DD210300A1 - METHOD FOR CONTROLLING PROCESSES OF BIOTECHNICAL FABRIC CONVERSION - Google Patents
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Abstract
Ziel der Erfindung ist das Erreichen niedriger Rohstoff- und Energieverbraeuche, Verbesserung der Produktqualitaeten und eine Erhoehung der Stabilitaet biotechnischer Prozesse.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Informationen aus dem biologischen System von Prozessen zur biotechnischen Stoffwandlung fuer die Steuerung dieser Prozesse zu nutzen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe so geloest, dass Informationen genutzt werden, die aus Verteilungsfunktionen einzelner oder mehrerer Merkmale der an der Stoffwandlung beteiligten Mikroorganismen gewonnen werden.The invention is based on the achievement of low raw material and Energieverbraeuche, improving the quality of products and an increase in the stability of biotechnical processes. The invention has for its object to use appropriate information from the biological system of processes for biotechnical conversion for the control of these processes. According to the invention, the object is achieved in such a way that information is used which is obtained from distribution functions of one or more features of the microorganisms involved in the material conversion.
Description
Titeltitle
Verfahren zur Steuerung von Prozessen der biotechnischen StoffwandlungMethod for controlling biotechnical material conversion processes
*Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung, an denen einzellige Organismen (z.e B. Bakterien oder Hefen), die-auch genetisch verändert sein können, in Rein- oder Mischkultur beteiligt sind». Diese Prozesse können der Gewinnung von Biomasse, der Gewinnung von Produkten, der Beseitigung von Abfällen oder der Gewinnung von Energieträgern dienen. Die Erfindung ist in die IPE C- 12 Έ einzuordnen»* The invention relates to a method for controlling processes of the biotechnical conversion material in which single-cell organisms (e.g. e., Bacteria or yeasts), the well-can be genetically modified involved in pure or mixed culture ". These processes can be used for the extraction of biomass, the extraction of products, the disposal of waste or the extraction of energy sources. The invention is classified in the IPE C-12 Έ »
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen . Characteristic of the known technical solutions .
Die Prozesse der biotechnischen Stoffwandlung sind durch eine innere Hierarchiestruktur charakterisiert. Gemäß den bekann-ten Polgerungen aus der Kybernetik können solche Prozesse nicht eindeutig beschrieben werden, wenn nur ihre Ein- und Ausgangsgrößen bekannt sind (Uikolajev, P.I., Kantere, V.M., Surnal Vses. Chim. Obscestva im* Mendeleeva VJ_ (1972) 569). Typisch für diese Prozesse ist ein Hysteresisverhalten, das durch Bi- und.MultiStabilitäten bedingt ist, "overshoots" oder Oszillationen (HAREISOH, D.E.31., lOPIWALA, H.H., in: Adv. Biochem. Eng. 2. (1974))·The processes of biotechnical material transformation are characterized by an internal hierarchical structure. According to the known polynomials of cybernetics, such processes can not be clearly described if only their inputs and outputs are known (Uikolajev, PI, Kantere, VM, Surnal Vses. Chim. Obscestva in * Mendeleeva VJ_ (1972) 569) , Typical of these processes is a Hysteresisverhalten that is und.MultiStabilitäten due bi-, "overshoots" or oscillations (HAREISOH, DE3 1, lOPIWALA, HH, in. Adv Biochem Eng 2 (1974)...) ·
Aus diesem"Grunde ist das beschriebene "indirect measurement concept" (ΕΘΗΡΗΒΕΥ, A.B.,' Process Biochem. ΛΖ (1977) 19) nur bedingt in. der Lage, Informationen zur Kontrolle und SteuerungFor this reason, the described "indirect measurement concept" (ΕΘΗΡΗΒΕΥ, AB, 'Process Biochem. 1977 (1977) 19) is only conditionally capable of providing information for checking and controlling
dieser Prozesse zu liefern» So ist es nicht möglich, nach diesem Verfahren Änderungen in den Ausgangsgrößen eindeutig "bestimmten Änderungen des physiologischen Zustandes der Kultur zuzuordnen und daraus günstige Maßnahmen zur Steuerung des Prozesses abzuleiten·In this way it is not possible, according to this method, to unambiguously assign changes in the output variables to certain changes in the physiological state of the culture and to derive therefrom favorable measures for controlling the process.
