CH558017A

CH558017A - Verfahren und vorrichtung zur analyse und regelung biochemischer prozesse.

Info

Publication number: CH558017A
Application number: CH644973A
Authority: CH
Original assignee: New Brunswick Scientific Co
Priority date: 1972-05-10
Filing date: 1973-05-07
Publication date: 1975-01-15
Also published as: GB1434613A; FR2184035A1; US3926738A; DE2323416A1; FR2184035B1; JPS4950989A; JPS5651760B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse und Regelung biochemischer Prozesse, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Durch die Erfindung sollen insbesondere biochemische Prozesse gesteuert werden, die durch eine unbestimmte Anzahl an Enzymen katalysiert werden, wobei speziell die Zellfortpflanzung und der Zellstoffwechsel in aufgeschwemmten Kulturen gesteuert werden soll.

Es ist seit langem bekannt, dass biochemische Prozesse entscheidend durch die Umgebungsfaktoren beeinflusst werden. Trotzdem es nun ausgeklügelte Instrumentierungen zur Erfassung vieler dieser Umgebungsfaktoren gibt, hat sich eine wirksame Steuerung dieser Prozesse jedoch als schwierig herausgestellt. Diese wirksame Steuerung ist jedoch notwendig, um eine Wiederholbarkeit und eine geeignete Ausweitung des Prozesses von einem experimentellen Ausmass auf ein kommerzielles Ausmass sicherzustellen. Eine prinzipielle Ursache dieser Schwierigkeiten war der Mangel an präziser Information über den Zustand und die Eigenschaften des Prozesses in seinen verschiedenen Zwischenstadien.

Obwohl biochemische Prozesse relativ langsam verlaufen, liefert die gegenwärtig angewandte Simulation und prozessentkoppelte Optimierung nicht die notwendige Informationsmenge zur Identifizierung des Prozesses, die die Voraussetzung der geeigneten Prozesssteuerung ist. Eine weitere Schwierigkeit beruht auf der Tatsache, dass verschiedene steuerbare Variable und Zustandsvariable entweder synergistisch oder antagonistisch miteinander in Wechselwirkung treten können. Dementsprechend müssen Einrichtungen gefunden werden, die die Wechselwirkungen erfassen, um die steuerbaren Variablen jedes biochemischen Prozesses geeignet steuern zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren anzugeben, durch das zur Identifizierung des Stadiums des biochemischen Prozesses wesentliche Informationsmengen gewonnen werden können, die eine Steuerung der Zwischenstufen des Prozesses und eine im wesentlichen kontinuierliche Steuerung durch die Umgebung, in der der Prozess durchgeführt wird, entsprechend einer Identifizierung der Prozesstriebkräfte ermöglichen.

Durch die Erfindung soll insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, die auf eine wechselwirkende Steuerung von Zellfortpflanzungs- und von Zellstoffwechselprozessen gerichtet ist. Sie soll die Analyse und Steuerung biochemischer Prozesse ermöglichen, wodurch die Wiederholbarkeit und die genaue Ausweitbarkeit des Prozesses sichergestellt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren, das gekennzeichnet ist durch das Detektieren der Werte ausgewählter steuerbarer Variablen und Zustandsvariablen in mindestens periodischen Zeitabschnitten im biochemischen Prozess, dem prozessgekoppelten Berechnen mindestens einer weiteren Zustandsvariablen in Echtzeit aus den ausgewählten steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen, wobei die weitere, nicht direkt messbare Zustandsvariable das Stadium des biochemischen Prozesses anzeigt, und durch gegenseitig abhängiges Regeln der Werte der steuerbaren Variablen durch Ansprechen auf die berechneten Werte der weiteren Zustandsvariablen, um die Werte der weiteren Zustandsvariablen auf bestimmte Grössen zu bringen zwecks Schaffung der gewünschten Umgebungsbedingungen für den biochemischen Prozess.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass eine Vielzahl Werte ausgewählter steuerbarer Variablen und Zustandsvariablen des biochemischen Prozesses in etwa periodischen Intervallen erfasst werden, dass prozessgekoppelt in Echtzeit aus der Vielzahl der Werte ausgewählter steuerbarer Variablen und Zustandsvariablen weitere Zustandsvariablen berechnet werden, die das Stadium des biochemischen Prozesses wiedergeben, und dass die Werte der steuerbaren Variablen entsprechend den berechneten Werten der weiteren Zustandsvariablen wechselwirkend geregelt werden, um die weiteren Zustandsvariablen auf vorbestimmte, gewünschte Umgebungsbedingungen des biochemischen Prozesses schaffende Werte zu bringen.

Allgemein gesprochen dient das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Identifizierung der Prozesstriebkräfte und zur Steuerung von biochemischen Prozessen, in denen eine Vielzahl ausgewählter steuerbarer Variablen und Zustandsvariablen erfasst werden. Für jede der ausgewählten steuerbaren Variablen können Regler vorgesehen sein, die jede der steuerbaren Variablen innerhalb eines Satzes von Toleranzwerten halten. Es können Einrichtungen vorgesehen sein, welche die Toleranzwerte der Regler entsprechend Zeitprofilen ändern. Weiterhin können Recheneinrichtungen vorgesehen sein, die prozessgekoppelt in Echtzeit aus den erfassten Zustandsvariablen und steuerbaren Variablen weitere Zustandsvariablen berechnen, welche das Stadium des Prozesses wiedergeben.

Es können entweder von Hand, oder automatisch betätigbare Einrichtungen vorgesehen sein, welche die Zeitprofile entsprechend den berechneten Werten der weiteren Zustandsvariablen einstellen. In einer alternativen Ausführungsform kann jede steuerbare Variable automatisch entsprechend den berechneten Werten der weiteren Zustandsvariablen gesteuert werden, wobei diese berechneten Werte das Stadium des Prozesses identifizieren.

Auf Zellfortpflanzung und Zellstoffwechsel gerichtete Prozesse können dadurch geregelt werden, dass als steuerbare Variablen die Temperatur der Kulturflüssigkeit und der Flüssigkeiten in Zusatzgefässen, der Gefässdruck, die Bewegungsgeschwindigkeit, der Betrag an durchgeblasener Luft, die Strömungsgeschwindigkeit zusätzlicher Gase, die Konzentration an gelöstem Sauerstoff der Kulturflüssigkeit, der pH Wert der Kultur und die Zuführrate der Zutaten aus den Zusatzgefässen erfasst werden. Zur Echtzeit-Analyse tatsächlicher Proben der Kulturflüssigkeit können ebenfalls Einrichtungen vorgesehen sein.

Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Analyse und Steuerung biochemischer Prozesse;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kulturgefässes und zugeordneter Überwachungsgeräte in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm der Steuerfunk- tion des Verfahrens nach Fig. 1;
Fig. 4 ein Flussdiagramm der Rechenschritte bei der Berechnung weiterer Zustandsvariablen aus den erfassten Zustandsvariablen und steuerbaren Variablen, welches zur Identifizierung der Triebkräfte führt, die das rheologische, physiologische und biochemische Stadium eines biochemischen Prozesses einschliesslich der Fermentierung wiederspiegeln;

und
Fig. 5 ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Steuerung biochemischer Prozesse.

