DD220852A1

DD220852A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung der substratversorgung von fermentationsprozessen

Info

Publication number: DD220852A1
Application number: DD25964784A
Authority: DD
Inventors: Ernst Raasch; Falk Seifert; Rolf Poehler; Felix Lippold; Gerhard Petzold; Bodo Klinger; Joachim Bauch; Olga I Velikoslavinskaja; Stanislav W Kan; Lidija I Kozlova; Genadij I Mescankin; Elena G Grin; Wiktor S Kolodjaschni
Original assignee: Petrolchemisches Kombinat; Wnii Sintesbolok Moskau
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1985-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Steuerung von Fermentationsprozessen. Sie hat das Ziel, dass der Prozess in Abhaengigkeit von seinem aktuellen Zustand optimal mit Substrat versorgt wird. Das Wesen der Schaltungsanordnung besteht darin, dass aus den Informationen ueber die Biomassekonzentration im Fermentorablauf, die Ablaufmenge, die Substratkonzentration im Substratspeisestrom, die Substratrestkonzentration im Ablauf sowie ueber die Fermentorabluftmenge und die Sauerstoffkonzentration in der Fermentorabluft eine Korrektur fuer den Sollwert des Substratmengenreglers abgeleitet wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess durch eine Schaltungsanordnung von 4 Operatoren (2 Kalkulatoren, 1 Identifikator und 1 Determinator), 2 Messgeraeten (Fermentorabluft- und Fermentorablaufmenge), 4 Analysatoren (Substratkonzentration im Fermentorzulauf, Biomasse- und Substratkonzentration im Fermentorablauf, Sauerstoffkonzentration in der Fermentorabluft) sowie einem Mengenregler (Substratmenge) geloest. Die Verknuepfung der Operatoren, Messgeraete und Analysatoren ist mittels einer Zeichnung dargestellt. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen Steuerung des kontinuierlichen Aufzuchtprozesses von Mikroorganismen in einem Fermentor, die in der mikrobiologischen Industrie genutzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei beliebigen Fermentationsprozessen müssen für die wachsende mikrobielle Kultur bestimmte Milieubedingungen, z. B. Temperatur, pH-Wert, Nährstoffkonzentrationen, Konzentration der Kohlenstoffquelle, eingestellt werden, um ein in Hinsicht auf ein technisch ökonomisches Kriterium optimales Wachstum zu gewährleisten. Für die Gewährleistung optimaler Konzentrationen von Nährstoffen und Kohlenstoffquelle werden dem Stand der Technik entsprechend entweder die Komponenten nach vorgegebenen Rezepturen zudosiert und entsprechend den Ergebnissen von Laboranalysen der Zusammensetzung im Fermentor Korrekturen vorgenommen, oder es wird die Konzentration einzelner Komponenten mittels automatischer Analysengeräte gemessen und die Aufrechterhaltung der Sollkonzentration im Fermentor durch einschleifige Regelkreise realisiert.

Die Sauerstoffkonzentration "m der Abluft dient als Informationsparameter für den Aufbau einer Reihe von Systemen zur .· automatischen Steuerung des kontinuierlichen Aufzuchtprozesses von Mikroorganismen im Fermentor. Gemäß SU-Urheberschein Nr..412241 ist ein System zur automatischen Steuerung des kontinuierlichen Aufzuchtprozesses von Mikroorganismen bekannt, bei dem der Analysator des Gelöstsauerstoffes ein Block zur Bestimmung des Atmungskoeffizienten sowie die Analysatoren für die Kohlenstoffquelle in Fermentorzu- und -ablauf Eingänge eines Logikblockes sind. Der Ausgang des Logikblockes dient als Sollwertgeber für den Substratmengenregler. Dieses System kann eine optimale Substratzuführung in Abhängigkeit von der Sauerstoffübergangsgeschwindigkeit aus der Gas- in die Rüssigphase und zu den Zellen nicht gewährleisten, da weder die produzierte Biomassemenge noch der Luftdurchsatz durch den Fermentor berücksichtigt werden.