Verfahren und Vorrichtungen, welche integral Änderungen auf der metabolischen Ebene solcher Prozesse direkt am biologischen System messen.und zur Steuerung verwenden, sind ebenfalls bekannt (DD-WP 154449, DD-WP 154545). Sie liefern aber nur Mittelwerte über die Populationen und die gewonnenen Informationen sind mehrdeutig in bezug auf die Zustände der Populationen·. Damit bleibt zum Beispiel die Verteilung der Populationen über die einzelnen Zustände des Zellzyklus unerkannt und die Informationen über die in den Zellen ablaufenden Prozesse können wegen ihrer Mehrdeutigkeit nicht für>eine Steuerung genutzt werden·Methods and devices which measure integrally at the metabolic level of such processes directly on the biological system and use them for control are also known (DD-WP 154449, DD-WP 154545). But they only provide averages over the populations and the information obtained is ambiguous with respect to the populations' states. Thus, for example, the distribution of the populations over the individual states of the cell cycle remains undetected and the information about the processes running in the cells can not be used for control because of their ambiguity.
Ziel der Erfindung., ist das Erreichen niedriger Rohstoff- und Energieverbräuche, das Verbessern, der Produktqualitäten sowie eine Erhöliung, der Stabilität· biotechnischer. Prozesse«The aim of the invention is to achieve low consumption of raw materials and energy, to improve the product qualities and to improve the stability of the biotechnological. processes "
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Informationen aus dem biologischen System von Prozessen zur biotechnischen, St off Wandlung für die Steuerung dieser Prozesse zu nut-The object of the invention is to use suitable information from the biological system of processes for biotechnical, St off conversion for the control of these processes.
zen» . ·zen ». ·
•Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß zur Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung Informationen genutzt werden, die aus Verteilungsfunktionen einzelner oder mehrerer Merkmale der an der Stoffwandlung beteiligten Mikroorganismen gewonnen wurden. Diese Informationen können aus der und/oder Höhe der Maxima und/oder'Minima der gewonnenenAccording to the invention, the object is achieved in such a way that information is used for the control of biotechnical material conversion processes which has been obtained from distribution functions of one or more features of the microorganisms involved in the metabolic transformation. This information can be obtained from the and / or amount of maxima and / or minima of the obtained
Verteilungsfunktionen beziehungsweise ihrer Form, die durch statistische Maßzahlen wie Streuung, Schiefe, Sscess oder Momente höherer Ordnung beschrieben wird, hergeleitet werden. Die Bestimmung der Verteilungen- für das erfindungsgemäße Ver-Distribution functions or their form, which is described by statistical measures such as scattering, skew, Sscess or moments of higher order, are derived. The determination of the distributions- for the inventive
fahren kann wie folgt realisiert werden:drive can be realized as follows:
1· Ein repräsentativer Teil der Populationen wird nach morphologischen Merkmalen untersucht und jede untersuchte Zelle oder Zellgruppe einer bestimmten diskreten Merkmalsklasse zugeordnet oder eine kontinuierliche Merkmalsverteilung geschätzt· Die Untersuchung kann z· B· durch Auszählen am .Mikroskop oder durch automatische Bildanalyse erfolgen.1 · A representative part of the populations is examined according to morphological features and each cell or cell group examined is assigned to a particular discrete feature class or a continuous feature distribution is estimated. The examination can be carried out, for example, by counting on a microscope or by automatic image analysis.
2. An einem repräsentativen Teil der Populationen werden an den einzelnen Zellen physikalische Eigenschaften, z. B* elektrische oder lichtoptische Eigenschaften, vermessen und daraus werden entsprechende Merkmalsverteilungen "bestimmt·2. In a representative part of the populations, physical properties, e.g. B * electrical or light-optical properties, measured and from this appropriate feature distributions "determined ·
3· Ein repräsentativer Teil der Populationen wird merkmalsspezifisch angefärbt und die einzelnen ZeIIeA.lichtoptisch in Extinktion oder Emission im Durchfluß vermessen und daraus werden die entsprechenden Merkmalsverteilungen bestimmt·3 · A representative part of the populations is stained for specific features and the individual cells are measured optically in absorbance or emission in the flow and from this the corresponding feature distributions are determined ·
Aus den Parametern der nach 1·, 2. und 3* bestimmten Verteilungen können alle zum Erreichen des Zieles der Erfindung wesentlichen Zustandseigenschaften der am Prozeß beteiligtenFrom the parameters of the distributions determined according to 1 ×, 2 × and 3 ×, all the state properties of the process involved in achieving the object of the invention can be used
" mikrobiellen Populationen bestimmt werden·."microbial populations are determined.