In Fig. 1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Durchführung der Datenerfassung, der Datenanalyse und der Prozesssteuerung eines biochemischen Prozesses dargestellt.

Es besteht aus zwei Phasen, einer Vorbereitungsphase und einer Durchführungsphase. Beide Phasen werden vorzugsweise mit Hilfe eines Digitalrechners abgewickelt, welcher entsprechend einem geeigneten Programm Steuern, Rechnen, Speichern und Ausdrucken kann. Der Rechner kann über ein ge eignetes Kopplungsgerät mit den Apparaten des biochemischen Prozesses und deren Instrumentierung verbunden sein.

Die Vorbereitungsphase wird durch einen als Block 10 dargestellten Startbefehl eingeleitet. Die Umgebungsfaktoren, durch die biochemische Prozesse beeinflusst werden, sind im allgemeinen steuerbar und durch Steuerung der Umgebungsfaktoren kann letzten Endes der biochemische Prozess gesteuert werden. Die Umgebungsfaktoren werden im folgenden als steuerbare Variablen bezeichnet. Beispiele derartiger steuerbarer Variablen sind Temperatur, Druck, Rührgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit zusätzlicher Gase, Beimengungsgeschwindigkeit von Bestandteilen aus Zusatzbehältern und pH Wert der Kultur. Beim beschriebenen Verfahren wird jede dieser steuerbaren Variablen innerhalb eines durch Toleranzwerte gegebenen Bereichs gehalten. Der richtige Toleranzwertbereich jeder steuerbaren Variablen bleibt jedoch während der Gesamtdauer jedes Prozesses nicht konstant.

Der richtige Wert jeder steuerbaren Variablen ändert sich vielmehr im Verlauf der Zeit bei Durchführung des Prozesses.

Aus diesem Grund wird nicht ein einziger Satz Toleranzwerte für jede steuerbare Variable vorgegeben, sondern es muss für die Toleranzwerte ein zeitabhängiges Profil vorgegeben werden, das im Idealfall die Einstellung jeder steuerbaren Variablen in jedem Zeitintervall im Verlauf des Prozesses gestattet.

Ein anderer Faktor, der eine weitere Steuerung erforderlich macht, ist die Kenntnis der komplizierten Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen in verschiedenen Stadien jedes Prozesses.

Aufgrund der Tatsache, dass auf lebende Systeme bezogene Prozesse nicht linear sind und Zufallsvariablen unterliegen, sind diese Zeitprofile notwendigerweise ideale Profile, die die unten stehend näher erläuterten verfeinerten Steuerverfahren erforderlich machen. Als einleitenden Vorbereitungsschritt lädt eine Bedienungsperson die idealen Zeitprofile der Toleranzwerte für die speziellen steuerbaren Variablen des in Frage kommenden Prozesses in den Rechner. Dies ist durch den Handeingabeblock 12 dargestellt. Der Handeingabeblock 12 steht in Wirkverbindung mit einem seinerseits an einen Speicherblock 16 angeschlossenen Verfahrensblock 14. Die Zeitprofile der Toleranzwerte von Zustandsvariablen können ebenfalls gespeichert werden.

Die nächsten Schritte der Vorbereitungsphase des beschriebenen Verfahrens schaffen den Zustand des biochemischen Prozessapparats. Dieser Apparat wird, wie durch einen Verfahrensblock 18 dargestellt ist, falls nötig, einer Sterilisation unterworfen und wird andernfalls, wie durch einen Verfahrensblock 20 dargestellt ist, zum Impfen vorbereitet. Der nächste Schritt des Verfahrens erfordert eine durch den Entscheidungsblock 22 dargestellte Entscheidung, ob das Verfahren mit der Durchführungsphase fortgesetzt werden soll. In der Ausführungsform nach Fig. 1 wird diese Entscheidung, dargestellt durch einen Handeingabeblock 24, durch die Bedienungsperson gesteuert. Fällt die Entscheidung, das Verfahren fortzusetzen, negativ aus, so wird der Nein -Zweig 26 verfolgt und das Verfahren wird, wie durch einen Block 28 dargestellt, unterbrochen.

Soll das Verfahren gemäss der Entscheidung in der Durchführungsphase fortgesetzt werden, so wird einem Zweig 30 gefolgt.

Die Analyse des Zustands und die Steuerung des Prozesses beruht gemäss der Beschreibung auf einer prozessgekoppelten Echtzeit-Erfassung ausgewählten Variabler des Prozesses. Die erste Variablen-Gruppe sind die steuerbaren Variablen, die im allgemeinen die Umgebungsbedingungen vorgeben, unter denen der biochemische Prozess fortgesetzt wird.

Ein Zeitprofil der Toleranzwerte wurde quasi-permanent im Verfahrensblock 14 im Zusammenhang mit jeder der steuerbaren Variablen gespeichert. Die weiterhin vorgesehene Instrumentierung erfasst gewisse dem Prozess zugeordnete Zustandsvariablen. Diese Zustandsvariablen stellen die messbaren Anzeichen des biochemischen Prozessstadiums dar. Beispiele derartiger Zustandsvariablen sind Drehmoment der Rührerwelle, Leistungsaufnahme des Antriebsmotors, Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxyd in der Austrittsluft, das Redoxpotential der Kulturflüssigkeit und Stoffwechselkonzentrationen in der Flüssigkeit.

Die erfassen Werte jeder der steuerbaren Variablen und der Zustandsvariablen des speziellen in Frage kommenden biochemischen Prozesses wird als Fühlereingangssignal eines Eingangsblocks 32 einer als Verfahrensblock 34 dargestellten Aufzeichnungsstufe des Verfahrens zugeführt. Die Aufzeichnung von Daten für steuerbare Variablen und Zustandsvariablen kann kontinuierlich erfolgen, wird jedoch vorzugsweise, abhängig von der Geschwindigkeit des biochemischen Prozesses, der Betriebsgeschwindigkeit des speziell verwendeten Rechnersystems und der zur Durchführung der verbleibenden Schritte der Durchführungsphase des Prozesses mit Berücksichtigung jedes Satzes aufgezeichneter Daten, erfolgen.

Da biochemische Prozesse relativ langsam sind, kann man die von verschiedenen Fühlern aufgezeichneten Daten als Daten ansehen, die einen speziellen Augenblick des Prozesses wiedergeben, selbst wenn die verschiedenen Fühler der Reihe nach oder willkürlich abgefragt werden. Wenn aufeinanderfolgendes Abfragen nicht möglich ist, können Multiplex-Verfahren angewandt werden, um die Werte für jede der steuerbaren Variablen und der Zustandsvariablen im wesentlichen gleichzeitig zu erfassen.

