CH665848A5

CH665848A5 - Anlage zur turbidimetrischen messung und regelung der mikroorganismendichte in waessrigen medien.

Info

Publication number: CH665848A5
Application number: CH112986A
Authority: CH
Inventors: Rainer Lang; Peter Dr Lay; Friedhelm Prof Dr Korte
Original assignee: Strahlen Umweltforsch Gmbh
Priority date: 1985-05-08
Filing date: 1986-03-20
Publication date: 1988-06-15
Also published as: AT396999B; DE3516529A1; DE3516529C2; ATA75086A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur turbidimetrischen Messung und Regelung der Mikroorganismendichte in wässrigen Medien, wie Zell-, Bakterien-, Hefen- und/oder Algenkulturen, unter Verwendung einer Messzelle nach dem Prinzip einer Durchflussmesszelle.

Zur Bestimmung der Zell- bzw. Individuendichte in Zell-, Bakterien, Hefe- und Algenkulturen in wässriger Kulturlösung sind mehrere photometrische, insbesondere turbidime-trische Verfahren verwendbar. Bei Laborkulturen von grossem Volumen ist hierfür im allgemeinen die Entnahme einer Probe mit Überführung in ein Messgerät erforderlich.

Dies kann zu erheblichen Störungen führen, insbesondere dann, wenn die Kultur unter sterilen und/oder anaeroben Bedingungen gehalten werden muss. Die kontinuierliche Überleitung in handelsübliche Photometer mit Durchflussku-vetten wäre mit langen Wegen verbunden und mit erheblichen Aufwuchsproblemen behaftet.

Sollen die Kulturen trotzdem in kontinuierlichem Betrieb bei konstanter Zell-/Individuenzahl gehalten werden, ist dies möglich, indem permanent mit einer entsprechenden Menge der zuzugebenden Nährlösung verdünnt wird (sog. Chemo-statbetriebe). Hierfür ist es bisher erforderlich, die entsprechende Nährlösungsmenge aus den Wachstumskurven der Individuen und deren Nährstoffbedarf zu errechnen. Diese Nährlösungsmenge wird dann kontinuierlich, z.B. mit Schlauchpumpen, zugegeben. Der Förderstrom ist dabei konstant. Dadurch können bereits geringfügige Störungen im Pumpen- und/oder Thermostatisierungsbereich oder Veränderungen der Belichtung zu erheblichen Veränderungen der Individuenzahl führen.

Dies macht eine ständige Kontrolle mit häufigen manuellen Korrekturen der Wachstumsfaktoren erforderlich.

Bei den bisherigen Messverfahren wird ein mehr oder weniger durchmischter Teil des Gesamtvolumens in einer Momentmessung bestimmt. Zur Vermeidung vor Fehlern, die z.B. aus lokalen Konzentrationsunterschieden herrühren können, sind in der Regel Mehrfachmessungen und Parallelproben erforderlich.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, eine Anlage zu bieten, mit der eine kontinuierliche, automatische und von Veränderungen der Aussenbedingungen unabhängige Steuerung von Chemostatkulturen und darüber hinaus auch eine empfindliche Messung und Aufzeichnung, unabhängig von Veränderungen durch Mikroorganismenbewuchs, ermöglicht wird.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Es handelt sich somit bei der Erfindung um eine Anlage aus mehreren, örtlich getrennt arbeitenden Komponenten, die die permanente turbidimetrische Messung von Zell-, Bakterien-, Hefen- und Algenkulturen in wässrigem Nährmedium bei vollkommen geschlossenem Kultursystem erlaubt. Sie gestattet neben der Ablesung der momentanen Kulturdichte auch die kontinuierliche Registrierung des Verlaufs der Wachstumskurven und die Überwachung aller für die Kultur notwendigen Betriebsabläufe mittels der Messzelle. Die Messung erfolgt nicht als Momentmessung, sondern in einer Durchflusszelle während eines wählbaren Zeitintervalls, wobei der ermittelte Messwert über das Zeitintervall integriert wird. Lokale Konzentrationsunterschiede in der Kulturlösung stören folglich nicht.

Die Regelfunktion wird zunächst dadurch erfüllt, dass die Anlage die Zudosierung wählbarer Mengen von Nährlösung in wählbarem Zeitabstand steuert. Durch wählbare Schwellwerte der Zell-/Individuendichte kann das System darüber hinaus nach jeder Messung eine gesteigerte Verdünnung der Kultur oder ein Aussetzen der Nährlösungsversorgung bewirken. Damit wird es möglich, eine Chemostatkultur allein nach ihrer momentan realen Dichte unabhängig von schwankenden Umgebungsbedingungen und ohne manuelle Eingriffe konstant zu halten.