Die Kenntnis des Zustandes ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Prozesses, indem z. B. die Dosierung des Kohlenstoffund Energiesubstrates oder bestimmter Nährstoffe verändert wird· Auch eine gezielte Veränderung des Durchsatzes durch das Kultivierungsgefäß, der Temperatur, des'pHi-Wertes, der Belüftungsrate und anderer Parameter ist je nach der Art des Prozesses möglichThe knowledge of the state allows a targeted influencing of the process by z. The dosage of the carbon and energy substrate or specific nutrients is also changed. A specific change of the throughput through the culture vessel, the temperature, the pH, the aeration rate and other parameters is possible depending on the type of process
Besonders ist das Verfahren geeignet, die Prozeßführungsparameter während dynamischer Prozeßführungen (vgl- ζ. B. DD-WP 140150) zu bestimmenParticularly, the method is suitable (ζ vgl-. B. DD-WP 140150), the process control parameters during dynamic Prozeßfü hr to determine Ungen
Das Verfahren sei an folgenden Beispielen erläutert. The process is explained by the following examples.
In einem Rührkesselfermentor werden Hefen der Art Saccharomyces cerevisiae nach der Methode der Phasenkulturen gezüchtet (P, S. S. DAWSOlT, J. appl. Chem. Biotechnol, 22 (1972) 79)» Als Kohlenstoff- und Energiequelle diente Glucose in einer Konzentration von 30 g/l* Die Kährlösungszusaiiimensetzung wurde wie bei v. MEYEEBURG gewählt (H-K, τοη MEZESBtIRG, Arch, Mikrooiol. 66 (1969) 289)In a Rührkesselfermentor yeasts of the species Saccharomyces cerevisiae are grown by the method of phase cultures (P, SS DAWSOLT, J. appl. Chem. Biotechnol, 22 (1972) 79) »As the carbon and energy source was glucose in a concentration of 30 g / The diet supplement was made as in V. MEYEEBURG elected (HK, τοη MEZESBtIRG, Arch, Mikrooiol 66 (1969) 289)
Weitere !Fermentationsparameter waren: Further fermentation parameters were:
Temperatur 32 0GTemperature 32 0 G
Masseinhalt des Fermentors 10 kg pH-Wert · . 4,2Mass content of the fermentor 10 kg pH ·. 4.2
Die Zustandsverteilung wurde über den Proteingehalt der Einzelzellen geschätzt. Der Proteingehalt wurde zytometrisch bestimmt*The state distribution was estimated by the protein content of the single cells. The protein content was determined cytometrically *
Die Ethanol produzierende Subpopulation ist durch einen "peak" im Kanal 90 des Histogramms charakterisiert, die Subpopulation, die Ethanol als Substrat benutzt, durch einen "peak" im Kanal 30.The ethanol producing subpopulation is characterized by a "peak" in the channel 90 of the histogram, the subpopulation using ethanol as a substrate by a "peak" in the channel 30.
Die Sthanolproduktion kann somit anhand der zjtometrischen Messung gesteuert werden.The production of ethanol can thus be controlled by the ctometric measurement.