Hinsichtlich jedes Satzes aufgezeichneter Daten erfordert der Prozess dann, wie durch den Verfahrensblock 36 dargestellt wird, den Vergleich der aufgezeichneten Daten mit den dann verfügbaren Toleraazwerten. Da ein Zeitprofil dieser Toleranzwerte gespeichert wird, muss die Vergleichseinrichtung in Verbindung mit einem Zeitgebergerät arbeiten, damit die idealen Toleranzwertgrenzen für jede Variable zu jeder speziellen Zeit mit dem aufgezeichneten Wert jener Variablen zu jener Zeit des Prozesses verglichen wird. Falls irgendeine Variable nicht in die zugewiesenen Toleranzgrenzen fällt, wird, wie durch einen Block 38 dargestellt ist, eine Fehlermeldung abgegeben. Diese Fehlermeldung kann ausgedruckt, in Form eines hörbaren oder eines sichtbaren Alarms oder in irgendeiner Kombination derartiger Ausgangssignale erfolgen.

Wie durch einen Verfahrensblock 39 dargestellt ist, ist in der nächsten Stufe des Verfahrens die Aufzeichnung der steuerbaren Variablen und der Zustandsvariablen erforderlich.

Zweck dieses Aufzeichnungsschrittes ist die Datenspeicherung und das Ausdrucken; er wird vorzugsweise weniger häufig durchgeführt als die Aufzeichnung im Verfahrensblock 34.

Die Ergebnisse dieses Aufzeichnungsschrittes werden in einem als Speicherblock 40 dargestellten geeigneten Speichergerät gespeichert und, wie durch einen Druckblock 42 dargestellt, ausgedruckt.

Der nächste Schritt des Verfahrens fordert eine Entscheidung, ob irgendeine der steuerbaren Variablen abgeändert werden muss, um die Umgebungsbedingungen zu ändern, oder um das Verfahren auf den durch die Zeitprofile der Toleranzwerte vorbestimmten Verlauf zurückzubringen.

Wenn die Entscheidung zu regeln bejaht wird, so wird einem Ja -Zweig 44 vom Entscheidungsblock 46 gefolgt und die geeignete steuerbare Variable wird mit Hilfe einer Steuerung 48 nachgestellt. Wie durch eine Linie 50 dargestellt, werden die Ergebnisse dieses Steuerschritts durch die Erfassung des neuen Werts der steuerbaren Variablen tatsächlich auf den durch den Verfahrensblock 34 dargestellten Aufzeichnungsschritt rückgekoppelt. Allgemein gesagt, wird die Steuerentscheidung jedesmal durchgeführt, wenn ein Fehler bei der Einhaltung eines Toleranzwertes auftritt Dieser Fehler kann entweder von einer Abweichung der steuerbaren Variablen vom gewünschten Wert oder durch eine Änderung der Toleranzwerte hervorgerufen werden.

Die Änderung der Toleranzwerte kann entweder das automatische Ergebnis beim Nachvollziehen des Zeitprofils oder das Ergebnis einer von Hand durch:die Bedienungsperson durchgeführten Änderung des Zeitprofils sein.

Da nur die steuerbaren Variablen bestätigend gesteuert zu werden brauchen, kann eine Abweichung des Werts einer Zustandsvariablen zu einer Steuerentscheidung führen, muss es aber, abhängig von der Natur der Abweichung, nicht. Unter diesen Umständen kann eine Steuerentscheidung eine durch - die Bedienungsperson durchgeführte manuelle Entscheidung sein, oder sie kann eine von einem Rechner gemachte automatische Entscheidung sein, wobei sie dann auf Kriterien beruht, die in Form von Algorithmen im Speicher des Rechners gespeichert sind.

Diese Kriterien würden Abweichungen von Zustandsvariablen auf Einstellungen der steuerbaren Variablen in verschiedenen Stufen des Prozesses beziehen und würden die Art der Einstellung einer oder mehrerer steuerbaren Variablen bestimmen, durch die die abweichende Zustandsvariable in die Toleraazwerte zurückgebracht würde. Aufgrund der Wechselwirkungseigenschaft der steuerbaren Variablen und der Zustandsvariablen erfordert diese Art der Analyse die Anwendung komplizierter Algorithmen, die unmittelbar über die Fühler aufgezeichnete oder aus Da tenanalyseunterprogrammen des Rechnerprogramms erhaltene Daten verwenden. Echtzeit-Anwendungen dieser Algorithmen können nur mit Hilfe eines Rechners durchgeführt werden.

Wenn die Steuerentscheidung negativ ist, wird das Verfahren über einen Nein -Zweig 51 mit einem durch einen Verfahrensblock 52 dargestellten Analyseschritt fortgesetzt. Dieser Analyseschritt liefert über eine durch einen Speicherblock 54 dargestellte Speichereinrichtung und den durch einen Druckblock 56- dargestellten Ausdruck eine On-Line-Analyse der Eigenschaften und Stadien des biochemischen Prozesses, die auf den erfassten Werten der steuerbaren Variablen und der Zustandsvariablen beruht. Dieses Analyseverfahren besteht im allgemeinen aus der Berechnung weiterer Zustandsvariablen aus den Daten, wobei diese weiteren Zustandsvariablen im allgemeinen nicht messbar sind, jedoch das Stadium des biochemischen Prozesses wiedergeben.

Das Ergebnis dieser Analyse kann von der Bedienungsperson wie auch vom Rechner auf einer On-Line-Echtzeit Grundlage zur ausgewählten Steuerung der verschiedenen steuerbaren Variablen durch Einstellung der Zeitprofile der Toleranzwerte verwendet werden, um hierdurch eine Optimierung des Prozesses und eine vollständige Steuerung desselben zu ermöglichen. Eine derartige Echtzeit-Steuerung ist nur möglich, falls eine On-Line-Echtheit-Verfahrensanalyse zur Identifizierung des rheologischen, physiologischen und biochemischen Zustands des Prozesses durchgeführt wird.

Nachdem die Analyse jedes Satzes der aufgezeichneten Daten vollständig ist, erfolgt, wie durch einen Entscheidungsblock 58 dargestellt, eine Entscheidung, ob das Verfahren vollständig ist. In der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der Entscheidungsblock 58, wie durch einen Eingabeblock 60 dargestellt ist, von der Bedienungsperson gesteuert. Wenn das Verfahren nicht vollständig ist, so wird einem Nein -Zweig 62 gefolgt und das Durchftllirungsprogramm beginnt erneut mit dem anfänglichen Aufzeichnungsschritt des Verfahrensblocks 34. Ergibt die Entscheidung, dass der Prozess zu Ende ist, so wird einem Ja -Zweig 64 gefolgt und der Prozess wird, wie durch einen Block 66 dargestellt, beendet.

Abhängig vom Umfang des Verstehens des Prozesses und der Art der Prozesseigenschaften, die zu Steuerzwecken iden tifiziert werden müssen, können eine Reihe derartiger Berechnungen durchgeführt werden, die auf verschiedenen Kombinationen der weiteren Zustandsvariablen wie auch der erfassten steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen beruhen.

