度Sinの所定値 PrsはＸがXsでSinがSin sのときの比例帯Prの最適値 式（２） 但し、Ｚは制御動作信号値 εはエタノール濃度の検出値と目標値との偏差 式（３） 但し、Ｚ′はフイードフオワード制御演算による制御動
作値を加えた制御動作信号値 μは比増殖速度 Ｙは対糖収率 Ｖは培養液量 a,bは定数 式（４） Pr＝f1（α・Ｖ・Ｘ′） 但し、αは酵母活性 Ｖは培養液量 Ｘ′はエタノール資化性酵母濃度 式（５） Td＝f2（α・Ｖ・Ｘ′）、 前記記憶手段からの出力信号と前記センサーからの出力
信号を入力し、最適制御パラメータを算出する最適パラ
メータ算出手段、 培養タンクに取付けられ、前記制御量を検知する制御量
センサー、 目標とする制御量を設定し出力する設定手段、 該設定手段からの出力信号と前記制御量センサーからの
出力信号を入力し比較してその差を出力する比較減算手
段、及び その比較減算手段からの出力信号と前記最適パラメータ
算出回路からの出力信号を入力しそれら信号に基きフイ
ードバツク制御演算を行い制御動作信号を前記基質調節
操作部へ出力し基質量を制御するフイードバツク演算手
段とを備えたことを特徴とする微生物培養装置。 - 【請求項５】前記操作部へは、フイードバツク制御演算
による制御動作信号に、菌体濃度に基くフイードフオワ
ード制御演算による制御動作信号が加算されたものが入
力されることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
微生物培養装置。 - 【請求項６】前記微生物はパン酵母であり、前記基質は
グルコースであることを特徴とする特許請求の範囲第４
項又は第５項記載の微生物培養装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15539682A JPH0697990B2 (ja) | 1982-09-07 | 1982-09-07 | 微生物培養法とその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15539682A JPH0697990B2 (ja) | 1982-09-07 | 1982-09-07 | 微生物培養法とその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5945872A JPS5945872A (ja) | 1984-03-14 |
| JPH0697990B2 true JPH0697990B2 (ja) | 1994-12-07 |
Family
ID=15605039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15539682A Expired - Lifetime JPH0697990B2 (ja) | 1982-09-07 | 1982-09-07 | 微生物培養法とその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697990B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62102086U (ja) * | 1985-12-19 | 1987-06-29 | ||
| JP2007202500A (ja) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Hitachi Ltd | 培養槽の運転制御装置 |
| CN105199973B (zh) * | 2015-10-21 | 2018-04-06 | 江南大学 | 一种基于差分进化算法的酵母培养在线自适应控制方法 |
| CN109239141B (zh) * | 2018-08-21 | 2020-07-24 | 北京化工大学 | 一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制装置及方法 |
| JP2025064520A (ja) | 2023-10-06 | 2025-04-17 | 横河電機株式会社 | 装置、方法、コントローラ、細胞培養システム、およびプログラム |
-
1982
- 1982-09-07 JP JP15539682A patent/JPH0697990B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5945872A (ja) | 1984-03-14 |
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