Im Beispiel wurde bei Erscheinen eines "peak" im Kanal 30 solange mit 50 l/kg»h "belüftet, "bis wieder eine einheitliche Population Torlag, Anschließend erfolgte der Austausch derIn the example, when a "peak" appeared in channel 30, it was ventilated with 50 l / kg »h" until a uniform population of peat lag again
Hälfte des Mediums. . ·Half of the medium. , ·
In einem Ruhrkesselfermentor wurde der Bakterienstamm E.coli K12 kontinuierlich bei einer Yerweilzeit von 1,5 h auf Glukose als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle mit dem Ziel der Gewinnung proteinreicher Zellsubstanz gezüchtet. Das lahrmedium enthielt pro liter:In a Ruhrkesselfermentor the bacterial strain E. coli K12 was grown continuously at a Yerweilzeit of 1.5 h on glucose as the only carbon and energy source with the aim of obtaining protein-rich cell substance. The medium contained per liter:
3000 mg .H als 4 250 mg K als K2GO-3000 mg .H as 4 250 mg K as K 2 GO
25 mg Mg als MgSO^25 mg Mg as MgSO4
250 mg P als H3PO4 (85250 mg P as H 3 PO 4 (85
40 g Glucose40 g of glucose
0,2 % Hefeextrakt0.2 % yeast extract
sowie Spurensalze in ausreichender Menge. Weitere Fermentationsparameter -waren:and trace salts in sufficient quantity. Other fermentation parameters were:
Temperatur 37 0CTemperature 37 ° C
Masseinhalt des Fermentors 10 kg pH-Wert 7,0Mass content of the fermenter 10 kg pH 7.0
Der Wachstumsprozeß wurde über die Glucosezufuhr limitiert. Die Hährmedienzufuhr wurde mittels einer Zustandsverteilung gesteuert, die a us..: zytometrischen Messungen des Proteingehaltes der einzelnen Zellen bestimmt wurde. Bei Erscheinen eines "peaks" im Kanal 25 des Histogrammes, der auf eine Vergrößerung der Anzahl proteinärmerer Zellen deutet, wurde die Eahrmedienzufuhr sprunghaft reduziert. Bei Verschwinden des "peaks" wurde die. Hährmedienzufuhr wieder sprunghaft erhöht.The growth process was limited by the glucose supply. The media supply was controlled by means of a state distribution determined by cytometric measurements of the protein content of the individual cells. When a "peak" appears in channel 25 of the histogram, which indicates an increase in the number of protein-poorer cells, the supply of medication was abruptly reduced. When the "peak" disappeared, the. Healing media supply increased again by leaps and bounds.
Durch diese gezielte Uahrmedienzufuhr konnte der Rohproteingehalt der Zellsubstanz von 70 % auf SO % erhöht und der spezifische Glucoseyerbrauch von 2,0 g/g BTS auf 1,8 g/g BTS gesenkt werden.Through this targeted Uahrmedienzufuhr the crude protein content of the cell substance was increased from 70 % to SO% and the specific Glucoseyerbrauch from 2.0 g / g BTS to 1.8 g / g BTS be lowered.
' Beispiel 3 '' Example 3 '
Der genetisch manipulierte Bakterienstamm Ξ. coil C 600 wurde auf Glucose aerob und semikontinuierlich mit dem Ziel der Ascorbinsäuregewinnung gezüchtet. Die Permentationsparameter ' waren die gleichen wie in Beispiel 2.The genetically manipulated bacterial strain Ξ. Coil C 600 was grown on glucose aerobically and semicontinuously with the aim of ascorbic acid recovery. The perforation parameters were the same as in Example 2.
Uach diskontinuierlicher Anzucht der Bakterien "bis zu einer Zellkonzentration von 20 g/l wurde die Hälfte des Fermentationsmediums aus dem Fermentor abgelassen und durch eine äquivalente Menge Mahrmedium ersetzt.After discontinuing the bacteria to a cell concentration of 20 g / l, half of the fermentation medium was drained from the fermentor and replaced with an equivalent amount of nutrient medium.
Heben den üblichen Fermentationsparametern wurde die Zellvolumenverteilung mit einem Coulter Counter bestimmt». Beim Auftreten nahezu gleichgroßer Sxtrema der Volumenverteilung wurde die Temperatur und/oder der pH-Wert des Fermentationsmediums einmalig oder mehrmalig kurzperiodisch verändert.Lifting the usual fermentation parameters, the cell volume distribution was determined with a Coulter Counter ». When almost equal sxtrema of the volume distribution occurred, the temperature and / or the pH of the fermentation medium was changed once or several times over a short period of time.
Bei Absinken der Ascorbinsäurebildungsrate.unter den maximalen Yfert wurde der Fermentorinhalt abgelassen und der Aufarbeitung zugeführt.When the ascorbic acid formation rate dropped below the maximum Yfert, the fermenter content was drained off and fed to the work-up.
Beispiel 4 ' Example 4 '
Der genetisch manipulierte Bakterienstamm E, coli C 600 wurde auf Glucose aerob und diskontinuierlich mit dem Ziel der Aseorbinsäuregewinnung gezüchtet» Die Permentationsparameter waren die gleichen wie in Beispiel 2» Mittels Immunofluoreszenzfärbung der Zellmembran wurde der genetisch manipulierte Stamm gegenüber dem Wildstamm diskriminiert. Die Population wurde mittels sytometrischer Durchflußanalyse analysiert. Die relative Häufigkeit des manipulierten Stammes wurde mittels der Populationsverteilung kontrolliert· Bei Auftreten eines großen Anteils des Wildstammes, wurde der Prozeß abgebrochen und neu angeimpft.The genetically manipulated bacterial strain E, coli C 600 was grown on glucose aerobically and discontinuously with the aim of obtaining aseorbic acid. The perforation parameters were the same as in Example 2. By means of immunofluorescent staining of the cell membrane, the genetically manipulated strain was discriminated against the wild strain. The population was analyzed by means of flow cytometric analysis. The relative abundance of the engineered strain was controlled by population distribution. If a large proportion of the wild strain appeared, the process was stopped and re-inoculated.
Der Hefestamm- Candida utilis wurde auf Glucose als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle aerob und kontinuierlich in einem 10 l-Fermentor bei einer Yerv/eilzeit von 4 h, einer Temperatur von 32 0C und einem pH-Wert des Permentationsmediums. von. 4»2 gezüchtet. Das wäßrige ITährsBlzmedium enthielt pro Liter Wasser:The Hefestamm- Candida utilis was on glucose as the sole carbon and energy source aerobically and continuously in a 10-liter fermentor at a Yerv / express time of 4 h, a temperature of 32 0 C and a pH value of Permentationsmediums. from. 4 »2 bred. The aqueous ITährsBlzmedium contained per liter of water:
2000 mg IT als IiH4Cl2000 mg IT as IiH 4 Cl
300 mg P als H3PO4 (85 %) 300 mg K als K2CO3 250 mg Mg als MgSO. .7H2O ; 40 g Glucose Spurenelementeverbindungen in ausreichender Menge.300 mg P as H 3 PO 4 (85 %) 300 mg K as K 2 CO 3 250 mg Mg as MgSO 4. .7H 2 O; 40 g of glucose trace element compounds in sufficient quantity.
Um die kontinuierliche Kultivierung nach dem Zustand der Population steuern zu können, wurde der Anteil sprossender Zellen an der Population mittels eines automatischen Scanners bestimmt. ¥/enn die Mehrzahl der Zellen im Einzelzeilzustand vorlag, wurde die liährstoffzufuhr verringert. Sie wurde erhöht, wenn der Anteil der sprossenden Zellen sprunghaft anstieg. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte der spezifische Glueοseverbrauch bei der Kultivierung verringert werden.In order to be able to control the continuous cultivation according to the state of the population, the proportion of sprouting cells in the population was determined by means of an automatic scanner. When the majority of the cells were in the single-cell state, the nutrient supply was reduced. It was increased when the proportion of budding cells increased dramatically. By applying the method according to the invention, the specific glucose consumption during cultivation could be reduced.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD24363082A DD210300A1 (en) | 1982-09-30 | 1982-09-30 | METHOD FOR CONTROLLING PROCESSES OF BIOTECHNICAL FABRIC CONVERSION |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD24363082A DD210300A1 (en) | 1982-09-30 | 1982-09-30 | METHOD FOR CONTROLLING PROCESSES OF BIOTECHNICAL FABRIC CONVERSION |
Publications (1)
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DD210300A1 true DD210300A1 (en) | 1984-06-06 |
Family
ID=5541492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DD24363082A DD210300A1 (en) | 1982-09-30 | 1982-09-30 | METHOD FOR CONTROLLING PROCESSES OF BIOTECHNICAL FABRIC CONVERSION |
Country Status (1)
Country | Link |
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DD (1) | DD210300A1 (en) |
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1982
- 1982-09-30 DD DD24363082A patent/DD210300A1/en not_active IP Right Cessation
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