Werte der Zustandsvariablen, die das Stadium des Prozesses von einem biologischen Gesichtspunkt aus definieren, dienen der Identifizierung der Prozesstriebkräfte des biochemischen Prozesses.

Falls das oben beschriebene Verfahren zur Forschungsund Entwicklungszwecken in einer Versuchsaniagen-Grössen- ordnung verwendet wird, kann das Ergebnis des das Stadium des biochemischen Prozesses anzeigenden Analyseschrittes notwendig werdende Änderungen einer oder mehrerer steuerbaren Variablen rechtfertigen, um neue Umgebungsbedingnn- gen zu schaffen. Der Einfluss der neuen Umgebungsbedingingen wird als Änderung einer oder mehrerer Zustandsvariablen rückwirken. Die aufgezeichneten Daten und die Analyseergebnisse, die die Auswirkung jeder Umgebungsänderung auf den biochemischen Prozess definieren, werden gespeichert und dienen als zweckmässiges Element bei der Entwicklung von Algorithmen für den biologischen, wechselwirkend steu- ernden Betrieb der Prozesssteuerung.

Im Falle einer Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens in einer produktionsmässigen Grössenordnung dient das Ergebnis der Datenanalyse-Unterprogramme der Identifizierung von Prozesstriebkräften, auf deren Basis durch den Rechner oder die Bedienungsperson die biologische wechselwirkende Steuerung durchgeführt wird.

Das Flussdiagramm nach Fig. 1 ist eine verallgemeinerte Darstellung einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens zur Identifizierung von Prozesstriebkräften und zur Prozesssteuernng biochemischer Prozesse. Ein Anwendungsbeispiel dieses Verfahrens hängt mit der Fortpflanzung mikrobischer Zellen zusammen; dieses Ausführungsbeispiel schliesst jedoch nicht die Anwendung dieses Verfahrens und des Apparats für diejenigen biochemischen Prozesse aus, in denen der Prozess auf der Wirkung einer unbestimmten Anzahl von Enzymen innerhalb der Zellen beruht, wie etwa bei der Fortpflanzung von Pilzen, photosynthetischen und nichtphotosynthetischen Pflanzenzellen, Plankton, Protozoen, Tierzellen und Phagen und Viren in Suspensionskulturen, oder in denen der Prozess auf Enzymen unter zellfreie Re- dingungen beruht.

Ein zur Verwendung im beschriebenen Verfahren geeignetes Kulturgefäss mit Instrumentierung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Dieser Zellenkulturapparat weist ein Hauptkulturgefäss 72 auf. Dem Hauptkulturgefäss 72 werden über eine Vielzahl zusätzlicher Gefässe, die durch ein mit dem Hauptkulturgefäss 72 über eine Leitung 76 gekoppeltes Zusatzgefäss 74 dargestellt sind, Zutaten zugeführt. An die Leitung 76 ist ein Durchflussmesser 78 angeschlossen, der eine Beobachtung der Zuflussgeschwindigkeit und -menge der zugeführten Zutaten ermöglicht. Dementsprechend können Luft und zusätzliche Gase über eine im Bodenbereich des Hauptkulturgefässes 72 einmündende Leitung 80 zugesetzt werden.

Das zusätzliche Gas wird der Leitung 80 über eine Leitung 82 zugeführt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des zusätzlichen Gases durch einen Durchflussmesser 84 beobachtet werden kann, während durchgeblasene Luft über eine Leitung 86 der Leitung 80 zugeführt wird und die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsmenge der durchgeblasenen Luft durch einen Durchflussmesser 88 gemessen werden kann. Im Hauptkulturgefäss 72 wird mit Hilfe eines von einem Motor 92 angetriebenen Schaufelrührers 90 durchgerührt. Die Drehgeschwindigkeit der Rührerwelle wird durch einen Drehzahlmesser 94 ermittelt. Die dem Rührer zugeführte Eingangsleistung wird von einem Leitstungsmesser 96 gemessen.

Ein Heizer 98 regelt die Temperatur innerhalb des Hauptkulturgefässes 72 und ein Temperaturfühler 100 erfasst die tatsächliche Temperatur. Der pH-Wert der Kultur im Haupt kuiturgefäss 72 wird durch:eine pH-Elektrode 102 erfasst, während die Konzentration an gelöstem Sauerstoff durch ein
Elektrode 104 für gelösten Sauerstoff erfasst wird. Die Gase strömen über eine Leitung 106 aus dem Hauptkulturgefäss 72 ab und treten durch einen Gasanalysator 108, der die Sauerstoff und Kohlendioxyd-Pegel in den abströmenden Gasen vermittelt! Ausserdem überwacht ein Druckmesswertwandler
110 die Leitung 106 und ermittelt den Druck innerhalb des Hauptkulturgefässes 72.

Schliesslich ist eine mit einem Ventil 112 versehene Einrichtung vorgesehen, die in verschiedenen Stadien des Prozesses kleine Proben des tatsächlichen Mediums im Hauptkultur gefäss 72 entnimmt. Die Proben werden zur Analyse durch einen ansonsten automatisch arbeitenden Analysator 116 in einen geeigneten Probenbehälter 114 eingebracht. Es sind Einrichtungen vorgesehen, die die Probenentnahmeanordnunt nach:jédem Gebrauch sterisilieren, so dass bei jedem Arbeitsgang des Geräts voneinander unabhängige Proben erhalten werden.

Während in Verbindung mit dem Zellkulturapparat nach Fig. 2 eine spezifische Gruppe von Fühlern beschrieben wird, können, aufgrund der baukastenartigen Bauweise erforderli ebenfalls auch andere Fühler verwendet werden. Weiterhin können viele der Variablen auch durch Geräte erfasst werden, die von den oben beschriebenen abweichen. So können im Fall der Zutatenströmung vom Zusatzgefäss 74 sorgfältig geeichte Gewichtsmessungen sowohl am Zusatzgefäss 74 als auch am Hauptkulturgefäss 72 durchgeführt werden, wobei die Zusetzgeschwindigkeit der verschiedenen Zutaten aus diesen Gewichtswerten berechnet werden könnte. Bei Verwendung im Zusammenhang mit dem beschriebenen Verfahren liegt der kritische Faktor jedoch darin, dass soviel wie möglich verwendbare Variablen erfasst werden, und dass die erfassten Daten so genau wie möglich sein sollen.

Alle beschrie benen Fühleranordnungen des Apparats nach Fig. 2 stellen das durch den Eingangsblock 32 in Fig. 1 dargestellte Fühlereingangssignal dar.

Eine Äusführungsform- eimer Kopplungseinrichtung zwischen dem Zellkulturapparat nach Fig. 2 und dem Rechner ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Das analoge Ausgangssignal der jeweiligen, schematisch durch Fühler 120 dargestellten Fühler wird über Leitungen 122 einem Verstärker 124 zugeführt. Das Signal aus dem Verstärker 124 wird über eine Leitung 126 einem Analog-Digital-Wandler 128 zugeführt, der das verstärkte Analogsignal in maschlnenlesbare digitale Signale, wie z. B. BCD-Signale umwandelt.