Gemäß WP C 12 N/237041 werden in Abhängigkeit vom Sauerstoff und CGyGehalt der Abluft die Sauerstoffübergangsgeschwindigkeit aus der Gas- in die Flüssigphase und der Atmungskoeffizient sowie das Verhältnis zwischen dem Sauerstoff der eintretenden Luft und dem Kohlenstoff des Nährmediums in definierten Grenzen eingestellt. Bei einer Prozeßführung nach diesem Verfahren wird eine Biomasse mit einem hohen Gehalt an essentiellen Aminosäuren erhalten. : Eine Ausnutzung der aktuellen Leistungsfähigkeit des biologischen Systems erfolgt jedoch nicht, da sowohl für die Sauerstoffübergangsgeschwindigkeit und den Atmungskoeffizienten als auch für das Verhältnis zwischen Sauerstoff- und Kohlenstoffzufuhr große Toleranzbereiche angegeben sind und keine Rückwirkung von der produzierten Menge auf die Substratdosierung erfolgt. Am ähnlichsten ist der Erfindung ein System zur automatischen Steuerung des < Kultivierungsprozesses von Mikroorganismen (SU-Urheberschein 483426) bei dem aus den Informationen über den Luftdurchsatz durch den Fermentor, die Sauerstoffkonzentration in der dem Fermentor zugeführten Luft und der Fermentorabluft sowie der Biomassekonzentration und der Konzentration des Zielproduktes im Fermentorablauf die zuzuführende Luftmenge und der optimale Energieeintrag (Rührerdrehzahl) bestimmt werden.

Dieses System gewährleistet ein Decken des Sauerstoffbedarfes des Fermentationsprozesses bei optimalem Energieeintrag. Eine für die Ausnutzung der aktuellen Leistungsfähigkeit des biologischen Systems optimale Substratzugabe wird hierdurch jedoch nicht realisiert.

Ziel der Erfindung ' .

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die es ermöglicht, den die Kohlenstoffquelle enthaltenden Stoffstrom so einzustellen, daß der Prozeß in Abhängigkeit vom Zustand der mikrobiologischen Kultur die für die Erreichung maximaler Produktion eines Zielproduktes erforderliche Menge der Kohlenstoffquelle (Substrat) erhält.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung von Steuereinrichtungen so zu-erstellen, daß die Zuführung der Kbhlenstoffquelle in Abhängigkeit vom Zustand der mikrobiologischen Kultur so gesteuert wird, daß die für die Erreichung maximaler Produktion eines Zielproduktes erforderliche Konzentration dieses Stoffes im Fermentor gewährleistet ist. Das Wesen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß aus den Informationen über die Sauerstoffkonzentration und Sauerstoffmenge in der Fermentorabluft sowie über die Biomassekonzentration im Fermentorablauf und die aus dem Fermentor abgegebene Menge an Biomassesuspension der Sollwert für den die Fermentorzulaufmenge der Kohlenstoffquelle bestimmenden Regler ermittelt wird und daß durch Ausnutzung der Informationen über die Konzentration der Kohlenstoffquelle im Fermentorzulauf und im Fermentorablauf der Ausnutzungsgrad der Kohlenstoffquelle auf ein gewünschtes Niveau eingestellt wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Steuerung des Bioreaktors gelöst, die aus dem Bioreaktor (Fermentor), 4 Operatoren (2 Kalkulatoren, 1 Identifikator, 1 Determinator), 4 Analysatoren (Substratkonzentration im Fermentorzulauf, Biomasse- und Substratkonzentration im Fermentorablauf, Sauerstoffkonzentration in der Fermentorabluft), 2 Mengenmessern (Abluftmenge und Menge der abgeführten Biomassesuspension) und einem Regler (Substratzulaufmenge) besteht.

