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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Wärmemeßtechnik und bezieht
sich insbesondere auf ein Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Das Verfabren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
und die Einrichtung zu dessen Durchführung sind zur Bestimmung der Wärmeentwicklungskinetik
in biochemischen und chemischen Reaktionen und zur Untersuchung von Wärme- und Stoffaustauschvorgängen
geeignet und können mit gröBtem Erfolg in der blikrobiologie, Chemie, Wärmetechnik,
insbesondere zur Auswahl optimaler Bedingungen für die Züchtung von Mikroorganismen
zwecks Gewinnung einer maximalen Menge an Biomasse, zur Berechnung von Wärmeaustauschgeräten
und Auswertung von sekundären Energiequellen in Vorgängen der mikrobiologischen
Synthese verwendet werden.
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Bisher nutzte man zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
während deren Züchtung zwei Methoden aus: die indirekte und direkte Kalorimetrie.
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Die Überzeugung davon, daß die Methoden der direkten und indirekten
Kalorimetrie einander gleichwertig sind, ist so weit verbreitet, daß die Verfahren
zur direkten Messung der Wärmeproduktion mit Hilfe von Kalorimetern durch billigere,
einfachere und eine hohe Empfindlichkeit aufweisende Verfahren zur Messung der Mikroorganismenatmung
überall verdrängt wurden.
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Obwohl in den letzten Jahren dank der Entwicklung von hochempfindlichen
Mikrob iokalor imetern die direkte Xalorimetr ie wieder zur mikrobiologischen Borschungspraxis
herangezogen wurde, stehen jedoch diesem Prozeß die noch bestehenden
Vorstellungen
über die Gleichwertigkeit der Methoden der direkten und der indireki;en Kalorimetrie
im Wege. Inzwischen treten gegenwärtig immer mehr Angaben ans Tageslicht, denen
zufolge Unterschiede zwischen den nach den Methoden der direkten und der indirekten
Messung der durch die Mikroorganismen im Laufe deren Entwicklung und Wachstums entwickelten
Wärme gewonnenen Werten zum Vorschein kommen. So beträgt für Hefe diese Abweichung
mehr als 4TO %.
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Zu den nichtkalorimetrischen Verfahren zur Ermittlung (Messung) der
Wärmeproduktion von Mikroorganismen gehört ein Verfahren zur Ermittlung derselben
nach dem Druck, d.h. der Konzentration von 02 und CO2 (s. beispielsweise Hemmingsen
A.H.Rept. Steno memor. Hospital Nordisk Insulinlab, 1960, 9,2 p. 7-IIO).
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Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält
eine Kammer für die Züchtung von Mikroorganismen, die mit einem Luftdurchflußmesser
und °2- und C02-Gebern versehen ist. Die Menge der freigesetzten Wärme ermittelt
man nach der Menge von während der Mikroorganismenzüchtung verbrauchtem 02.
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Dieses Verfahren und die Einrichtung zu dessen Durchführung weisen
eine niedrige Meßgenauigkeit auf, weil entspre chend dem zweiten Hauptsatz der Thermodyiiamik
ein beliebiger nichtumkehrbarer Prozeß von der Bildung der bissoziatonswärme begleitet
wird. Im Laufe der Züchtung der Mikroorganismen ist das System weit vom Gleichgewichtzustand.
Die Geschwindigkeit ist der Dissoziationswärmebildung in diesem System # gering,
deswegen kann nicht die ganze Dissoziationswjrme das System verlassen, sondern wird
ein Teil davon innerhalb des Systems ausgenutzt
Dementsprechend
gilt # = #α + #u Hierhin bedeuten: # spezifische Dissipationsfunktion des
Systems; #α Funktion der äußeren Dissipataion; #u Funktion der inneren Dissipation.
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Somit wird nach dem genannten Verfahren die Größe #u bei den Messungen
der Wärmeproduktion nicht berücksichtigt.
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Bekannt ist ein kalorimetrisches Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion
von Mikroorganismen, bei dem nach Ablauf der Kultivierung die Abtrennung der Biomasse
von der Kulturmischung, deren Trocknung und Verbrennung vorgenommen werden. In diesem
Fall urteilt man über den Wärmeproduktionswert nach der Menge der sich entwickelnden
Wärmeenergie (s.z.B.
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Salmanova S.ß., Zhdanova L.A. "O vydjeleniji tepla pri kultivirovaniji
griba S tzelju poluchenia pektoliticheskikh fermentov" . Zur Wärmeentwicklung bei
Kultivierung eines Pilzes zwecks Gewinnung von pektolytischen Fermenten?1, Mikrobiologische
Industrie, 1972, Nr.6, Seiten 29-31).-Die Einrichtung zur Durchführung des gegebenen
Verfahrens enthält eine kalorimetrische Brennkammer, die mit einem Thermometer versehen
ist.
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Das beschriebene kalorimetrische Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion
von Mikroorganismen und die Einrichtung zu dessen Realisierung weien - wie auch
die oben genannten eine geringe Genauigkeit bei der Messung der Wärmeproduktion
der Mikroorganismen und einen schmalen Meßbereich auf, so daß die kinetische Ermittlung
der Wärmeproduktion nicht möglich
ist.
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Zur Ermittlung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen wurden von
einigen Forschern Mikrokalorimeter eingesetzt, die zur Durchführung chemischer Untersuchungen
bestimmt sind.
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Im Gegensatz zu den thermochemischen Untersuchungen sind jedoch die
wärmephysikalischen Messungen mikrobiologischer Vorgänge durch eine ganze Reihe
von zusätzlichen, die Meß'enauigkeit der Wärmeproduktion der Mikroorganismen beeinflussenden
Faktoren erschwert, wie die Aeration, und mit zeitlich veränderlichen viskositätsbedingten
Brscheinungen beim Betrieb des Rührers zusammenhängende Wärmentwicklungen, hervorgerufen
ihrerseits durch Änderungen in den in der Kulturmischung vor sich gehenden Wärme-
und Stoffaustauschprozessen, sowie eine vom Fermenter herrührende unkontrollierbare
Wärmestreuung und die Notwendigkeit, Messungen in langzeitig verlaufenden Prozessen
bei geringen Wärmeströmungen in einem Temperaturabweichungsbereich von I bis 2 K,
d.h. praktisch unter isothermischen Verhältnissen, vorzunehmen, Die während des
Wachstums der Mikroorganismen freigesetzte Wärme energie hängt mit der plysiologischen
Aktivität eng zusammen, deswegen müssen die kalorimetrischen Daten - zwecks Erhaltung
von objektiveren keßwerten- durch andere Daten von biologischer Natur ergänzt werden.
Deshalb muß bei periodischer Probenentnahme das Volumen des Fermenter ausreichend
groß (etwa 2 bis 3 Liter) sein, wodurch ebenfalls die Durchführung der Messungen
wesentlich kompliziert und die Sicherheit derselben vermindert wird.
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Betrachten wir quasistationäre Bedingungen für das
Wachstum
einer biologischen Kultur bei der Züchtung von Mikroorganismen im Volumen des Nährmediums
eines mit einem Rührer versehenen Fermenters beim Vorliegen von Aeration. In diesem
Fall ist für eineiunmittelbar in der Wandung des Fermenters angeordneten Wärme empfänger
folgende Wärmehaushaltgle ichung gültig: qT =qb+q=qb+q# (#) -qH(#) -qC# qO2;CO2-qP
(I) Hierin bedeuten: qT Wärme strömung vom Fermenter zum Wärme empfänger hin; qb
Strömung der biologischen Wärme (spezifische Wärmeproduktion) von Mikroorganismen,
die mit Hilfe des Mikrobiokalorimeters zu ermitteln ist; q#(#) zeitlich veränderliche
Wärmeströmung, hervorgerufen durch die beim Drehen des Rührers des Fermenter entstehende
Reibungsenergie; 9H(ir) aeitlich veränderliche Wärmeströmung , bedingt durch Wärme
verluste der Kulturmischung (Suspension) beim Durchsprudeln eines Gases durch dieselbe;
qC für das Erwärmen der kondensierten Flüssigkeit aufgewandte Wärme; q0 ; CO2 Lösungswärme
von 02 bzw. Entwicklungswärme von C02; q p ins Umgebungsmedium gestreute Wärme.
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Je nach dem zu untersuchenden Obäekt (der Mikroorganismennatur und
den Viscositätsbesonderheiten des Nährmediums) hängen der die Größen qQ und qH von
der Anderung@rheologischen Parameter der Kulturmischung während des Mikroorganismenwachstums
wesentlich ab.
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der Die Hauptschwierigkeit bei«Messung der Wärmeproduktion
von
Mikroorganismen ist die Berücksichtigung der vom Termen ter herrührenden unkontrollierbaren
Streaungswärme qp sowie die Messungen, die mit der Änderung der rheologischen Eigenschaften
der Flüssigkeit verbunden sind, wodurch die Größe und der Wärme- und Stoffaustausch
in der Kulturmischung geändert werden. Um den ersten Nachteil (durch Streuung der
vom Fermenter herrührenden Wärme bedingte Änderungen) zu vermeiden, konstruiert
man Mikrobiokalorimeter in Differentialschaltung, was wesentlich die Abmessungen
der letzteren vergrößert, während im zweiten Fall die rheologischen Änderungen (q
# ) aulder Acht gelassen werden. All dies verursacht eruebliche Fehler bei der Messung
der Wärme produktion von Mikroorganismen , weil die angegebenen Werte der Änderungen
im Wärmeaustausch kommensurabel mit dem Wert der Wärmeproduktion der Mikroorganismen
selbst sind.
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Es ist ferner ein Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
nach der Methode der direkten Ealorimetrie mit Hilfe eines Wärmemessers (s. Koryagin
V.V., Vorotilo S.P., Konovalov S.A., Chirkov I.M. "Kalorimetricheskoje iesledovanije
termogenesa mikroorganismov-produtsentov fermentov, razrushajuschikh kletochnyje
stenki drozhzhhej" Kalorimetrische Untersuchung der Thermogenese von M.ikroorganismen,
welche die den Abbau von Hefe zellwänden bewirkende Fermente produzieren . Angewandte
Biochemie und Mikrobiologie, 1974, IO, Nr.4, S.621) bekannt. Das erwähnte Verfahren
besteht in der Messung der Wärmeströmung von einer Kulturmischung,die im Stadium
der Züchtung der Mikroorganismen bei vorgegebener Temperatur deren Aussaat in ein
in den Fermenter eingebrachtes Nährmedium erhalten wird.
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Bekannt ist auch eine Einrichtung zur Messung der Wärmeproduktion
von Mikroorganismen(s. goryagin V.V. u.a.), welche einen Fermenter, mit diesem verbundene
Vorrichtungen zur Binbringung eines Närmediumsund eines Saatgutes, einen imFermenter
eingebauten Rührer, der mit einem Elektromotor verbunden ist, der seinerseits mit
einer Vorrichtung zur automatischen Konstanthaltung der vorgegebenen Drehzahl des
Rührers in werbindung steht, einen Wärmemesser, der sich mit dem Fermenter in Wärmekontakt
befindet und an ein Registriergerät angeschlossen ist, und einen Wärmetauscher zur
Ableitung der Wärme vom Wärmemesser, dessen Arbeitsfläche mit dem Wärmemesser in
Wärmekontakt steht, enthält.
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Bei dieser Einrichtung ist der Wärmemesser an der AuSenfläche des
Fermenters angebracht, wobei eine Arbeitsfläche des Wärmemessers durch die Fermenterwandung
mit der Kulturmischung und dessen andere Arbeitsfläche mit der Umgebung in Wärmekontakt
steht. Die letztere übt in dieser Einrichtung die Funktion eines Wärmetauschet zur
Ableitung der Wärme vom Wärmemesser aus.
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Das beschriebene Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
sowie die Einrichtung zu dessen Verwirklichung weisen eine geringe Meßgenauigkeit
auf, weil durch den Wärmemesser nur ein Teil der freigesetzten Wärme abgeleitet
wird, und beim Ausbleiben eines isothermischen Umgebungsmediums, das den Fermenter
umgibt, ändern sich nicht nur die bedingungen für die Wärmeabgabe vom Fermenter
an dieses Umgebungsmedium, d.h. qp=variabelf sondern auch die Wärmeabgabe durch
den Wärmemesser, was beträchtliche Fehler in den Verlauf der Kurven der spezifischen
Wärmeproduktion der Mikroorganismen hineinbringt.
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Darüber hinaus werden die mit der Arbeit des Rührers (q#) verbundenen
Änderungen der Wärmeentwicklungen nicht berücksichtigt, welche durch Änderung der
Viskosität der Kulturmischung während des Wachstums der Mikroorganismen hervoryerufen
sind.
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Es werden ebenfalls keine Rücksichten auf die Änderungen der Wärmeaustauschbedingungen
beim Durchsprudeln des Gases (q H ) genommen, welche mit der Änderung der Viskosität
der Kulturmischung zasgLmenhängen.
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Das zuletzt genannte Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von
Mikroorganismen und die Einrichtung zur Durchführung desselben gestatten es nicht,
die Wärmeaufnahme bei vorhandenen endothermischen Reaktionen zu bestimmen. Außerdem
kann die Einrichtung nicht in langzeitig verlaufenden Prozessen eingesetzt werden,
weil das Fehlen eines Dampfkondensators (die Unmöglichkeit der Rückführung der vom
Gas fortgetragenen Wasserdämpfe ) zur Abtrocknung der Kulturmischung führt.
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Der vorliegenden Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, ein
Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und eine Einrichtung
zu dessen Durchführung zu schaffen, welche es ermöglichen,durch Kompensierung der
durch Wärme- und Stoffaustauschvorgänge und rheologische Änderungen in der Kulturmischung
bedingten Wärme änderungen im fermenter die Meßgenauigkeit wesentlich zu erhöhen.
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Die gestellte Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur
Messung der durch Mikroorganismen während deren Züchtung in einem in einen Fermenter
eingebrachten Nährmedium
bei vorgegebener Temperatur der Züchtung
entwickelten Wärmeproduktion nach der Größe der von einer im Stadium der Züchung
der Mikroorganismen durch Aussaat derselben ins Nährmedium gewonnenen Kulturmischung
herrührenden Wärme strömung erfindungsgemäß dem Nährmedium und der Kulturmischung
durch deren Erhitzen Wärme zugeführt wird, deren Menge der Wärmemenge entspricht,
die für die Wärme- und Stoffaustauschvorgänge im Fermenter verbraucht wird und von
diesem abgeht und im Stadium der Mikroorganismenzüchtung die zugeführte Wärmemenge
entsprechend der Schwankung der der Kultumischungsviskosität und den dadurch hervorgerufenen
änderungen in den Wärme- und Stoffaustauschvorgängen geändert wird, wobei die Umgebungstemperatur
außerhalb des Fermenters- um eventuelle Verluste eines Teils der von der Kulturmischung
herrührenden Wärme strömung durch den Wärmeaustausch mit dieser Umgebung auszuschließenPkonstant
oder veränderlich in obereinstimmung mit der Änderung der Kulturmischungstemperatur
und an der Stelle, wo die von der Kulturmischung herrührenden Wärmeströmung gemessen
wird, gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung gehalten wird.
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Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß die Einrichtung
zur Messung der Wärmeproduktion von kikroorganismen, welche einen i?ermenter, mit
diesem verbundene Vorrichtungen zur Einbringung von Nährmedium und Saatgut, einen
im Fermenter eingebauten Rührer, der mit einem Elektromotor gekoppelt ist, der seinerseits
mit einer Vorrichtung zur automatischen Konstanthaltung der vorgegebenen Drehzahl
in Verbindung steht, einen Wärmemesser, der mit dem Fermenter in
Wärmekontakt
steht und an ein Registriergerät angeschlossen ist, sowie einen Wärmetauscher, der
zur Ableitung der Wärme vom Wärmemesser dient und dessen Arbeitsfläche mit dem letzteren
in Wärmekontakt steht, enthält, erfindungsgemäß mit einer im Fermenter untergebrachten
Wärmequelle mit einem Reden gelkreis der Wärmezufuhr in Fermenter versehen ist,
der aus einer mit dem Elektromotor des Rührers elektrisch verbundenen Vorrichtung
zur Messung der Viskosität der Kulturmischung, einem Wandler zur Umwandlung der
Viskositätsgröße in eine lieistungsgröße der Wärmequelle, der eingangsseitig an
den Ausgang der Vorrichtung zur Messung der Viskosität der Kulturmischung angeschlossen
ist, und einem Leistungsregler der Wärmequelle, der eingangsseitig an den Ausgang
des genannten Wandlers undoauagaagsseitig an die Wärmequelle angeschlossen ist,
besteht, wobei diese Einrichtung weiterhin eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung
einer solohen Temperatur der außerhalb des Fermenters liegenden Umgebung enthält,
die konstant oder gleich der Temperatur der Kulturmischung ist, während der Wärmetauscher
mit einer Vorrichtung versehen ist, durch die die Temperatur seiner Arbeitsfläche
konstant gehalten wird.
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Bs ist zweckmäßig, daß bei der Ausführung des Fermenters mit einem
Stutzen zur Ableitung von entweichenden Gasen und beim Vorhandensein einer Luftzufuhrvorrichtung,
die mit dem Fermenter und einem liuftzufuhrregelkreis verbunden ist, zusätzlich
eine Vorrichtung zum Gewinnen der Feuchtigkeit aus den aus dem Nährmedium und der
Kulturmischung entweichenden Gasen und zum Rückleiten derselben in den Fermenter
vorhanden
ist, die mit dem Stutzen zur Ableitung von entweichenden
Gasen zwecks Einhaltung der gegebenen Bedingungen der Mikroorganismenzüchtung verbunden
ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von
Mikroorganismen und die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gestatten
es, unmittelbar biolo-Tische Wärme in der Kinetik mit hoher Genauigkeit zu messen,
die durch die Mikroorganismen während deren Wachstums entwickelt werden. Außerdem
können durch das Verfahren und die Einrichtung ermöglicht, biochemische, chemische,
Wärme-- und Stoffaustauschvorgänge sowohl in exo- und und endothermischen als auch
in kombinierten Prozessen untersucht werden, d.h.
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ihr Anwendungsgebiet wird weitgehend erweitert.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von konkreten Ausführungsbeispielen
des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. I schematisch die
erSindungsgemåBe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wärme
produktion von Mikroorganismen(Längsschnitt durch den Fermenter ); Fig. 2 die gleiche
Einrichtung mit einer Vorrichtung zur Abkühlung des Nährmediums und der Kulturmischung,
gemäß der Erfindung; Fig. 3 Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion,
für gesamte Wärmeentwioklungen und für die Menge der gewonnenen Biomasse des Pilzes
Aspergillus niger T-33 als Prodazenten der Glykoamylase, gemäß der Erfindung; Fig.
4 Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion und für gesamte Wärmeentwicklungen
von Bacillus circulan
-31 als Produzenten mazerierender Fermente
bei veränderlichem pH-Wert, gemäß der Erfindung; Fig. 5 Kurven für die Kinetik der
spezifischen Wärmeprodukt ion, für gesamte Märmeentwicklungen und für die Zellulaseaktivität
von Trishoderma veride als Zellulaseproduzenten, gemäß der erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von
Mikroorganismen während deren Züchtung in einem in einen Fermenter eingebrachten
Nährmedium bei gegebener Temperatur der Züchtung basiert auf der messung der Größe
der Wärmeströmung von der Kulturmischung, die im Stadium der Züchtung der Mikroorganismen
durch deren Aussaat ins Nährmedium erhalten ist. Hierbei wird dem Nährmedium und
der Kulturmischung durch ihr Erhitzen Wärme zugeführt, deren Menge derjenigen entspricht,
die für die Wärme- und Stoffaustauschprozesse im Fermenter verbraucht wird und von
diesem abgeht.
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Im Stadium der Züchtung der Mikroorganismen ändert man die zugeführte
Wärmemenge entsprechend der Schwankung der Viskosität-der Kulturmischung und der
durch diese Viskositätsschwankung hervorgerufenen Änderungen in den Wärme- und Stoffaustauschprozessen.
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Auterdem wird die Temperatur der außerhalb des Fermenter liegenden
Umgebung um eventuelle Verluste eines Teils der von der Kulturmischung herrührenden
Wärmeströmung durch den Wärmeaustausch mit dieser Umgebung auszuschalten- konstant
oder veränderlich entsprechend der Änderung der Kulturmisohungstemperatur und an
der Stelle, wo die von der Kulturmischung herrührende Wärmeströmung gemessen wird,
gleich der vorgegebenen
Temperatur der Mikroorganismenzüchtung
gehalten.
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Im folgenden soll auf die Komponenten der Wärmehaushaltgleichung
(1) eingegangen werden, die dem Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
in einem Fermenter in verschiedenen Stadien deren biologischer Entwicklung zugrunde
gelegt ist, welche nach der Methode direkter Kalorimetrie ermittelt wird.
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Im allgemeinen kann die Wärmeströmung q 9 der Dissipation aus folgender
Gleichung bestimmt werden:
Hierin bedeuten: D Tnnendurchmesser des Fermenters; 7 Wärmele itfähigke it der Suspension(Kulturmischung);
mittlere Differenz zwischen der Suspensiontemperader tur und der Fermenterwandung;
a,m Konstanten; Rew Reynoldszahl; n Drehzahl des Rührers; DM Durchmesser des Rührers;
c kinetische Viskosität der Suspension, Bei der Zufuhr eines Gases durch die Suspensionsschicht
im Fermenter gilt folgende Beziehung:
Hierin bedeuten: d Durchmesser der Öffnung,
A Konstante, ReH Reynolszahl,
Gk Gasverbrauch, γk, γc spezifische Gewichte der Gase und Suspension
t c dynamische Viskosität der Suspension, i Fallbeschleunigung, Oberfläohenspannung
der Suspension Die Wärme, die für das Erwärmen einer aus entweichenden Gasen kondensierten
und in den Fermenter zurückgeleiteten Flüssigkeit verbraucht wird, ermittelt man
aus folgender Beziehung: qc =Gk(i2-i1), (4) worin i2, i1 die Luftenthalpie am Eintritt
und Austritt des Fermenter ist.
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Je nach dem zu untersuchenden Cbjekt( der Mikroorganismenart und
der Viskosität des Nährmediums) sind die Größen der q#, qH und qc wesentlich von
der Anderung@rheologischen Parameter der Suspension während des Wachstums der Mikroorganismen
abhängig. Die Größe q02; CO2 kennzeichnet die Wärmeströmung, die durch die Bedingung
des Gasaustausches in der Suspension (Auflösung von Sauerstoff in der Kulturmischung
des Fermenters und Entwicklung von CO2 aus dieser) bestimmt wird.
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Ist die Umgebungstemperatur gleich der Temperatur des Nährmediums
(der Kulturmischung), so ist die Größe gleich Null.
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Aus der Analyse theoretischer Bewertungen und der durchgeführten
experimentellen Untersuchungen bei einer Temperatur
der zu Aerationszwecke
zugeführten Luft von T = 299,0 K und einer Temperatur der Kulturmischung von To=305,0
K ergibt sich folgende Beziehung: q # + 9c + q02 ;C02 < qH (5) Dann ist q = q#
+ qc # qO2;CO2 -qH < 0 . (6) Die Ungleichtung (6) zeigt, daß beim Einführen einer
Wärmequelle in den Fermenter, deren Wärmeströmung qui während der Biosynthese zusammen
mit den links stehenden Gliedexhder Ungleichung (5) die Größe qH kompensieren würde,
die Größe q verschwindet, d.h. in der Gleichung (I) qT = qb ist.
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Da die Größen qM , qH und qc wesentlich von der Änderung der rheologischen
Parameter der Suspension während abhängen, des Wachstums der Mikroorganismen kann
diese Abhangigkeit einmalig in komplexer Weise für die betreffende Einrichtung bei
einem stationären Zustand ermittelt und eine Abhängigkeit N = f (M ) gefunden werden,
wobei N die Leistung einer Wärmequelle (z.B. eines elektrischen Heizelementes) ist.
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Im weiteren mißt man bei der Messung der Wärmeproduktion der Mikroorganismen
die Viskosität der Kulturmischung und ändert entsprechend der Abhängigkeit N - f(
3 ) die Belastung der Wärmequelle, wodurch die Abhängigkeit eingehalten wird: q#
+ qc # qO2; CO2 -qH -qp +qW =0 Ergibt sich eine Ungleichung q = q# + qc # qO2; CO2
- qH > 0 (7)
so ist während der Vorbereitung für die Messung
und im Laufe des Meßvorganges aus dem Fermenterraum ein Wärmeteil const abzuleiten,
der die Ungleichung sichert: = q# + qc # qO2; CO2 - qH -qA < 0. (8) Die Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
enthalt einen Fermenter I (Fig.I), der von einem wärmeisolierten Mantel 2 umschlossen
ist. Mit dem Fermenter I sind eine Vorrichtung 3 zur Einbringung des Nährmediums
und eine Vorrichtung 4 zur Einbringung des Saatgut es verbunden. Die genannte Vorrichtung
3 enthält ein Ventil 5, durch das die Zufuhr des Nährmediums mit Hilfe einer Steuereinheit
6 automatiEch geregelt wird.
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der Die Vorrichtung 4 zur Einbringung des Saatgutes ist#Grunglage
eines Ventils aufgebaut.
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7 In der Fermenter I ist ein Rührer# eingebaut, der mit einem Elektromotorvin
Verbindung steht, der seinerseits mit einer Vorrichtung 9 zur automatischen Konstanthaltung
einer vorgegebenen Drehzahl des Rührers verbunden ist, die einen Rührerdrehzahlgeber
IO enthält, der an eine Regeleinheit II für die Motorleistung angeschlossen ist.
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Die Einrichtung ist auch mit einem Wärmemesser I2 versehen, der sich
mit dem Fermenter I und einem Wärmetauscher 13 zur Wärmeableitung vom Wärmemesser
in Wärmekontakt befindet.
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Bei der beschriebenen Ausführungform ist der Wärmetauscher 13 massiv
ausgebildet und besteht aus einem Werkstoff (Duralaluminium) mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Im Wärmekontakt mit dem Wärmetauscher I3 steht eine Vorrichtung 14, durch die die
Temperatur seiner Arbeitsfläche konstant oder gleich der vorgegebenen
Temperatur
der lvIikroorganismenzüchtung gehalten wird. Die Vorrichtung 14 ist bei dieser Ausführungsform
der Einrichtung als Thermostat ausgebildet, durch den die Temperatur der durch die
verzweigten Kanäle des Wärmetauschers 13 kontinuierlich geförderten ;Flüssigkeit
(Wasser) konstant gehalten wird.
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Der Wärmemesser 12 ist an ein Registriergerät 15 angeschlossen, das
den Istwert der biologischen Wärmeproduktion der Mikroorganismen registriert.
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Im Inneren des Fermenters I ist eine Wärmequelle 16 bei der hier
zu behandelnden AusTührungsform der Einrichtung ein elektrisches Heizelement) angeordnet,
die mit einem Regelkreis 17 für Wärmezufuhr in den Fermenter versehen ist. Der Regelkreis
17 besteht aus einer Vorrichtung 18 zur Messung der Viskosität der Kulturmischung,
die elektrisch mit dem Motor 8 verbunden ist, aus einem Wandler 19 zur Umwandlung
der ViskositätsgröBe in eine LeistungsgröBe der Wärmequelle, der eingangsseitig
an den Ausgang der Viskosftätsmeßvorrichtung 18 angeschlossen ist, und aus einem
Leistungsregler 20 der Wärmequelle, der eingangsseitig an den Ausgang des Wandlers
19 und ausgangsseitig an die Wärmequelle 16 angeschlossen ist.
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Bei dieser Ausführungsform der Einrichtung stellt die Vorrichtung
18 zur Messung der Viskosität einen Messer der aufgenommenen Leistung des Elektromotors
8 des Rührers 7 bei gegebener Drehzahl des Rührers 7 dar. Der Wandler 19 zur Umwandlung
der Viskositätsgröße in eine Leistungsgröße der Wärmequelle ist auf der Grundlage
einer Brückenschaltung aufgebaut,
während der Leistungsregler 20
der Wärmequelle auf der Grundlage eines Regelwiderstandes ausgeführt ist, der mit
der Brückenschaltung kinematisch gekoppelt ist. Zur Kontrolle oder Beseitigung der
den Wärmemesser 12 durchlaufenden Wärmeströmungen vom fermenter zur Umgebung hin
ist der Fermenter I in einem Trockenluft-Thermostaten 21 untergebracht; dabei ist
die Einrichtung mit einer Vorrichtung 22 versehen, dadurch die die Temperatur der
außerhalb des Fermenters liegenden Umgebung konstant oder gleich der Temperatur
der Kulturmischung aufrechterhalten wird. Die Vorrichtung 22 zur Aufrechterhaltung
der Temperatur enthält einen 'i'emperatur-Sollwerteinsteller 23, der anfangs im
Nährmedium und dann in der Kulturmischung untergebracht wird, einen Temperaturgeber
24, der im l'rookenluft-Thermostaten 21 außerhalb des Fermenters I angeordnet ist,
sowie ein Nullorgan 25, an dessen Eingänge der Einsteller 23 und der Temperaturgeber
24 angeschlossen sind. Der Ausgang des Nullorgans 25 ist an den Eingang eines Funktionsverstärkers
26 angeschlossen, der ein Signal formiert, durch das ein Stellwerk 27 betätigt wird,
wobei der Verstärker 26 mit dem Stellwerk 27 elektrisch verbunden ist, das seinerseits
an ein Heizelement 28 des l1rockerlluSt-Thermostaten 21 angeschlossen ist. Durch
gestrichelte Linie ist die zwischen dem elektrischen Heizelement 28 und dem Temperaturgeber
24 bestehende Wärmeverbindung angedeutet.
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Führt man den Vorgang der Mikroorganismenaüchtung mit einer Aeration
durch, so ist der fermenter I mit einer Vorrichtung 29 zur Luftinführung verbunden,
die ihrerseits mit einem Luftzufuhr-Regelkreis verbunden ist. Die Vorrichtung 29
enthält ein Ventil 30, das die Luftzufuhr mit Hilfe eines
Luftverbrauch-Sollwerteinstellers
31 regelt. Auf der Grundlage des Ventils 30 ist der Luftzufuhr-Regelkreis aufgebaut,
der auch einen Durchflußmesser (nicht gezeigt) enthält.
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Um die gegebenen Bedingungen für die Züchtung der Mikroorganismen
beim Vorhandensein einer Aeration einzuhalten, enthält die Einrichtung auch eine
Vorrichtung 32 zum Gewinnen der Beuchtigkeit aus den aus dem Nährmedium und der
Kulturmischung entweichenden Gasen und zum Rückleiten derselben in den Fermenter,
die mit einem im Fermenter I angeordneten Stutzen 33 zur Ableitung von entweichenden
Gasen verbunden ist.
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Um die Meßbedingungen zu erfüllen, die der Beziehung (7) entsprechen,
ist im Fermenter I eine Vorrichtung 34 (Fig.2) zur Abkühlung des Nährmediums und
der Kulturmischung angeordnet, die mit einem Leistungsregler 35 versehen ist, der
mit dieser Vorrichtung über ein Ventil 36 verbunden ist.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktioh
von Mikroorganismen arbeitet folgendermaßen.
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Vor Beginn der Messungen wird der Fermenter I (Fig.I, 2) zuvor im
Trockenluft-'£hermostaten 21 untergebracht. Durch den Thermostaten, als welcher
die Vorrichtung 14 dient, durch die die Temperatur der Arbeitsfläche des Wärmetauschers
konstant gehalten wird, erfolgt die Aufrechterhaltung der angegebenen Temperatur
des Wärmetauschers 13, zu dem die Wärme vom Fer menter I über den Wärmemesser I2
abgeleitet wird. Durch die Vorrichtung 22, die für die Aufrechterhaltung einer Temperatur
der außerhalb des Fermenters liegenden Umgebung sorgt, die konstant bleibt oder
gleich der Temperatur der
Kulturmischung ist, wird die vorgegebene
Temperatur im Trokkenluft-Thermostaten 21 gehalten. Dabei trifft ein Signal vom
im Trockenluft-Thermostaten 21 angeordneten Temperaturgeber 24 an einem der Eingänge
des Nullorgans 25 ein und auf den anderen Eingang des letzteren wird ein Signal
vom im Fermenter I angeordneten Temperatur-Sollwerteinsteller 23 gegeben, (bei dem
Fall, wenn die Temperatur im 'l'rockenluft-Thermostaten 21 zuerst gleich der Temperatur
des Nährmediums und dann der Temperatur der Kulturmischung aufrechterhalten wird).
Liegt eine Temperaturdifferenz vor, so entsteht am Ausgang des Nullorgans 25 ein
elektrisches Signal, das am Eingang des Funktionsverstärkers 26 eintrifft, der ein
Signal formiert, durch das das Stellwerk 27 betätigt wird, das das elektrische Heizelement
28 einschaltet. Liegt am Ausgang des Nullorgans 25 kein Signal vor, d.h. sind die
angegebenen Temperaturen gleich groß, so wird das elektrische Heizelement 28 abgeschaltet.
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Falls die Temperatur im Irockenluft-'l'hermostaten 21 konstant und
gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung aufrechterhalten
wird, stellt man diese Temperatur mittels des Temperatur-Soilwerteinstellers 23
ein, der gegebenenfalls außerhalb des Fermenters I anzuordnen ist.
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Vor Beginn der Messungen schafft man im Fermenter 1 die gegebeaen
Bedingungen für d ie die Mikroorganismenzüchtung. . Hierzu ist in den Fermenter
I über die Vorrichtung 3 zur Einbringung des Nährmediums die erforderliche Menge
des letzteren einzubringen.
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Will man die Mikroorganismen mit Aeration züchten, so wird dem Nährmedium
die vorgegebene Luftmenge mit Hilfe der Luftzufuhrvorrichtung 29 zugeführt, wobei
die Luftzufuhr durch
das vom Luftdurchflußeinsteller 31 gesteuerte
Ventil 30 geregelt wird. Vor oder gleichzeitig mit dem Beginn der LuStzufuhr wird
der Elektromotor 8 des Rührers 7 eingeschaltet und mit Hilfe der Vorrichtung zur
automatischen Konstanthaltung der vorgegebenen Drehzahl des Rührers 7 dessen erforderliche
Drehzahl eingestellt.
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Gleichzeitig damit (zur Züchtung mit Aeration) wird der als Wasserkondensator
ausgeführten Vorrichtung 32 zum Gewinnen der Feuchtigkeit aus den aus dem Nährmedium
und der Kulturmischung entweichenden Gase und zum Rückleiten dieser Feuchtigkeit
in den Fermenter das abgekühlte Wasser zugeleitet.
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Das sich dabei bildende Kondensat wird in den Fermenter I zurückgeleitet.
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Dann schaltet man die Vorrichtung 14 ein, die für die Äufrecherhaltung
einer konstanten Temperatur der Arbeitsfläche des Wärmetauschers so sorgt und fördert
kontinuierlich über die verzweigten Kanäle des Wärmetauschers I3 eine Blüssigkeit.
Dabei wird die Wärme vom Wärmetauscher 13 über den Wärmemesser dem Nährmedium zugeführt,
das in den Fermenter eingebracht ist.
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Um das Erwärmen des Nährmediums im fermenter auf die Temperatur d
er der Mikroorganismenzüchtung zu beschleunigen, schaltet man die Wärmequelle 16
ein. Sobald die Temperatur des Nährmediums die vorgegebene Temperatur der Mikroorganismenzüchtung
erreicht hat, d.h. das Signal am Ausgang des Wärmemessers I2 gleich Null ist, wird
mit Hilfe der Wärmequelle 16 ein solches Verhältnis zwischen durch Wärme- und Stoffaustauschprozesse
bedingten Wärmeströmungen im Fermenter I geschaffen, bei welnahem das Nullsignal
vom Wärmemesser I2 unveränderlich bleibt.
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Übersteigt die beim Betrieb des Rührers 7 entwickelte Wärmemenge
die vom Gas im Laufe der Aeration fortgetragene und für die Vorerwärmung des aus
der als Wasserkondensator ausgeführten Vorrichtung 32 zurüokgeleiteten Kondensats
verbrauchte Wärmemenge, d.h. wenn die Beziehung (7) gültig ist, so schaltet man
die Vorrichtung 34 (Fig. 2) zur Abkühlung des Nährmediums und der Kulturmischung
ein. Mit Hilfe der Vorrichtung 34 wird eine solche Wärmemenge abgeleitet, daß die
Beziehung (6) eingehalten wird, bei der die vom Gas fortgetragene und für das Vorerwärmen
des Kondensats verbrauchte Wärmemenge größer ist als die beim Betrieb des Rührers
entwickelten Wärmemenge. Hierbei bleibt diese Größe im Laute des gesamten Sxperimentes
konstant, d.h. es wird die Beziehung (8) eingehalten.
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Um die Gesetzmäßigkeiten der Einwirkung der Viskosität auf die im
Fermenter I (Fig. I, 2) verlaufenden Wärme- und Stofaustauschprozesse festzustellen,
d.h. um die Abhängigkeit der Leistung der Wärmequelle 16 von der Viskosität zu bestimmen,
wird in den Fermenter I eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) eingebracht. Dieser Arbeitsgang
ist einleitend und dementsprechend vor Einbringen des Nährmediums in den Fermenter
I vorzunehmen. Bei einem stationären Betriebszustand, bei dem alle obenbeschriebenen
Arbeitsgänge, die analog dem für das Einbringen von Nährmedium beschriebenen vorgenommen
werden, ausgeführt sind und das vom Wärmemesser 12 abgenommene Signal gleich Null
ist, erfolgt die Viskositätsmessung mit Hilfe der Vorrichtung 18 und die Festlegung
der Leistung der Wärmequelle 16 mittels des Wandlers 19 zur Umwandlung der Viskositätsgröße
in eine Bei.qtungsgröße der Wärmequelle. Die Viskosität
wird nach
der durch den Elektromotor 8 für den Betrieb des Rührers 7 bei dessen konstanter
Drehzahl aufgewendeten Leistung bestimmt. Nachher wird durch Einbringung eines Zusatzstoffes
(z.B. einer Stärke) in die genannte Blüssigkeit die Viskosität derselben verändert
und durch Regelung der Leistung der Wärmequelle 16 der Nullwert des vom Wärmemesser
12 eintreffenden Signals wieder eingestellt. Der genannte Arbeitsgang wird für verschiedene
Viskositätswerte im gegebenen Bereich mehrmals wiederholt.
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Die erhaltene Abhängigkeit der Leistung der Wärmequelle 16 von der
Viskosität nutzt man dann bei der Messung der Wärmeproduktion der Mikroorganismen
(in Übereinstimmung mit dieser Abhängigkeit funktioniert der Wandler l9)aus.
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Nach der Durchführung aller obenerwähnten Arbeitsgänge erfolgt die
Aussaat von Mikroorganismen in das Nährmedium mittels der Vorrichtung 4 zur Einbringung
des Saatgutes und die Einstellung des vorgegebenen pH-Wertes.
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Während des Mikroorganismenwachstums entwickelt sich biologische
Wärme, die vom Fermenter I über den Wärmemesser 12 zum Wärmetauscher 13 abgeleitet
wird. Die dabei im Wärmemesser 12 entstehende Thermo-1K, die proportional der Größe
der den Wärmemesser 12 durchfließenden Wärmeströmung ist, registriert man ununterbrochen
mit Hilfe des Registriergerätes 15. Da sämtliche Komponenten, aus denen sich q zusammensetzt,
dterch die oben beschriebenen Maßnahmen in ihrem Komplex gleich Null gesetzt und
während des Meßvorganges auf dem Nullniveau gehalten werden, stehen die Anzeigen
des Registriergerätes 15 mit der tatsächlichen Größe der Wärmeproduktion von Mikroorganismen
in Übereinstimmung.
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Wie die durchgeführten wärmephysikalischen Untersuchungen der Kulturmischung
ergaben, erfährt deren Viskosität während des Wachstums der Mikroorganismen Änderungen
und kann um mehrere zehn Male steigen und danach absinken. Diese Größe wirkt sich
wesentlich auf die Meßgeauigkeit aus, weil mit der Schwankung der Viskosität der
Kulturmischung die mit dem Betrieb des Rührers verbundenen Wärmeentwicklungen zunehmen
und sicn die Wärme- und Stoffaustauschvorgänge im Fermenter I nach komplizierten
Abhängigkeiten ändern, die mathematisch nicht erfaßbar sind.
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All dies wirkt sich auf die luleßgenauigkeit der Wärmeproduktion
von Sikroorganismen nachträglich aus.
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Da bei der Viskositätsänderung der Kulturmischung die durch den Rührerdrehzahlgeber
IO gemessene Drehzahl des Rührers 7 mit Hilfe der Regelinheit II für die Leistung
des Elektromotors konstant gehalten wird, führt dies zur Änderung der Leistung an
der Welle des Rührers 7. Entsprechend der Änderung der Wellenleistung des Rührers
7 ändert sich die Leistung der Wärmequelle 16 nach der früher festgestellten Abnängigkeit,
wobei die Komponenten von 4 in der Gleichung (I) im Komplex genommen, gleich Null
gehalten werden und über den Wärmemesser 12 nur die biologische Wärme qb abgeführt
wird.
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Um das Endergebnis (für die spezifische Wärmeproduktion der Mikroorganismen)
zu gewinnen, wird das vom Wärmemesser 12 abgenommene Signal nach der bekannten Formel:
9b = k .
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verarbeitet, worin qb die spezifische Wärmeproduktion der iVikroorganismen
während deren Wachstums, k einen konstanten Lichfaktor des Wärmemessers 12 und U
eine Größe der Thermo-EMK
vom Wärmemesser 12 bedeuten.
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Die Anzeigen des Wärmemessers 12 kann man ununterbrochen mittels
des Registriergeräts 15 registrieren, während durch Verwendung einer Integriervorrichtung
die gesamte Wärmemenge ermittelt werden kann, die sich während des gesamten Züchtungsvorganges
entwickelt.
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Bei der Ermittlung der spezifischen Wärmeproduktion zeugt das vom
Wärmemesser 12 eintreffende Vorzeichen "+' d davon, daß im Arbeitsraum des Fermenter
I eine exothermische, und bei "-" eine endothermische Reaktion vor sich geht.
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Somit gestatten das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Wärme
produktion von Mikroorganismen und die Einrichtung zu dessen Durchführung eine Erhöhung
der Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Wärmeproduktion beim Züciitn von Mikroorganismen
durch Berücksichtigung von durch den Betrieb des Rührers und die Bedingungen des
Wärme- und Stoffaustausches bei Änderung der Viskosität hervorgerufenen Wärmeänderungen
und eine Erweiterung des Meßbereiches, was die Möglichkeit bietet, die Wärmeproduktion
in endo- und exothermen Reaktionen zu messen.
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In der Praxis mißt man die Wärmeproduktion von Mikroorga nismen während
deren Züchtung wie folgt.
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Vor Beginn der Messungen füllt man den Fermenter mit 200ml eines
Nährmediums und sterilisiert in einem Autoklaven eine Stunde lang unter einem Druck
von 1,25 atü.
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Dann wird in einem Wasserthermostaten die Temperatur der Flüssigkeit
eingestellt, die der Temperatur der Mikroorganismenzüchtung entspricht, und sie
konstant im Laute des ganzen Meßvorganges gehalten. Die temperierte Flüssigkeit
wird aus
dem Thermostaten über den Wärmetauscher 13 kontinuierlich
gefördert, wodurch die Temperatur des letzteren konstant gehalten wird.
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In Wärmekontakt mit dem Wärmetauscher 13 steht der Wärmemesser 12,
auf den man nach der Sterilisation den Fermenter 1 mit Nährmedium aufstellt. Den
Fermenter 1 mit Nährmedium und den zu temperierenden Wärmetauscher 13 bringt man
im TrockenluSt-Thermostaten 21 unter, in dem die Temperatur zuerst gleich der Temperatur
des Nährmediums und nach der Aussaat der Mikroorganismen gleich der Temperatur der
Kulturmischung aufrechterhalten wird, so daß Verluste der von der Kulturmischung
herrührenden Wärmeströmung durch den Wärmeaustausch mit der außerhalb des Fermenter
I liegenden Umgebung vermieden werden. Das Nutzvolumen betrug 3000ml. Als Sledgeräte
kamen ein hochempfindlicher Dreikanalschreiber, ein Digitalspannungsmesser und einen
Digitalleistungsmesser zur Verwendung.
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Man schließt an die Speisequelle das im Fermenter I angeordnete elektrische
Heizelement (Wärmequelle 16) an und stellt die erforderliche Drehzahl des Rührers
7 ein. Die Temperatur des Nährmediums im Fermenter wird auf die vorgegebene gebracht.
Ist die Temperatur des Nährmediums geringer als die vorgegebene, dann erwärmt man
es auf die Temperatur der Züchtung mittels des im Fermenter I untergebrachten elektrischen
Heizelementes. Wenn sie die vorgegebene überschreitet, wird das Nährmedium auf die
erforderliche Temperatur abgekühlt. Man schließt die als Wasserkondensator ausgeführteVorrichtung
32 an den Stutzen 33 zur Ableitung von aus dem Fermenter entwei-Was chfla 5 che
chenden Gasen an und führt über eine v (Vorrichtung 29)
dem Fermenter
1 die zu Aerationszwecken notwendige Menge an steriler Luft zu.
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Nachdem alle erforderlichen Züchtungsparameter stabilisiert sind,
erreicht man mit Hilfe des Spannungsreglers den O-Wert; des vom Wärmemesser 12 eintreffenden
Signals bei stationärem Betriebszustand der Einrichtung. Der gegebene Beistungswert
des elektrischen Heizelementes wurde als experimentelle "Null" angenommen.
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Nachdem sich im Fermenter 1 der Wärmehaushalt eingestellt hat, d.h.
wenn die Anzeigen des Wärmemessers 12 binnen einer hinreichend langen Zeit gleich
Null (+-0,0002mV) waren, wurde in den Fermenter I das Saatgut eingebracht.
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Im Laufe der Züchtung fixierte der Wärmemesser nur die biologische
Wärme, weil die mit der Änderung der Viskosität verbundenen Wärmeentwicklungen durch
Regelung der Leistung des elektrischen Heizelementes automatisch kompensiert wurden,
die der Viskositätsänderung der Kulturmischung proportional ist. Die Abhängigkeit
der Änderung der Wärmeentwicklungen von der der Xnderungvrheologischen Eigenschaften
der Kulturmischung und folglich die Änderung der Leistung des elektrischen Heizwurde
elementesvauf experimentellem Wege vorausbestimmt. Die übrigen lWärmeentwicklungs-
und Wärme aufnahme größen blieben während der Züchtung unveränderlich.
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Die unmittelbare Messung der Wärmeproduktion erfolgte nacn den oben
beschriebenen Vorbereitungsoperationen in Abhängigkeit von der GröBe des vom Wärme
messer 12 abgenommenen Signals.
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Entsprechend dem erfindungsgemåßen Verfahren wurden die Messungen
der Wärmeproduktion des mikroskopischen Pilzes
Aspergillus niger
T-33 als Produzenten von Glykoamylase, von Bacillus circulans 31 als Produzenten
mazerierter Fermente sowie von Trichoderma veride als Produzenten von Zellulase
durchgeführt.
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Nachstehend folgen konkrete Beispiele des Verfahrens zur Messung
der Wärmeproduktion der genannten Mikroorganismen.
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Beispiel I Bei der Züchtung von Asp. niger T-33 betrug die Züchtungstemperatur
305 K; pH = 5,5; Züchtungszeit # #=I44 Stunden; Drehzahl des Rührers n =200 U/min;
der Luftverbrauch für die Aeration je 1 Minute war gleich dem Volumen der Nähr--(Kultur-)
mischung; das Nährmedium bestand in S0 aus: Maismehl 7,0 Maisstärke 5,0 Eiweiß-Vitamin-Konzentrat
3,0 (NH4)2HPO4 0,I Schaumverhüttungsmittel (Pottwaltran) O,I Pektophostidin #IOx
0,I α-Amylase umgerechnet auf 2 Einheiten je g Stärke, Es wurden Maismehl
und Maisstärke mit α -Amylase vorhydrolysiert.
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Die Menge an Saatgut betrug 1.106 Sporen je IOOml Nährmedium. Entsprechend
Beispiel I sind in Fig. 3 Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion
q (in kJ/h.kg ACB, Kurve I ) , wobei mit ACB absolut trockene Substanzen bezeichnet
sind, für gemeinsame Wärmeentwicklungen Q vom Beginn des Züchtungsvorganges ( in
kJ/kg ACB, Kurve 2) und für
die Menge der gewonnenen Biomasse m
(in g/Liter, Kurve 3) gezeigt.
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Wie die Analyse der Kurven I und 3 zeigt, korreliert die ziemlich
Zunahme der Biomasse#gut mit dem Verlauf der Wärmeproduktion(Eurve I).
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Die Viskosität stieg während der Kultivierung ums 67fache gegenüber
der ursprünglichen an und sank danach ab, blieb aber größer um das 1,78-fache als
die ursprüngliche.
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Beispiel 2 Bei der Züchtung von Bacillus circulans-31 betrug die
Züchtungstemperatur 310 K; Züchtungszeit # = 50 Stunden; Drehzahl des Rührers n
= I80 U/min; der Vorgang verlief unter anaeroben Bedingungen; das Nährmedium bestand
in % aus: Rühenschnitzel 2,0 NH4CE 0,2 NaH2P04 0,3 K2HP04 I,3 CaCl2 0,02 Alkalihydrolisat
von Eiweiß-Vitamin-Konzentrat I,0 Entsprechend Beispiel 2 sind in Fig. 4 Kurven
für Kinetik der Wärmeproduktion q (Kurve I,pH=7,78; Kurve 2, pH=6,28) und für gesamte
Wärmeentwicklungen Q(Kurve 3,pH=7,78; Kurve 4,pH=6,28 gezeigt.
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Beispiel 3 Bei der Züchtung von Tr. veride betrug die Züchtungstemperatur
303 K; Züchtungszeit t =II6 h, Drehzahl des Rühres n=IOO U/min, der Luftverbrauch
für Aeration betrug 1,5
des Volumens der Kulturmischung; man sterilisiert
das Nährmedium 1 Stunde lang unter 1,2 atü; pH=4,6; das Nährmedium setzte sich (in
%) zusammen aus: Rübenschnitzel, zerkleinert bis auf eine Teilchengröße von I...3mm
4,0 Schlempenfiltrat 5,0 K2HPO4 0,2 NH4NO3 0,4 I0%iger Malzkeimauszug I0,0 Mg S04
0,03 We izenkle ie 0,5 H3PO4 (zwecks Einstellung des pH-Wertes) 0,2 Schaumverhüttungsmittel
(Pottwaltran) O,I Man führte die Aussaat mit einer Suspension von Sporen durch,
die von einem festen Nährboden abgespült und auf einer Schaukel geschaukelt wurde.
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Entsprechend dem Beispiel 3 sind Kurven für die Kinetik der spezifischen
Wärmeproduktion Kurve I), für gesamte Wärmeentwicklungen Q(Kurve 2) und für die
Zellulaseaktivität C(in Einheit/ml, Kurve 3) dargestellt.
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L e e r s e i t e