In einer Ausfüh rungsform ist der Analog-Digital-Wandler 128 als digitales Anzeigegerät aùsgebildet, das nicht nur als Wandler dient, sor,dern auch die Ausgangssignale der Fühler 120 anzeigt.

Das digitale Signal aus dem Analog-Digital-Wandler 128 wird über eine¯Leitung 130 als Eingangssignal über eine geeignete Kopplungseinrichtung einem Rechner 132 zugeführt. Zu Erläuterungszwecken ist der Rechner 132 in seine durch einen Block 134 wiedergegebene Datenaufzeichnungs- und Analy se-Funktion, sowie in seine durch einen Block 136 wiedergegebene SteuerFunktion aufgeteilt. Ein durch einen Pfeil 138 dargestelltes Ausgangssignal aus dem Datenaufzeichnungsund Analyseteil des Rechners 132 ist an die Bedienungsperson gerichtet. Die Bedienungsperson steuert ausserdem eine durch die vorbestimmten Steuerprofile 140 oder die im Zu sammenhang mit Fig. 1 erläuterte On-Line- und Echtzeit-Abwandlung des Profils wiedergegebene Eingangsfunktion. Dieses Steuerprofil ist das Zeitprofil der Toleranzwerte der Variablen.

Das vorbestimmte Steuerprofil wird dem Steuerblock 136 des Rechners 132 zugeführt. Bei der Ausführung der Funktionen des in Fig. 1 beschriebenen Verfahrens, erzeugt der Rechner 132 digitale Steuersignale, die über eine Leitung 142-Grenzschaltern 144 von Analog-Reglern zugeführt wer den, um diese auf die augenblicklichen Toleranzwerte einzu stellen. Die Grenzschalter 144 können, wie durch eine Linie
146 dargestellt ist, auch von Hand durch die Bedienungsper son betätigt werden.

Im speziellen Beispiel nach Fig. 3 steuern die Grenzschalter 144 einen Zeitgeber 148, der seinerseits den
Betrieb des Rührermotors 92, der Pumpen 150 zur Steuerung des Materialzusatzes über die Leitung 76 und der Ventile 152 zur Steuerung der Zufuhr zusätzlichen Gases und durchzubla sender Luft über die Leitung 80 zum Hauptkulturgefäss 72 regelt.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ist ein Beispiel einer indirekten Digital-Analog-Steuerung über die verschiedenen steuerbaren Variablen. Eine andere Möglichkeit ergibt sich, wenn der Drehzahlmesser 94 und die Durchflussmesser 84, 88 und 78 jeweils so angeschlossen werden, dass ihre Ausgangssignale den Grenzschaltern 144 zuführbar sind; hierbei ergibt sich ein indirektes Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis. Wenn das Ausgangssignal des Drehzahlmessers 94 den Grenzschaltern 144 entweder unmittelbar, wie durch eine gestrichelte Linie 154 dargestellt, oder über den Rechner 132 zugeführt wird, so steuern die Grenzschalter 144 unmittelbar den Betrieb des Motors 92 und der Rechner 132 dient nur noch zum Nachstellen der Toleranzwerte der Grenzschalter 144 entsprechend dem Zeitprofil und der im Rechner 132 durchgeführten Analyse.

Eine entsprechende Verbindung vom Durchflussmesser 78 ist durch eine gestrichelte Linie 156 dargestellt, während die Verbindungen von den Durchflussmessern 84 und 88 durch eine gestrichelte Linie 158 dargestellt sind.

Andererseits kann auch eine direkte digitale Steuerung durchgeführt werden, wenn der Rechner 132 durch direkte Steuerung über die Steuerelemente in den Prozess unmittelbar eingreift. In diesem Fall erfolgt die Steuerfunktion des Rechners 132 auf der Grundlage von Informationen sowohl über die Stellung der Steuerelemente als auch über das biologische Stadium des Prozesses. Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der Steuerung können auf das beschriebene Verfahren zur Steuerung biochemischer Prozesse angewandt werden.

Das Verhalten vieler biochemischer Prozesse, wie z. B.

von Fenmentierungsprozessen, ist durch eine Vielzahl Stadien gekennzeichnet, von denen jedes Stadium seinerseits durch spezielle Stoffwechselaktivitäten charakterisiert ist.

Es wurde herausgefunden, dass die Analyse des dynamischen Verhaltens von Wachstum und Stoffwechselaktivität jedes Stadiums unterschiedliche mathematische Behandlung erfordert und dass die verschiedenen Stadien verschiedene Umgebungsbedingungen benötigen. Das beschriebene Verfahren zur Steuerung biochemischer Prozesse beruht auf der Bestimmung optimaler Umgebungsbedingungen jeder Stufe und der Identifizierung des biologischen Stadiums des ProzesZ ses ebenso wie auf der Auswahl geeigneter Umgebungsbedingungen durch Analyse von Algorithmen der Prozesstriebkräfte jeder Stufe des Prozesses. Ein in Erwägung zu ziehender Faktor ist die Wechselwirkung zwischen der durch die steuerbaren Variablen bestimmten Umgebung und dem durch die biologischen Zustandsvariablen bestimmten biologischen Zustand.

Eine biologisch wechselwirkende Steuerung des biochemischen Prozesses erfordert die Identifizierung und Berücksichtigung der rheologischen, physiologischen und biochemischen Charakteristika des Prozesses.

Fig. 4 zeigt ein Rechnerprogramm für prozessgekoppelten oder On-Line, Echtzeit-Betrieb, wie es vom Rechner entsprechend dem beschriebenen Verfahren durchgeführt werden könnte. Die oberste Zelle gibt die variablen Eingangsdaten an, wie sie der Rechner, ausgedrückt in technischen Einheiten der im Verlauf der Datenerfassung zugeführten Fühlerdaten, aufgezeichnet hat. Diese Daten bestehen sowohl aus steuerbaren Variablen wie auch aus messbaren Zustandsvariablen, Das Verfahren der Vielfachvariation dieser Variablen ist im Analyseabschnitt dargestellt, wo auch ansonsten nicht messbare weitere Zustandsvariablen berechnet werden. Die scheinbare Viskosität ist damit eine Funktion der Grösse der Scherbeanspruchung, die ihrerseits eine Funktion der Leistung und des Rührens ist.

Diese weitere Zustandsvariable wird ihrerseits zur Berechnung weiterer Zustandsvariablen, wie z. B.