Auf der Basis von prozeßspezifischen Zusammenhängen zwischen der Biomassemenge im Ferrrientorablauf und der Sauerstoffmenge in der Fermentorabluft wird durch einen Identifikator aus dem zeitlichen Verlauf dieser Größen der Prozeßzustand charakterisiert und durch einen Determinator wird der Sollwert für den Substratmengenregler bestimmt. Besteht für einen spezifischen mikrobiologischen Prozeß neben der Aufgabe, ein bestimmtes Zielprodukt herzustellen auch die Aufgabe, die Substratkonzentration im Ferrrientorablauf auf ein gewünschtes Niveau einzustellen, so werden die Informationen üb^ser den zeitlichen Verlauf der Substratzulauf- und -ablaufkonzentration durch den Identifikator in die Charakterisierung des Prozeßzustandes einbezogen und der Sollwert für den Substratmengenregler wird durch den Determinator so bestimmt, daß bei Erreichung einer maximal möglichen Bildung des gewünschten Produktes die Substratkonzentration im Ferrrientorablauf auf dem vorgegebenen Niveau liegt. '

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an nachstehendem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Figur 1 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. (

Beispiel .

Der Identifikator 10 erhält über die Signalleitungen 16und 17 vonden Analysatoren 2 und 3, diemitder Substratzuführungsieitung bzw. mit der Fermentorablaufleitung verbunden sind, die Informationen über die Konzentration der Kohlenstoffquelle in diesen Stoffströmen?

Aus den über die Signalleituhg 18 vom Analysator 4 und über die Signalleitung 19vom Mengenmeßgerät 5 übergebenen Informationen über die Biomassekorizentration im Fermentorablauf sowie der aus dem Fermentor 1 abgeführten Suspensionsmenge wird durch den Kalkulator 8 die erzeugte Biomassemenge ermittelt. Aus den über die Signalleitung 20 vom Analysator 6 und über die Signalleitung 21 vom Mengenmeßgerät 7 übergebenen Informationen über die Sauerstoffkonzentration in der Fermentorabluft und über die Fermentorabluftmenge wird durch den Kalkulator 9 die in der Fermentorabluft befindliche Sauerstoffmenge ermittelt. Der Identifikator 10 erhält über die Signalleitung 22 vom Kalkulator 8 die Information über die erzeugte Biomassemenge sowie über die Signalleitung 23 vom Kalkulator 9 die Information über die Sauerstoffmenge in der Fermentorabluft. ^ ι .

Der Identifikator übergibt über die Signalleitung 24 an den Determinator 11 die Informationen über den aktuellen Prozeßz'ustand. Voni Determinator wird dem Regler 12 über die Signalleitung 25 der Sollwert für die Substratririenge übergeben, Der Regjer 12 gewährleistet die Substratzufuhr über die Fermentorzulaufleitung 13.

Claims

-2- 259 647 Erfindungsansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung der optimalen Rohstoffversorgung von Fermentationspiwessen, gekennzeichnet dadurch, daß einem Analysengerät zur Bestimmung der Biomässekonzentration im Fermentorablauf (4) und einem Meligeuit· zur Bestimmung der Fermentorablaufmenge (5) ein Kalkulator (8) nachgeschaltet ist und einem Analysengerät zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in der Fermentorabluft (6) und einem Meßgerät zur Bestimmung der Fermentorabluftmenge (7) ein Kalkulator (9) nachgeschaltet ist und die Kalkulatoren (8) und (9) einem Identifikator (10) vorgeschaltet sind und ein dem Identifikator (10) nachgeschalteter Determinator (11) einem, der Einstellung der Substratmenge dienenden Regler (12) vorgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Analysengerät zur Bestimmung der Konzentration der Kohlenstoffquelle in der Substratzuführung (2) und ein Analysengerät zur Bestimmung der Konzentration der Kohlenstoffquelle im Fermentorabiauf (3) dem Identifikator (10) vorgeschaltet sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen <