DD269861A1

DD269861A1 - DEVICE FOR REGULATING THE OXYGEN PARTIAL PRESSURE IN FERMENTORS

Info

Publication number: DD269861A1
Application number: DD31189787A
Authority: DD
Inventors: Hans-Helmut Grosse; Matthias Hilliger; Ernst-Joachim Bormann
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1987-12-31
Filing date: 1987-12-31
Publication date: 1989-07-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des pO2-Werts in biologischen Fermentationsprozessen, insbesondere mit dem Ziel der Vermeidung unphysiologischer pO2-Werte (pO2-Limitation) in der Kulturloesung. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, die pO2-Regelung durch interne Anpassung der O2-Aufnahme einer biologischen Kultur an den gegebenen O2-Eintrag des Fermentors so durchzufuehren, dass die Tolerierung von Substratueberschuessen bzw. die Einsparung von energieeintragssteigernden technischen Massnahmen gewaehrleistet wird. Erfindungsgemaess wird dies dadurch erreicht, dass ein Koppler, bestehend aus pO2-p H-Uebertrager, Erfassungseinheit DpO2/Dt, p H-Festsollwertgeber und Drehzahlverstellung, das Zusammenwirken von pO2-Regler und p H-Regler bzw. von pO2-Regler und Drehzahl-Regler insbesondere gemaess einer direkten oder invertierenden Uebertragercharakteristik und der Stellgliedansteuerungen (Laugepumpe, Saeurepumpe, Ruehrermotor) uebernimmt. Dabei verursacht die biologische Kultur durch das im Koppler vorliegende automatische Selbstkopplungsprinzip der Zustandsgroessen pO2-Wert und p H-Wert der Kulturloesung die Verschiebung des p H-Werts entsprechend des aktuellen pO2-Werts und bewirkt somit die Herstellung der O2-Balance durch die eigenverursachte Aenderung des p H-Milieus.The invention relates to a device for controlling the pO 2 value in biological fermentation processes, in particular with the aim of avoiding unphysiological pO 2 values (pO 2 limitation) in the culture solution. It is the object of the pO2 control by internal adaptation of the O2 uptake of a biological culture to the given O2 entry of the fermentor in such a way that the tolerance of substrate excesses or the saving of energy input increasing technical measures is guaranteed. According to the invention this is achieved in that a coupler consisting of pO2-p H-transformer, detection unit DpO2 / Dt, p H-fixed setpoint and speed adjustment, the interaction of pO2 controller and p H controller or of pO2 controller and speed Controller in particular according to a direct or inverting Uebertragercharakteristik and the actuator controls (lye pump, Saeurepumpe, Ruehrermotor) takes over. The biological culture caused by the present in the coupler automatic self-coupling principle of the state variables pO2 value and p H value of the culture solution, the shift of the p H value corresponding to the current pO2 value and thus causes the production of the O2 balance by the self-induced change of the p H environment.

Description

Hierzu 4 Seiten ZeichnungenFor this 4 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes (pO₂-Wert) in Fermentoren bei aeroben Kultivierungen von Mikroorganismen, Zellen usw. Da die O₂-Versorgung essentielle Bedeutung für das Verhalten natürlich vorkommender bzw. selektierter oder genetisch manipulierter biotechnologisch eingesetzter Mikroorganismen hat, liegt das Anwendungsgebiet der Erfindung in der biotechnologischen Industrie bzw. in der technischen Mikrobiologie.The invention relates to a device for controlling the oxygen partial pressure (pO ₂ value) in fermentors in aerobic cultivations of microorganisms, cells, etc. Since the O ₂ supply essential importance for the behavior of naturally occurring or selected or genetically manipulated biotechnologically employed microorganisms has the field of application of the invention in the biotechnology industry or in the technical microbiology.

Characteristic of the known state of the art

Die physiologisch angemessene Versorgung aerob fermentierter biologischer Kulturen mit dem Substrat O₂ ist Voraussetzung für die effektive Umsetzung anderer essentieller Substrate (C-, N-, P-Quellen, Spurenelemente) in aktive Biomesse (Review:The physiologically appropriate supply of aerobic fermented biological cultures with the substrate O ₂ is a prerequisite for the effective implementation of other essential substrates (C, N, P sources, trace elements) in active biomesse (Review:

BUCKLAND, B.C.: The translation of scale in fermentation processes: The impact of computer process control, BIO/ TECHNOLOGY, 1984, Heft 10).BUCKLAND, B.C .: The translation of scale in fermentation processes: The impact of computer process control, BIO / TECHNOLOGY, 1984, number 10).

OrLifPitötionsfreiheit im Sinne einer nicht prozeßeinschränkenden O₂-Versorgung liegt u.a. vor, solange der pO₂-Wert der Kulturlösung den kritischen pO₂-Wert des verwendeten Fermentationsorganismus nicht unterschreitet (MOSER, A.:OrLifPitötionsfreiheit in terms of a non-process-limiting O ₂ supply is, inter alia, as long as the pO ₂ value of the culture solution does not fall below the critical pO ₂ value of the fermentation organism used (MOSER, A .:

Bioprozeßtechnik-Berechnungsgrundlagen der Reaktionstechnik biokatalytischer Prozesse, Springer-Verlag, Wien, 1981,Bioprozesstechnik-Computational Bases of the Reaction Technique of Biocatalytic Processes, Springer-Verlag, Vienna, 1981,

Nach dem Stand der Technik werden folgende physikalisch-reaktortechnische Steuer- bzw. Stellgrößen einzeln oder kombiniert benutzt, um die pO₂-Sollwertregelung oberhalb des kritischen pO₂-Werts durchzuführen:According to the prior art, the following physical-reactor-related control or manipulated variables are used individually or in combination in order to carry out the pO ₂ setpoint control above the critical pO ₂ value:

— Erhöhung der Umwälzungsgeschwindigkeit der Kulturlösung (z. B. Drehzahlerhöhu.ig),Increasing the circulation rate of the culture solution (eg speed increase),

— Erhöhung des Zuluft-Volumenstroms bzw. Beimischung von reinem O₂,- Increase of the supply air volume flow or admixture of pure O ₂ ,

— Temperaturerniedrigung,Temperature decrease,

— Erhöhung des Fermentor-Innendrucks,'- Increase of fermenter internal pressure, '

— Verdünnung der Kulturlösung mit sterilem Wasser.- Dilution of the culture solution with sterile water.

Zu den substanzseitigen Steuer- bzw. Stellgrößen gehörenTo the substance-side control or manipulated variables belong

— die Zugabe von 0₂-reichen chemischen Verbindungen,The addition of O ₂ -rich chemical compounds,

— die limitierte Zudosierung externer Substrate,- the limited addition of external substrates,

— die Menge des frischen Austauschmediums in Abstimmung mit der Zyklusdauer bei zyklischen Fermentationen. Die Realisierung dieser physikalisch-reaktortechnischen Maßnahmen zur Ermöglichung der effektiven Umsetzung von deponierten Substraten beinhaltet als Nachteile- The amount of fresh exchange medium in coordination with the cycle time in cyclic fermentations. The realization of these physical-reactor-technical measures to enable the effective implementation of deposited substrates involves disadvantages

— den erhöhten Bedarf an elektrischer Leistung bzw. von Kühlwasser,The increased need for electrical power or cooling water,

— den Bedarf an peripherer (kontaminationssicherer) Geräte- und Stelltechnik oder im Extremfall- the need for peripheral (contamination-proof) device and control technology or in extreme cases

— eine aufwendige konstruktive Umgestaltung der Fermentoren mit einem ausreichenden Variabilitätsbereich der für den O₂-Eintrag wichtigen Reaktorbetriebsparameter.- A complex constructive redesign of the fermentors with a sufficient variability range of important for O ₂ entry reactor operating parameters.

Bezüglich der substanzreichen Steuer- bzw. Stellgrößen sind die wechselnde Chargenqualität industrieller ß jbstrate, der extensive Aufwand zur Realisierung reproduzierbarer Substratdosierungsstrategien usw. nachteilig.With regard to the substance-rich control variables, the changing batch quality of industrial substrates, the extensive expense for implementing reproducible substrate dosing strategies, etc. are disadvantageous.

Als Instrumentierung von Fermentoren sind Meß· und Regelvorrichtungen für die Zustandsgrößen Temperatur, pH-Wert, pOrWert, Schaum, Druck usw. in Verbindung mit den Stellgliedern für die Rührerdrehzahl (Motor), den Förderstrom im Außenkreislauf (Pumpe), den Zuluft-Volumenstrom (Kompressor), den O₂-Anteil der Zuluft (Mischer), Korrekturmittel (Pumpen für Säure, Lauge, Entschäumer) Stand der Technik (PRAEVE, P. und Mitautoren: Handbuch der Biotechnologie, Oldennourg-Verlag Münche i/Wien, 1984,173-212).As an instrumentation of fermentors are measuring and control devices for the state variables temperature, pH, pOrWert, foam, pressure, etc. in conjunction with the actuators for the stirrer speed (motor), the flow in the outer circuit (pump), the supply air flow rate ( Compressor), the O ₂ content of the supply air (mixer), correction means (pumps for acid, lye, defoamer) State of the Art (PRAEVE, P. and co-authors: Handbook of Biotechnology, Oldennourg-Verlag Münche i / Vienna, 1984, 173 -212).

Bisher sind über die Anwendung spezieller Ferrnentations-Prozeßtypen hinaus nur Vorrichtungen zur Regelung des pO₂-Wertes bekannt, die die Verbesserung des (^-Eintrages von Fermentore.n kausal durch die energieaufwendige Extensivierung physikalisch-technischer Maßnahmen erzwingen (US-Patent 4468155). Dabei geht die Entwicklung bis zur Abarbeitung kaskadenartig gestaffelter Parametererhöhungen als gewichtige Stellmaßnahmen der pO₂ Sollwertregelung.So far, only devices for controlling the pO ₂ value are known beyond the application of special types of ferrnentation process, which causally force the improvement of the (-) input of fermentors through the energy-intensive extensification of physical-technical measures (US Pat. No. 4,468,155). The development up to the processing of cascaded staggered parameter increases goes as important control measures of the pO ₂ setpoint control.

Object of the invention

Die Erfindung beinhaltet das Ziel, während aerober Fermentationen u. a. mit hohen Biomassen in den Fermentoren eine Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes zu realisieren.The invention includes the goal, during aerobic fermentations u. a. to realize a regulation of the oxygen partial pressure with high biomass in the fermentors.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabt zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung des Sauerstoff-Partialdruckes in Fermentoren anzugeben, die die Tolerierung won relativen Überschüssen anderer Substrate bzw. die Absenkung der Werte physikalischtechnischer Fermentor-Betriebsparameter und damit Energie- und Kosteneinsparungen ohne Eintreten einer O₂-Limitation erlaubt.The invention is based on the object of specifying a device for controlling the partial pressure of oxygen in fermentors, which tolerates the relative surplus of other substrates or the lowering of the values of physical-technical fermenter operating parameters and thus energy and cost savings without the occurrence of an O ₂ imitation allowed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die nach an sich bekannten Prinzipien arbeitenden pO₂-Regler 11, pH-Regler 6 und Drehzahlregler (anstelle dessen auch Zuluft-Regler oder Druck-Regler) durch einen übergeordneten Koppler 1 erweitert und hierarchisch zugeoidnet werden. Der pH-Regler β und der Drehzahlregler 4 besitzen über die üblichen Ein- und Ausgänge hinaus einen zusätzlichen elektronischen Eingang für den Start der Betriebsart externe Sollwertvorgabe. Der pH-Regler 6 und der Drehzahl-Regler 4 steuern die Säurepumpe 8, die Laugenpumpe 9 bzw. den Rührerantriebsmotor 12 des Fermentors 13, der die Kulturlösung 14 enthält.According to the invention, this object is achieved in that the operating according to known principles pO ₂ controller 11, pH controller 6 and speed controller (instead also supply air controller or pressure controller) are extended by a parent coupler 1 and hierarchically zugeoidnet. The pH controller β and the speed controller 4 have over the usual inputs and outputs also an additional electronic input for the start of the mode external setpoint input. The pH regulator 6 and the speed regulator 4 control the acid pump 8, the drain pump 9 and the stirrer drive motor 12 of the fermentor 13, which contains the culture solution 14.

Der Koppler 1 umfaßt den Übertrager 15, die Erfassungseinheit ApO₂Mt 16, die Drehzahleinstellungg 17 und den pH-Festsollwertgeber 18 als funktioneile Elemente. Der Übertrager 15 realisiert die pH-Sollwertführung in Ableitung vom pO₂-Wert entsprechend der direkten oder invertierenden Charakteristik (Figur 3a und 3b). Die Funktion der Vorrichtung ist dadurch charakteri&i«"*., daß der Übertrager 15 dem aktuell in der Kulturlösung gemessenen pO₂-Wert nach Absinken desselben unter den am pO₂-Reglor 11 vorgewählten Schwellwert S1 einen aktuellen pH-Sollwert zuor dnet und diesen dem pH-Regler 6 in Form des elektrischen Eingangssignals in der Betriebsart externe Sollwertvorgabe vorschreibt. Der pH-Regler 6 steuert in an sich bekannter Weise die Korrekturmittel-Stellglieder Laugenpumpe 9 und Säurepumpe 8 und bewirkt die Anpassung des aktuellen pH-Wertes der Kulturlösung 14 im Fermenter 13 an den vom pO₂-Wert und die Übertragungscharakteristik vorgegebenen aktuellen pH-Sollwert. Somit verursacht der Abfall des pO₂-Wertes untsrhalb des Schwellwertes S Ί infolge wachstumbedingter Zunahme des (^-Verbrauches der biologischen Kultur eine dieselbe vermindernde definierte Absenkung bzw. Anhobung des pH-Wertes der Kulturlösung 14 (Selbstkopplung) im Anschluß an die Phase des pH-Freilaufs, die durch pO₂-Werte größer als S1 gekennzeichnet ist. Auf die beschriebene Weise verursacht der Koppler 1 mittels kulturspezifische selbstgekoppelter pH-Verschiebung ohne Erhöhung der Rührerdrehzahl, des Zuluft-Volumenstroms oder des Fermenterinnendrucks, daß der pO₂-Wert das stationäre Minimum als Ausdruck der mit dem erreichten pH-Wert verbundenen Balance zwischen festem O₂-Eintrag des Fermentors und Ölverbrauch der wachsenden Kultur annimmt. Die Übertragungscharakteristik wird so vorgegeben, daß das pO₂-Minimum größer als der kulturspezifische kritische pO₂-Wert ist.The coupler 1 comprises the transformer 15, the detection unit ApO ₂ Mt 16, the speed setting g 17 and the pH fixed setpoint generator 18 as functional elements. The transformer 15 implements the pH setpoint control in derivation from the pO ₂ value corresponding to the direct or inverting characteristic (FIGS. 3 a and 3 b). The function of the device is characterized by the fact that the transmitter 15 assigns a current pH desired value to the pO ₂ value currently measured in the culture solution after it has dropped below the threshold value S 1 preselected on the pO ₂ regulator 11, and the latter pH regulator 6 controls in the manner of the electrical input signal in the operating mode external setpoint specification The pH regulator 6 controls in known manner the correction means actuators lye pump 9 and acid pump 8 and causes the adjustment of the current pH of the culture solution 14 in the fermenter 13 to the ₂ value and the transfer characteristic given by the pO current pH target value. Thus, the decrease of the pO caused ₂ value untsrhalb the threshold value S Ί due to growth-related increase in the (^ -Verbrauches of the biological culture is a same-reducing defined reduction or Anhobung the pH of the culture solution 14 (self-coupling) following the phase of the pH freewheel, the dur ch pO ₂ values greater than S1 is indicated. In the manner described causes the coupler 1 by means of culture-specific self-coupled pH shift without increasing the stirrer speed, the supply air flow or the internal fermenter pressure that the pO ₂ value of the stationary minimum as an expression of the pH reached with the associated balance between solid O. ₂ entry of the fermenter and oil consumption of the growing culture adopts. The transfer characteristic is set so that the pO ₂ minimum is greater than the culture-specific critical pO ₂ value.

Die Vorrichtung kann in einer anderen Variante der Erfindung auch so ausgeführt werden, daß anstelle der Regler 11,6 und 4 die zugehörigen Meßverstärker (pO₂-Meßverstärker 10, pH-Meßverstärker 7 und Drehzahlmeßverstärker 5) mit einem übergeordnetem Prozeßinterface 3 sowie einem Rechner 2 verbünde· werden.The device can also be carried out in another variant of the invention so that instead of the controller 11,6 and 4, the associated measuring amplifier (PO ₂ -Meßverstärker 10, pH measuring amplifier 7 and Drehzahlmeßverstärker 5) with a higher-level process interface 3 and a computer. 2 be united.

Überraschenderweise wird die Aktivität der Biomasse durch die eigenverursachte Verschlechterung ihrer O₂-Aufnahme nicht negativ, wie z. B. in Form des Wachstumsstops, beeinflußt. Die Stationarität des Wachstums tritt erst mit der Limitation anderer Substrate ein.Surprisingly, the activity of the biomass by the self-induced deterioration of their O ₂ uptake is not negative, such. B. in the form of growth stops, influenced. The stationarity of growth occurs only with the limitation of other substrates.

Die Erfassungseinheit ApO₂Mt gibt nach Erreichen des Wertes ApO₂Mt = O die in der Koppler-Untereinheit pH-Festsollwertgeber 18 vorgewählte und gespeicherte pH-Schwelle frei. Die pH-Schwelle wird als fester Sollwert der weiteren pH-Regelung aktiviert, wenn der pO₂-abhängige aktuelle pH-Wert durch den Übertrager 15 infolge pO₂-Anstiegs diesselbe oder das zusammen mit ihr vorgewählte Toleranzintervall erreicht. Damit endet die Funktion des Übertragers 15. Mit der Aktivierung des festen pH-Sollwertes wird die Betriebsart externe Sollwertvorgabe des Drehzahl-Reglers 4 (bzw. des Zuluft- oder Druckreglers gestartet und die Koppler-Untereinheit Drehzahleinstellung 17 übernimmt die Sollwertvorgabe, beginnend mit der bislang schon realisierten Drehzahl und endend bei dor Minimaldrehzahl, die der pO₂-Sollwertregelung an der vorgewählten Schwelle S 2 des pO₂-Reglers 11 entspricht. Somit steht die Drehzahlerhöhung (bzw. die Vergrößerung des Zuluft-Volumenstroms oder die Druckerhöhung) als Absicherungsmaßnahme auch in der Phase der pO₂-Regelung über die pH-Verschiebung zur Verfügung. Grundsätzlich hat jedoch die regulativ begründete Sollwertregelung über die pH-Wert-Verschiebung den Vorrang vor der Verbesserung des O₂-Eintrags des Fermentors 13 durch Intensivierung der Durchmischung usw.After reaching the value ApO ₂ Mt = O, the detection unit ApO ₂ Mt releases the pH threshold preselected and stored in the coupler subunit pH fixed setpoint generator 18. The pH threshold is activated as a fixed setpoint of the further pH control if the pO _2- dependent current pH value reaches the same or the pre-selected tolerance interval by the transmitter 15 as a result of a rise in pO ₂ . This ends the function of the transformer 15. With the activation of the fixed pH setpoint, the external setpoint input mode of the speed controller 4 (or of the supply air or pressure controller is started and the coupler subunit speed setting 17 adopts the setpoint input, starting with the previous one already realized speed and ending at the minimum speed, which corresponds to the pO ₂ setpoint control at the preselected threshold S 2 of the pO ₂ controller 11. Thus, the speed increase (or the increase of the supply air volume flow or the pressure increase) as a safeguard is also in the phase of the pO ₂ control over the pH shift are available. However, in principle the regulatory established setpoint control has the pH-shift takes precedence over the improvement of the O ₂ -Eintrags of the fermentor 13 through intensification of mixing, etc.

The inventive solution has the following advantages:

Durch die Entwicklung der vorlegenden Vorrichtung ist die Ablösung technisch-apparativer Regelungen unter Benutzung mehrerer Stellgrößen (Kaskadenregelung) zur Vermeidung der O₂-Limitation gegeben. Damit ist bei vorhandener Fermentorkonfiguration und üblicher Peripherie die Durchführung von Hochleistungsfermentationen ohne weitere Kosten für Energie, Kühlwasser usw. gewährleistet. Als zusätzlicher Vorteil wird gesehen, daß die Potenz zur Einbeziehung weiterer Maßnahmen zur pO₂-Sollwertregelung voll erhalten bleibt.Due to the development of the presenting device, the replacement of technical-technical regulations using several manipulated variables (cascade control) to avoid the O ₂ imitation is given. Thus, the implementation of high-performance fermentations is guaranteed at no charge for energy, cooling water, etc. in existing fermenter configuration and conventional peripherals. As an additional advantage, it is seen that the power to incorporate further pO ₂ setpoint control measures is fully maintained.

Exemplary embodiments

Die Erfindung soll durch folgende Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained by the following embodiments with reference to drawings. Show it:

Fig. 1: den Gesamtaufbau der VorrichtungFig. 1: the overall structure of the device

Fig. 2: den Aufbau des KopplersFig. 2: the structure of the coupler

Fig. 3a: die Charakteristik des direkten ÜbertragersFig. 3a: the characteristic of the direct transformer

Fig. 3b: die Charakteristik des invertierenden Übertragers.Fig. 3b: the characteristic of the inverting transformer.

Example 1:

Gemäß Figur 1 besteht die Vorrichtung aus den.KoppleM.derdie Instrumentierung des Fermentors 13 bezüglich pO₂ Regler 11, pH-Regler 6 und Drehzahl-Regler 4 verknüpft bzw, hierarchisch ordnet. Die jeweiligen Regler sind dem pOj-Meßverstärker 10, dem pH-Meßverstärker 7 und dem Drehzahl-Meßverstärker 5 nachgeordnet. Sie verarbeiten die elektronisch aufbereiteten Meßsignale, deren Pegel OV bis 10V bzw. O mA bis 20 mA beträgt. Der pH-Regler 6 kontrolliert über diskrete oder kontinuierliche Ausgänge die Säurepumpe 8 und die Laugenpumpe 9 zur Einstellung des pH-Wertes der Kulturlösung 14. Der Diehzahlragler 4 schreibt dem Rührer-Antriebsmotor 12 die Drehzahl vor. Der Koppler 1 besteht gemäß Figur 2 aus dem Übertrager 15, der Erfassungseinheit ApO₂/At 16, der Drehzahleinstellung 17 und dem pH-Festsollwertgeber 18. Dabei hat der Übertrager 15 entsprechend Figur 3a und 3b entwedor eine direkte oder eine invertierende Charakteristik.According to FIG. 1, the device consists of the coupling element which links the instrumentation of the fermenter 13 with respect to the pO ₂ controller 11, the pH controller 6 and the speed controller 4, or arranges them hierarchically. The respective controllers are the PoJ measuring amplifier 10, the pH measuring amplifier 7 and the speed measuring amplifier 5 downstream. They process the electronically processed measuring signals whose level is OV up to 10V or O mA up to 20 mA. The pH regulator 6 controls the acid pump 8 and the drain pump 9 to adjust the pH of the culture solution 14 via discrete or continuous outputs. The die-roll carrier 4 prescribes the speed to the stirrer drive motor 12. According to FIG. 2, the coupler 1 consists of the transformer 15, the detection unit ApO ₂ / At 16, the speed setting 17 and the pH fixed setpoint generator 18. The transformer 15 has a direct or an inverting characteristic as shown in FIGS.

Die Erfassungseinheit ApO₂/At 16 ist als Differenzierer mit Grenzwertmeldung bei variabel wählbarem Grenzwert für (ApO₂Mt) aufgebaut. Die Triggerung des pH-Festsollwertgebers 18 erfolgt durch einen Komparator mit variabler Hysterese. Der Bereich für den einzustellenden festen pH-Sollwert liegt zwischen pH = 4,0 und pH = 8,0; die Hysterese beträgt maximal ΔρΗ = 0,8. Die Drehzahleinstellung 17 ist als motorgekoppeltes Potentiometer ausgeführt, wobei dessen Motor vom pO₂-Regler 11 angesteuert wird und der Spannungswert des Potentiometers dem Drehzahl-Regler 4 den externen Sollwert vorgibt. Die direkte Charakteristik des Übertragers 15 entsteht im einfachsten Fall durch Zuleitung des Ausgangssignals des pO₂-Meßverstärkers 10 zum Eingang für die externe Sollwertvorgabe des pH-Reglers 6. Dabei ist der Eingang für den Pegel OV bis 10V bzw. OmA bis 20 mA ausgelegt. Als Modifikation dieser direkten Einspeisung des pO₂-Signals zur Vorgabe des pH-Soüwerts tritt die Addition oder Subtraktion einer konstanten oder variablen Spannung bzw. eines konstanten oder variablen Stroms zum bzw. vom Ausgangssignal des pO₂Meßverstärkers 10 hinzu. Die Variation des addierten oder subtrahierten Pegels im Dereich OV bis 5V bzw. OmA bis 10 mA entspricht der vorgewählten Variationsbreite des pO₂-Wert für die pH-Wert-Änderung. Alternativ zur direkten Charakteristik wird die invertierende Charakteristik des Übertragers 15 durch einen mitwählbarer Verstärkung arbeitenden Inverter für das Ausgangssignal des pO₂-Meßverstärkers 10 erzeugt. Im bevorzugten Fall erfolgt die Inversion mittels Subtrahierer, indem das Eingangssignal der externen Sollwertvorgabe des pH-Reglers 6 durch Subtraktion des aktuellen Ausgangssignals des pO₂-Meßverstärkers 10 vom Maximalpegel 10V bzw. 2OmA gebildat wird Der funktionell Ablauf der Vorrichtung beginnt, wenn der pO₂-Wert der Kulturlösung 14 die am pO₂-Regler 11 vorgewählte Schwelle S1 unterschreitet. Vorher befindet sich die Fermentation im pH-Freilauf. Das Ausgangssignal des pO₂- Reglers 11 zur Meldung derGrenzwertunterschreitung pO₂-Wert S. 1 startet mittels Relaisumschaltung den Übertrager 15, der entsprechend seiner beiden Charakteristika die pO₂-abhängige Einstellung des pH-Wertes der Kulturlösung 14 durch Vorgabe des pH-Sollwerts in Abhängigkeit vom anfallenden pO₂-Signal bewirkt. Gleichlaufend ermittelt die Erfassungseinheit ApO₂MtI 6 die Änderung des pO₂-Werts und startet nach Erreichen der Stationarität (pO₂-Minimum) des pH-Festsollwertgeber 18, womit dessen vorgewählte pH-Schwelle sowie deren Toleranzintervall freigegeben werden. Der pH-Festsollwertgeber 18 stoppt die Funktion des Übertragers 15, wenn der pH-Wert der Kulturlösung 14 dessen vorgewählte pH-Schwelle bzw. das mit ihr vorgegebene Toleranzintervall erreicht.The detection unit ApO ₂ / At 16 is constructed as a differentiator with limit value message at variably selectable limit value for (ApO ₂ Mt). The triggering of the pH fixed setpoint generator 18 is effected by a comparator with variable hysteresis. The range for the fixed pH setpoint to be set is between pH = 4.0 and pH = 8.0; the hysteresis is maximum ΔρΗ = 0.8. The speed setting 17 is designed as a motor-coupled potentiometer, wherein the motor is controlled by the pO ₂ controller 11 and the voltage value of the potentiometer the speed controller 4 sets the external setpoint. The direct characteristic of the transformer 15 is formed in the simplest case by supplying the output signal of the pO ₂ -Meßverstärkers 10 to the input for the external setpoint input of the pH controller 6. The input for the level OV to 10V or OmA is designed to 20 mA. As a modification of this direct injection of the pO ₂ signal to specify the pH Soüwerts the addition or subtraction of a constant or variable voltage or a constant or variable current to or from the output of the pO ₂ measuring amplifier 10 is added. The variation of the added or subtracted level in the range OV to 5V or OmA to 10 mA corresponds to the preselected variation range of the pO ₂ value for the pH change. As an alternative to direct characteristics, the inverting characteristic of the transformer 15 is generated by a selectable gain inverter for the output of the pO ₂ sense amplifier 10. In the preferred case, the inversion takes place by means of a subtractor, in that the input signal of the external setpoint input of the pH controller 6 is formed by subtracting the current output signal of the pO ₂ measuring amplifier 10 from the maximum level 10V or 2OmA. The functional sequence of the apparatus starts when the pO ₂ Value of the culture solution 14 is below the threshold S1 selected at the pO ₂ controller 11. Before, the fermentation is in the pH freewheel. The output signal of the pO ₂ controller 11 for reporting the limit value underflow pO ₂ value S. 1 starts by means of relay switching the transformer 15, the pO _2- dependent adjustment of the pH of the culture solution 14 by default of the pH setpoint in accordance with its two characteristics Dependent on the resulting pO ₂ signal causes. Simultaneously, the detection unit ApO ₂ MtI 6 determines the change in the pO ₂ value and starts after reaching the stationarity (pO ₂ minimum) of the fixed pH setpoint generator 18, whereby its preselected pH threshold and its tolerance interval are released. The pH fixed setpoint generator 18 stops the function of the transformer 15 when the pH of the culture solution 14 reaches its preselected pH threshold or the tolerance interval predetermined with it.

Gleichzeitig startet er die Drehzahlregelung im Zusammenwirken zwischen pO₂-Regler 11 (an eier Schwelle S 2) und der Drehzahleinstellung 17. Dabei ergibt sich eine im Vergleich zur Startdrehzahl erniedrigte Drehzahl, die der Führung der Fermentation bei pO₂ = S2 entspricht. Wird der Wert pO₂ = S2 während der pO₂-Regslung durch pH-Verstellung erreicht, erfolpt analog dazu die Drehzahlerhöhung als Absicherungsmaßnahme bei unveränderter Priorität der Stellmaßnahme pH-Verschiebung durch den Übertrager 15.At the same time it starts the speed control in cooperation between pO ₂ controller 11 (at eggs threshold S 2) and the speed setting 17. This results in a lower speed compared to the starting speed, which corresponds to the leadership of the fermentation at pO ₂ = S2. If the value pO ₂ = S2 is reached during the pO ₂ control by pH adjustment, the speed increase takes place similarly as a safeguarding measure with unchanged priority of the corrective action pH displacement by the transmitter 15.

Example 2:

Gemäß Figur 1 gehen die Signale des pO₂-Meßverstärkers 10, pH-Meßverstärkers 7 und Drehzahl-Meßverstärkers 5 über das serielle Prozeßinterface 3 zum Rechner 2, der die hierarchische Verknüpfung der Regler (pO₂-Regler 11, pH-Regler 6 und Drehzahl-Regler 4) enthält sowie deren Funktion realisiert und die Stellglieder Säurepumpe 8, Laugenpumpe 9 und Rührer-Antriebsmotor 12 aktiviert.According to Figure 1, the signals of the pO ₂ -Meßverstärkers 10, pH measuring amplifier 7 and speed measuring amplifier 5 via the serial process interface 3 to the computer 2, the hierarchical linkage of the controller (pO ₂ controller 11, pH controller 6 and speed Controller 4) contains and realizes their function and activates the actuators acid pump 8, drain pump 9 and stirrer drive motor 12.

Claims

1. A device for controlling the partial pressure of oxygen in fermentors, characterized by the hierarchical Zusammofassung of pO ₂ controller (11), pH controller (6) and speed controller (4) by the transformer (15), detection unit ApO _second Mt (16), fixed pH setpoint generator (18) and speed setting (17) existing superordinate coupler (1), which as adjusting the pO _{2 control,} the shift of the pH of the culture solution (14) and the speed reduction after transition to the pO ₂ independent pH fixed setpoint control implemented, whereby the pH controller (6) and the speed controller (4) have an electronic input for triggering the external setpoint input operating mode and, if the preselected pO ₂ limit value is undershot, the pH value shift the culture solution by means of external setpoint input for the pH controller (6) according to the characteristic of the transformer (15).

2. Apparatus according to claim 1, characterized by the realization of the pH profile by working with pO _2- dependent setpoint specification pH controller (4) via the correction means actuators acid pump (8) and / or lye pump (S).

3. Apparatus according to claim 1, characterized by the extension of the coupler (1) by the units pressure distribution and / or supply air volume flow adjustment.

4. Apparatus according to claim 1, characterized by a transformer (15) with direct or inverting characteristic.

5. Apparatus according to claim 1,2,3 and 4, characterized by the realization of the coupler (1) and the controller by means of process interface (3) and computer (2).