Leistungszahl, Reynold'sche Zahl, wie auch der Strömungscharakteristik der Kulturflüssigkeit, herangezogen. Andere durch weitere Zustandsvariablen wiedergegebene bezeichnende Eigenschaften sind die Massenübergangszahl (KLa), die eine Funktion des gelösten Sauerstoffs (D. O.) und der Sauerstoffzufuhr und Abgabe ist, der Atmungsquotient (RQ) und die Adenosin-tri-phosphat-Ausbeute (YATP). Die Ergebnisse dieser Analyse können, wie ebenfalls in Fig. 4 dargestellt, zu einer Anzahl Zwecke verwendet werden. Von ursprünglicher Bedeutung ist ihre Anwendung beim Treffen von Entscheidungen gemäss dem beschriebenen Verfahren. Die berechneten Daten könnten ebenso zur Ausweitung des Betriebs von einem experimentellen Umfang auf kommerzielle Grössenordnungen benutzt werden; sie könnten aber auch zu analytischen Betrachtungen, wie z.

B. zur Abschätzung des Wirkungsgrades des Prozesses und zur Identifizierung von Stoffwechselverläufen, herangezogen werden.

Der Umfang in dem das in Fig. 4 dargestellte Analyseprogramm nachvollzogen werden kann, hängt von den verfügbaren experimentellen Daten und von den für jedes Stadium des Fermentierungsprozesses verfügbaren mathematischen Modellen ab. Wo eine vollständige Gruppe mathematischer Modelle vorhanden ist, kann das gesamte Analyseprogramm nachvollzogen werden; es ist eine vollständige Prozesssteuerung möglich. Diese vollständige Prozesssteuerung kann in Form eines Eingriffs der Bedienungsperson, wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 dargestellt ist, oder in Form einer automatischen Gesamtprozesssteuerung erfolgen, die entweder digital-analog oder als direkt digitale Steuerung durchgefahrt wird.

Eine derartige automatische Gesamtprozesssteueranlage ist im Flussdiagramm der Fig. 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird der durch einen Block 160 dargestellte biochemische Prozess überwacht und die erfassten Daten der steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen werden, wie durch einen Datenerfassungsblock 162 dargestellt, aufgenommen und gemäss den obenstehend beschriebenen Prinzipien, dargestellt durch einen Datenverminderungsblock 164, analysiert. Das Ergebnis dieser Analyse wird als eine durch einen Block 166 dargestellte Gruppe steuerbarer Variablen und als eine durch einen Block 168 dargestellte Gruppe von Zustandsvariablen wiedergegeben. Die Zustandsvariablen umfassen nicht nur die messbaren Zustandsvariablen, sondern auch die weiteren Zustandsvariablen, die, wie im Beispiel der Fig. 4 gezeigt wurde, die Ergebnisse der Analyse wiedergeben.

Die Zustandsvariablen geben die physikalischen, physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften des Prozesses in jedem speziellen Stadium an und bilden die Grundlage der Identifizierung der Prozesstriebkräfte. Aus dem Feld der Zustandsvariablen und steuerbaren Variablen werden dann, wie durch einen Block 170 Identifizierung der Prozesstriebkräfte dargestellt, die Prozesstriebkräfte und damit das spezielle Stadium des Prozesses in dem die Daten erhalten wurden, bestimmt. Aufgrund der Identifizierung des Stadiums und der Information über Wechselwirkungen zwischen der Umgebung und dem lebenden System, werden biologische Wechselwirkungssteuerentscheidungen getroffen, durch die die verschiedenen steuerbaren Variablen, wie durch einen Steuerentscheidungsblock 172 dargestellt, eingestellt werden.

Das Einstellen steuerbarer Variablen schafft die geeigneten Umgebungsbedingungen, die entweder dem physikalischen, physikalisch-chemischen, physiologischen und biochemischen Stadium des Prozesses entsprechen, oder die zur gewünschten Abänderung einer oder mehrerer Zustandsvariablen führen.

Die Steuerentscheidungen beruhen auf gespeicherten mathematischen Modellen und Wechselwirkungsschemata, auf Off-Line-Optimierung, und auf der Handeingabe durch die Bedienungsperson. Die endgültige Steuerentscheidung wird dann den Steuerelementen 144 zugeführt, die, mit dem Prozessapparat gekoppelt, den Prozess steuern. Falls gewünscht, kann die Steuerung durch eine digital-analoge Steuerung erfolgen, bei der die tatsächliche Regelung der steuerbaren Variablen automatisch durch die Steuerelemente erfolgt, wobei das Ergebnis des Steuerentscheidungsblocks des Rechners lediglich die den einzelnen steuerbaren Variablen zugeordneten Zeitprofiltoleranzwerte nachstellt.

In einer alternativen Aus führungsfonm ist, wie durch eine gestrichelte Linie 176 dargestellt ist, eine direkte Digital-Steuerung vorgesehen, wobei dann die biologische Wechselwirkungssteuerung sowohl auf den Zustandsvariablen, die den Zustand der Steuerelemente beschreiben, als auch auf dem biologischen Stadium des Prozesses beruhen.

Zur Vereinfachung des beschriebenen Verfahrens können gewisse Techniken benutzt werden. Eine derartige Technik ist die Strategie des Herausfindens eines Angelpunktes, wobei angenommen wird, dass es in jeder Stufe des biochemischen Prozesses einen Mechanismus gibt, der den Angelpunkt dieser Stufe des Prozesses bildet, und dass es, obwohl dieser biochemische Mechanismus durch mehrere steuerbare Variablen beeinflusst wird, eine zentrale steuerbare Variable gibt, auf der der Mechanismus beruht. Ein Beispiel dieser Ausführungsform ist die Berücksichtigung der Atmung als zentrale biologische Zustandsvariable bei aeroben Zellstoffwechselvorgängen.

Natürlich muss auch weiterhin der Wechseiwirkungsef- fekt einer Einstellung der zentralen steuerbaren Variablen auf die verschiedenen Zustandsvariablen bestimmt werden, eine Änderung der zentralen steuerbaren Variablen ermöglicht jedoch im allgemeinen die wirksamsten Steuerverfahren. Damit eine steuerbare Variable für diesen Zweck in Erwägung gezogen werden kann, muss sie folgende Eigenschaften haben:
1. Sie muss in messbarer oder berechnenbarer Weise auf den Effekt ansprechen;
2. sie muss proportional auf den Effekt ansprechen;
3. es muss eine Maximum-Minimum-Ansprechkurve auf den Effekt geben; und
4. das System darf keinen irreversiblen Schaden erleiden, wenn der Effekt ausgeführt wird.

Die obenstehenden Ausführungsformen des Apparats und des beschriebenen Verfahrens sind auf alle biochemischen Prozesse anwendbar, die durch eine unbestimmte Anzahl an Enzymen katalysiert werden. Eine derartige Anwendung ist die Fermentierung. Bei Anwendung der obenstehenden Prinzipien auf Fermentierungsprozesse wurde herausgefunden, dass Temperatur, pH-Wert, Konzentration und Verhältnis von Substraten und Vorläufern, gelöstes O2 und gelöstes CO2 (HCOsn wirksame steuerbare Variablen sind, wenn es sich um eine aerobe Kultur handelt und die Konzentration an gelöstem Sauerstoff über ihrem kritischen Wert gehalten wird.

Obwohl der Einfachheit halber die Zuordnung eines einzigen biochemischen Prozesses zu einem einzigen Rechner beschrieben wurde, kann ein einzelner Rechner auch mehr als einem chemischen Prozess, etwa einer Vielzahl von Fermentierungen, zugeordnet werden. Jeder Rechner kann mit mehr als einem Steuer/Erfassungs-Endgerät verbunden sein.

PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Analyse und Regelung biochemischer Prozesse, gekennzeichnet durch das Detektieren der Werte ausge

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. Das Verfahren der Vielfachvariation dieser Variablen ist im Analyseabschnitt dargestellt, wo auch ansonsten nicht messbare weitere Zustandsvariablen berechnet werden. Die scheinbare Viskosität ist damit eine Funktion der Grösse der Scherbeanspruchung, die ihrerseits eine Funktion der Leistung und des Rührens ist. Diese weitere Zustandsvariable wird ihrerseits zur Berechnung weiterer Zustandsvariablen, wie z. B.

Leistungszahl, Reynold'sche Zahl, wie auch der Strömungscharakteristik der Kulturflüssigkeit, herangezogen. Andere durch weitere Zustandsvariablen wiedergegebene bezeichnende Eigenschaften sind die Massenübergangszahl (KLa), die eine Funktion des gelösten Sauerstoffs (D. O.) und der Sauerstoffzufuhr und Abgabe ist, der Atmungsquotient (RQ) und die Adenosin-tri-phosphat-Ausbeute (YATP). Die Ergebnisse dieser Analyse können, wie ebenfalls in Fig. 4 dargestellt, zu einer Anzahl Zwecke verwendet werden. Von ursprünglicher Bedeutung ist ihre Anwendung beim Treffen von Entscheidungen gemäss dem beschriebenen Verfahren. Die berechneten Daten könnten ebenso zur Ausweitung des Betriebs von einem experimentellen Umfang auf kommerzielle Grössenordnungen benutzt werden; sie könnten aber auch zu analytischen Betrachtungen, wie z.

B. zur Abschätzung des Wirkungsgrades des Prozesses und zur Identifizierung von Stoffwechselverläufen, herangezogen werden.

Der Umfang in dem das in Fig. 4 dargestellte Analyseprogramm nachvollzogen werden kann, hängt von den verfügbaren experimentellen Daten und von den für jedes Stadium des Fermentierungsprozesses verfügbaren mathematischen Modellen ab. Wo eine vollständige Gruppe mathematischer Modelle vorhanden ist, kann das gesamte Analyseprogramm nachvollzogen werden; es ist eine vollständige Prozesssteuerung möglich. Diese vollständige Prozesssteuerung kann in Form eines Eingriffs der Bedienungsperson, wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 dargestellt ist, oder in Form einer automatischen Gesamtprozesssteuerung erfolgen, die entweder digital-analog oder als direkt digitale Steuerung durchgefahrt wird.

Eine derartige automatische Gesamtprozesssteueranlage ist im Flussdiagramm der Fig. 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird der durch einen Block 160 dargestellte biochemische Prozess überwacht und die erfassten Daten der steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen werden, wie durch einen Datenerfassungsblock 162 dargestellt, aufgenommen und gemäss den obenstehend beschriebenen Prinzipien, dargestellt durch einen Datenverminderungsblock 164, analysiert. Das Ergebnis dieser Analyse wird als eine durch einen Block 166 dargestellte Gruppe steuerbarer Variablen und als eine durch einen Block 168 dargestellte Gruppe von Zustandsvariablen wiedergegeben. Die Zustandsvariablen umfassen nicht nur die messbaren Zustandsvariablen, sondern auch die weiteren Zustandsvariablen, die, wie im Beispiel der Fig. 4 gezeigt wurde, die Ergebnisse der Analyse wiedergeben.

Die Zustandsvariablen geben die physikalischen, physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften des Prozesses in jedem speziellen Stadium an und bilden die Grundlage der Identifizierung der Prozesstriebkräfte. Aus dem Feld der Zustandsvariablen und steuerbaren Variablen werden dann, wie durch einen Block 170 Identifizierung der Prozesstriebkräfte dargestellt, die Prozesstriebkräfte und damit das spezielle Stadium des Prozesses in dem die Daten erhalten wurden, bestimmt. Aufgrund der Identifizierung des Stadiums und der Information über Wechselwirkungen zwischen der Umgebung und dem lebenden System, werden biologische Wechselwirkungssteuerentscheidungen getroffen, durch die die verschiedenen steuerbaren Variablen, wie durch einen Steuerentscheidungsblock 172 dargestellt, eingestellt werden.

Das Einstellen steuerbarer Variablen schafft die geeigneten Umgebungsbedingungen, die entweder dem physikalischen, physikalisch-chemischen, physiologischen und biochemischen Stadium des Prozesses entsprechen, oder die zur gewünschten Abänderung einer oder mehrerer Zustandsvariablen führen.

Die Steuerentscheidungen beruhen auf gespeicherten mathematischen Modellen und Wechselwirkungsschemata, auf Off-Line-Optimierung, und auf der Handeingabe durch die Bedienungsperson. Die endgültige Steuerentscheidung wird dann den Steuerelementen 144 zugeführt, die, mit dem Prozessapparat gekoppelt, den Prozess steuern. Falls gewünscht, kann die Steuerung durch eine digital-analoge Steuerung erfolgen, bei der die tatsächliche Regelung der steuerbaren Variablen automatisch durch die Steuerelemente erfolgt, wobei das Ergebnis des Steuerentscheidungsblocks des Rechners lediglich die den einzelnen steuerbaren Variablen zugeordneten Zeitprofiltoleranzwerte nachstellt.

In einer alternativen Aus führungsfonm ist, wie durch eine gestrichelte Linie 176 dargestellt ist, eine direkte Digital-Steuerung vorgesehen, wobei dann die biologische Wechselwirkungssteuerung sowohl auf den Zustandsvariablen, die den Zustand der Steuerelemente beschreiben, als auch auf dem biologischen Stadium des Prozesses beruhen.

Zur Vereinfachung des beschriebenen Verfahrens können gewisse Techniken benutzt werden. Eine derartige Technik ist die Strategie des Herausfindens eines Angelpunktes, wobei angenommen wird, dass es in jeder Stufe des biochemischen Prozesses einen Mechanismus gibt, der den Angelpunkt dieser Stufe des Prozesses bildet, und dass es, obwohl dieser biochemische Mechanismus durch mehrere steuerbare Variablen beeinflusst wird, eine zentrale steuerbare Variable gibt, auf der der Mechanismus beruht. Ein Beispiel dieser Ausführungsform ist die Berücksichtigung der Atmung als zentrale biologische Zustandsvariable bei aeroben Zellstoffwechselvorgängen.