Je nach Aufgabenstellung läst sich die Häufigkeit der Messzyklen in weitem Bereich variieren. Je häufiger die Messungen ausgelöst werden, um so grösser ist die Auflösung der aufzuzeichnenden Wachstumskurven. Dadurch kann die Anlage neben der Regelung und Übserwachung konstanter Chemostatkulturen auch andernorts Wachstumskurven z.B. von Algen mit höchster Genauigkeit und Präzision vollautomatisch aufzeichnen. Da das Messsystem mit dem Kulturgefäss eine geschlossene Einheit bildet, alle vom Kulturmedium benetzten Geräteteile jadoch leicht von den elektrischen Einheiten zu trennen sind, ist eine Sterilisierung auch im Autoklaven problemlos. Darüber hinaus ist das System dadurch auch besonders für anaerobe Arbeiten geeignet.

Die Ausgestaltung der einzelnen Anlagenelemente erlaubt den Aufbau von Kulturanlagen mit kürzesten Wegen für den Transfer der Probenlösung zum Messsystem.

Äusserst vorteilhaft ist auch die Anordnung von Messsystem und zuführenden Nährlösungskanälen, die eine permanente Selbstreinigung aller mit der Kulturlösung benetzten Teile erzwingt, wodurch Aufwuchsprobleme ausgeschaltet werden.

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Die Erfindung stellt ein kompaktes, kostengünstiges und einfach zu handhabendes Anlagensystem dar, das neben den obengenannten Eigenschaften die Möglichkeit bietet, eine Mikroorganismenkultur nach dem Animpfen ohne weitere Manipulationen bis zu einem vorwählbaren Dichtegrad anwachsen zu lassen und diesen Zustand weitgehend unabhängig von äusseren Schwankungen und Störungen über beliebig lange Zeit aufrechtzuerhalten, wobei alle Messwerte und Betriebsabläufe protokolliert werden können.

Darüber hinaus ist das Messsystem auch für die ausschliessliche Messung von Kulturen und anderen Flüssigkeiten ohne Regelaufgaben geeignet, wobei die Vorteile der Messzellenanordnung ja gerade bei wiederholten Messungen über längere Zeiträume zum Tragen kommen, z.B. für die Aufzeichnung von Wachstumskurven. Dabei kann das Messsystem mit beliebiger Gefässen kombiniert werden. Voraussetzung ist lediglich die Bereitstellung eines Gases, mit dem ein geringfügiger Überdruck aufgebaut werden kann, nicht jedoch die kontinuierliche Zufuhr von Nährlösung. Auch ist es in der Lage, die Messungen für die Regelung konstanter, insbesondere steriler Kulturen durchführen zu können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher dargestellt.

Fig. 1 zeigt hierbei einen Schnitt durch eine Messzelle und Fig. 2 eine Ansicht der technischen Anlage.

Die Durchflussmesszelle 1 nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem langgestreckten Zylindergehäuse 27 mit einem koaxial geführten Kanal 28 und verdickten Stirnseiten 29,29'. Die Kanalachse 30 bildet zugleich die optische Achse des Messsystems.

An die Stirnseiten 29,29' werden mittels der beiden Arme eines C-förmig ausgebildeten Trägers 10 die Gehäuse 6,6' für den Detektor 8 bzw. die Lichtquelle 7, einschliesslich dem Referenz-Empfangselement 9, gegen die Linsenhalter 5, 5' angepresst und in deren Aufnahmebohrungen zentriert. Die Öffnungen des Kanals 28 werden von Linsen 3 bzw. 3' einschliesslich deren Linsenhalter 5, 5' verschlossen. Die Dichtungsringe 4,4' sind derart ausgebildet bzw. ausgerichtet, dass sie Zentralbereiche 31,31' der Sammellinsen 3,3' freilassen, durch die der Messstrahl 32 hindurch- bzw. eintritt.

Die Zu- und Ableitungen 2', 2 für die Medien sind bezüglich der Kanalachse 30 im Winkel derart am Gehäuse 27 bzw. der Messzelle 1 angeordnet, dass ihre Austrittsöffnungen 33,33' auf diese als Zentralbereiche 31,31' ausgerichtet sind. Zusätzlich sind sie als Düsen ausgebildet, so dass ein gezielter Mediumstrahl auf die Linse 3' gerichtet bzw. ein scharfer Strömungswirbel an der Linse 3 erzeugbar ist. Diese Strömungen verhindern den Bewuchs der Zentralbereiche 31,31', so dass von dieser Seite her keine Verfälschungen des Messstrahls 32 entstehen.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Probemediums innerhalb der Messzelle 1 kann durch Querschnittsverengung erhöht und durch die düsenartige Ausbildung der Zuflusskanäle 2,2' eine direkte Anströmung der optischen Fenster im Binnenraum der Zelle erzielt werden. Der gemessene Lichtwert wird über eine vorwählbare Zeitdauer integriert, wobei die Probe während des gesamten Integrationsintervalls die Messzelle 1 durchströmt. Die Häufigkeit der Messperiode ist in einem Zeitbereich zwischen 1 und 300 Minuten vorwählbar. Durch die Wahl des spektralen Bereichs der Lichtquelle 7 ist bei der Messung pflanzlicher Zellen eine chlorophyllabhängige oder -unabhängige Methode wählbar.

Die Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht der gesamten Anlage, wie sie mit den pneumatischen Elementen (hier ein Ausführungsbeispiel mit elektrischen Magnetventilen) auf einer gemeinsamen Trägerkonsole 12 in der Nähe des Kultur-gefässes 15 montiert sein kann. Alle Einzelteile, das Befestigungselement 11 für die Messzelle 1, die Trägerkonsole 12,

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das Ausgleichsgefäss 13, die Zuflussöffnung 14 des Kulturge-fässes 15, das Kulturgefäss 15 selbst, das Ausgleichsventil 16, das Eingangsventil 17 und das Ausgangsventil 18 sowie der Zuflusssammler 19, die Zuflussleitung 20, die Ausgangsöffnung 21 des Kulturgefässes 15, die Abflussleitung 22, die Bypassleitung 23, das Zuflussrohr 24, die Ausgleichsöffnung 25 und das Luftfilter 26 sind auf dem gleichen Träger 12 befestigt.

Die vollständig montierte Durchflussmesszelle (1 bis 5) mit den auf ihr abnehmbar befestigten Messelementen (6 bis 10) ist in dem Befestigungselement 11 lösbar mit der Trägerkonsole 12 verbunden. Das Düsenrohr 2 ist mit einem Ausgleichsgefäss 13 verbunden, das gegenüberliegende Düsenrohr 2' mit der Zuflussöffnung 14 des Kulturgefässes 15.

Weitere wesentliche Elemente sind die Ventile 16,17 und 18, in diesem Ausführungsbeispiel als Magnetventile dargestellt. Das Eingangsventil 17 ist ein 3/2-Wege-Ventil. Bei normalem Kulturbetrieb wird der Zufluss von Gasen (z.B. Luft) und/oder Flüssigkeiten (z.B. Nährlösung) von einem Zuflusssammler (19) aufgenommen und vom Eingangsventil 17 über die Zuflussleitung 20 zum Ausgleichsgefäss 13 geleitet. Von dort aus passieren die zuströmenden Gase und Flüssigkeiten die Durchflussmesszelle 1 und gelangen über das Düsenrohr 2' in das Kulturgefäss 15. Überschüssige Gas- und Flüssigkeitsmengen werden bei normalem Betrieb über die Ausgangsöffnung des Kulturgefässes 21 und das normalerweise offene Ausgangsventil 18 aus dem Kulturgefäss 15 zur Abflussleitung 22 geführt.

Für die Durchführung einer Messphase werden die Ventilstellungen umgeschaltet:

Das Ausgangsventil 18 wird geschlossen und das Eingangsventil 17 führt den Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom jetzt über die Bypassleitung 23 zum Kulturgefäss 15. Schon bei geringfügigem Zufuhr-Überdruck wird das Kulturmedium durch das in die Flüssigkeit eintauchende Zuflussrohr 24 in die Durchflusszelle 1 zurückgedrückt. Dieser Vorgang wird unterstützt, indem das normalerweise geschlossene und mit der Ausgleichsöffnung 25 des Ausgleichsgefässes 13 verbundene Ausgleichsventil 16 für eine bestimmte Zeit geöffnet wird. Das Kulturmedium kann die Durchflussmesszelle 1 solange durchströmen und im Ausgleichsgefäss 13 aufsteigen, bis die integrierende Messphase abgeschlossen ist. Eine Kontaminierung der Leitung durch Luftkeime kann durch ein Luftfilter 26 unterbunden werden.

Abschliessend werden alle Ventile wieder in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Das Kulturmedium aus dem Ausgleichsgefäss 13 wird wieder in das Kulturmedium 15 zurückgeführt, wobei es erneut die Durchflusszelle 1 passiert. Durch die düsenförmige Ausbildung und den Anströmwinkel der Rohre 2,2' werden die Glaslinsen 3,3' der Durchflussmesszelle 1 bei jedem Messzyklus jeweils einmal in beiden Richtungen kräftig angeströmt und gespült.

Darüber hinaus wird im Falle der Zugabe von frischer Nährlösung diese stets über die Wände des Ausgleichsgefässes 13 und durch die Durchflussmesszelle 1 geleitet, so dass die Bildung von Ablagerungen auch hierdurch wirkungsvoll unterbunden wird.

Die gesamte Einheit aus Messzelle 1, Ausgleichsgefäss 13 und verbindenden Kanälen bestehen ausschliesslich aus was-ser-, lösungsmittel- und insoweit temperaturbeständigen Materialien, dass diese gesamte Einheit bei etwa 135 °C auto-klaviert werden kann. Ein nicht näher dargestelltes Mess- und Regelgerät nimmt die Ansteuerung von motorbetriebenen Hubkolbenpumpen (insbesondere Motor-Dispensetten), Membran- oder Schlauchpumpen in der Art vor, dass ein vorwählbares Volumen in vorwählbaren Zeitabständen als Mini-mal-Nährlösungszugabe kontinuierlich erfolgt. Der ermittelte Messwert bis zum Beginn der folgenden Integrationsphase

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wird auf einem Display angezeigt. Das Mess- und Regelgerät bewirkt bei Über- oder Unterschreiten eines vorwählbaren Schwellwertes eine Erhöhung oder Aussetzung der Nährlösungszugabe. Durch die Anschlussmöglichkeit eines Mehrkanalschreibers ist die kontinuierliche Aufzeichnung der Mess-werte sowie der Pumpen- und Ventilaktivität möglich. Die Regelung der Belichtung der Kultur kann durch das Mess-und Regelgerät ebenfalls vorgenommen werden.

Neben der in Fig. 2 dargestellten Anordnung der Anlage mit pneumatischen Elementen kann die Anlage auch in einen geschlossenen Pumpenkreislauf eingegliedert werden, wobei die Pumpe bei jedem Messzyklus oder kontinuierlichem Kul-5 turmedium der Messzelle 1 zugeführt wird.

In diesem Fall führt die Ableitung direkt in das Kulturgefäss 15 zurück zum den Kreislauf zu schliessen.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Anlage zur turbidimetrischen Messung und Regelung der Mikroorganismendichte in wässrigen Medien, wie Zell-, Bakterien-, Hefen- und/oder Algenkulturen, unter Verwendung einer Messzelle nach dem Prinzip einer Durchfluss-messzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (1) einen langgestreckten Kanal (28) aufweist, an dessen Stirnseiten (29, 29') optische, den Kanal (28) abschliessende Elemente (3, 3') angeordnet sind, durch die ein Messstrahl (32) entlang der Achse (30) des Kanals (28) von einer Lichtquelle (7) zu einem Detektor (8) gerichtet wird, und dass sowohl die Zuleitung (2') als auch die Ableitung (2) des Mediums in bzw. aus dem Kanal (28) im Winkel zur Achse (30) des Kanals (28) derart ausgerichtet sind, dass die Oberfläche (31,31') der optischen Elemente (3,3') kontinuierlich vom Medium umströmt ist.

Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (1) mit einem Ausgleichsbehälter (13), der über die Ableitung (2) mit der Messzelle (1) verbunden ist, Schaltventilen (16-18) und/oder einem Kulturgefäss (15), das mit der Messzelle (1) über die Zuleitung (2') in Verbindung steht, an einer Trägerkonsole (12) befestigbar und somit gemeinsam autoklavierbar sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (33,33') der Zu- und Ableitungen (2,2') zum Kanal (28) als Düsen ausgebildet sind.

4. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Lichtquelle (7) bzw. den Detektor (8) aufnehmenden Gehäuse (6,6') auf einem gemeinsamen Träger (10) angeordnet und in Ausnehmungen an den Stirnseiten (29,29') der Messzahl (1) einrastbar sind.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) federelastisch ausgebildet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (1) alternierend in beiden Richtungen durchströmbar ist.