Natürlich muss auch weiterhin der Wechseiwirkungsef- fekt einer Einstellung der zentralen steuerbaren Variablen auf die verschiedenen Zustandsvariablen bestimmt werden, eine Änderung der zentralen steuerbaren Variablen ermöglicht jedoch im allgemeinen die wirksamsten Steuerverfahren. Damit eine steuerbare Variable für diesen Zweck in Erwägung gezogen werden kann, muss sie folgende Eigenschaften haben: 1. Sie muss in messbarer oder berechnenbarer Weise auf den Effekt ansprechen; 2. sie muss proportional auf den Effekt ansprechen; 3. es muss eine Maximum-Minimum-Ansprechkurve auf den Effekt geben; und 4. das System darf keinen irreversiblen Schaden erleiden, wenn der Effekt ausgeführt wird.

Die obenstehenden Ausführungsformen des Apparats und des beschriebenen Verfahrens sind auf alle biochemischen Prozesse anwendbar, die durch eine unbestimmte Anzahl an Enzymen katalysiert werden. Eine derartige Anwendung ist die Fermentierung. Bei Anwendung der obenstehenden Prinzipien auf Fermentierungsprozesse wurde herausgefunden, dass Temperatur, pH-Wert, Konzentration und Verhältnis von Substraten und Vorläufern, gelöstes O2 und gelöstes CO2 (HCOsn wirksame steuerbare Variablen sind, wenn es sich um eine aerobe Kultur handelt und die Konzentration an gelöstem Sauerstoff über ihrem kritischen Wert gehalten wird.

Obwohl der Einfachheit halber die Zuordnung eines einzigen biochemischen Prozesses zu einem einzigen Rechner beschrieben wurde, kann ein einzelner Rechner auch mehr als einem chemischen Prozess, etwa einer Vielzahl von Fermentierungen, zugeordnet werden. Jeder Rechner kann mit mehr als einem Steuer/Erfassungs-Endgerät verbunden sein.

PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zur Analyse und Regelung biochemischer Prozesse, gekennzeichnet durch das Detektieren der Werte ausge wählter steuerbarer Variablen und Zustandsvariablen in mindestens periodischen Zeitabschnitten im biochemischen Prozess, dem prozessgekoppelten Berechnen mindestens einer weiteren Zustandsvariablen in Echtzeit aus den ausgewählten steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen, wobei die weitere, nicht direkt messbare Zustandsvariable das Stadium des biochemischen Prozesses anzeigt, und durch gegenseitig abhängiges Regeln der Werte der steuerbaren Variablen durch Ansprechen auf die berechneten Werte der weiteren Zustandsvariablen, um die Werte der weiteren Zustandsvariablen auf bestimmte Grössen zu bringen zwecks Schaffung der gewünschten Umgebungsbedingungen für den biochemischen Prozess.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Regelns der steuerbaren Variablen, um die steuerbaren Variablen innerhalb bestimmter Toleranzwerte zu halten, und durch das Nachstellen der Toleranzwerte während des Ablaufens des Prozesses, um die Wirkung dieses Nachstellens auf die berechnete weitere, direkt nicht messbare Zustandsvariable zu bestimmen, zwecks Regelung der Werte der steuerbaren Variablen, um die Werte der weiteren, direkt nicht messbaren Zustandsvariablen auf bestimmten Grössen zu halten.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der biochemische Prozess durch ein oder mehrere zellengebundene und/oder zellenfreie Enzyme katalysiert wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der biochemische Prozess ein Fermentierungsprozess ist.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als steuerbare Variablen die Temperatur, der pH-Wert, die Konzentration und das Verhältnis von Substrat und Vorläufern, gelöster Sauerstoff und gelöstes Kohlendioxyd (HCO35 verwendet werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Zustandsvariablen die rheologischen Bedingungen einer Kulturflüssigkeit wiedergeben.

6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Zustandsvariablen das physiologische Stadium des biochemischen Prozesses wiedergeben.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Zustandsvariablen das biochemische Stadium des Prozesses wiedergeben.

PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gefäss (72), in welchem der biochemische Prozess abläuft, durch eine Zuführungseinrichtung (74, 76, 80, 82, 86) zur Zuführung geregelter Mengen, welche für den Prozess erforderlich sind, in das Gefäss (72), durch eine Überwachungseinrichtung (84, 88, 94¯104, 108¯116, 120) zur Erfassung einer Vielzahl steu erbarer Variablen und Zustandsvariablen des Prozesses, durch eine Recheneinrichtung (132) zur prozessgekoppelten Berechnung in Echtzeit von mindestens einer weiteren, direkt nicht messbaren Zustandsvariablen, welche das Stadium des biochemischen Prozesses wiedergibt, aus den detektierten steuerbaren Variablen und Zustandsvariablen, und durch eine Steuereinrichtung (98, 124,

128, 140, 144, 148, 150, 152) zum gegenseitig abhängigen Regeln der Werte der steuerbaren Variablen durch Ansprechen auf die berechneten Werte der weiteren Zustandsvariablen, um deren Werte - zwecks Schaffung der gewünschten Umgebungsbedingungen für den biochemischen Prozess - auf bestimmte Grössen zu bringen.

UNTERANSPRÜCHE 8. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine weitere Steuereinrichtung zur Regelung der steuerbaren Variablen in Übereinstimmung mit einem bestimmten Zeitprofil von Toleranzwerten der steuerbaren Variablen durch Ansprechen auf die Werte der detektierten, steuerbaren Variablen, wobei diese Steuereinrichtung von Hand einstellbar ist, um das Nachstellen des Zeitproflls der Toleranzwerte mindestens in bezug auf die ausgewählten steuerbaren Variablen zu ermöglichen, so dass durch die Recheneinrichtung (132) die sofortige Anzeige der Wirkung der Regelung der weiteren Steuereinrichtung erfolgt, um die Einstellung der steuerbaren Variablen zu kennzeichnen, welche notwendig ist, um die Werte der weiteren, direkt nicht messbaren Zustandsvariablen auf gewünschten Grössen zu halten.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (132) dazu bestimmt ist, weitere Zustandsvariablen zu berechnen, welche die rheologischen Bedingungen einer Kulturflüssigkeit wiedergeben.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (132) dazu bestimmt ist, weitere Zustandsvariablen zu berechnen, welche das physiologische Stadium des biochemischen Prozesses wiedergeben.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (132) dazu bestimmt ist, weitere Zustandsvariablen zu berechnen, welche den biochemischen Zustand des Prozesses wiedergeben.

12. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (84, 88, 94¯104, 108¯116, 120) eine Probenentnahmeeinrichtung (112, 114) aufweist, welche periodisch Inhaltsproben aus dem Gefäss (72) entnimmt, und einen in Echtzeit prozessgekoppelt betriebenen Analysator (116).

13. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu bestimmt ist, die steuerbaren Variablen gemäss dem Zeitprofil der Toleranzwerte durch Ansprechen auf die detektierten Werte der steuerbaren Variablen zu regeln, und die Steuereinrichtung eine Vorrichtung zur automatischen Einstellung des Zeitprofils der Toleranzwerte durch Ansprechen auf die berechneten weiteren Zustandsvariablen umfasst.