DE3115807C2

DE3115807C2 -

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Publication number: DE3115807C2
Application number: DE19813115807
Authority: DE
Inventors: Evgeny Fedorovic Andreev; Dmitry Panteleimonovic Moskau/Moskva Su Lebedev; Oleg Arkadievic Gerasenko; Geb. Kopylova Tatyana Georgievna Kiev Su Grisenko
Original assignee: INSTITUT TECHNICESKOJ TEPLOFIZIKI AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEV SU; VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ BIOTECHNICESKIJ INSTITUT MOSKAU/MOSKVA SU
Current assignee: INSTITUT TECHNICESKOJ TEPLOFIZIKI AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEV SU; VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ BIOTECHNICESKIJ INSTITUT MOSKAU/MOSKVA SU
Priority date: 1981-04-18
Filing date: 1981-04-18
Publication date: 1987-06-04
Also published as: DE3115807A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen dient zur Bestimmung der Wärmeentwicklungskinetik in biochemischen und chemischen Reaktionen und zur Untersuchung von Wärme- und Stoffaustauschvorgängen; sie wird mit größtem Erfolg in der Mikrobiologie, Chemie und 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.

Bisher bediente man sich zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen während deren Züchtung zweier Methoden, der indirekten und direkten Kalorimetrie.

Aus der weit verbreiteten Überzeugung, daß die Methoden der direkten und der indirekten Kalorimetrie einander gleichwertig sind, wurden die Verfahren zur direkten Messung der Wärmeproduktion mit Hilfe von Kalorimetern überall durch billigere, einfachere und eine hohe Empfindlichkeit aufweisende Verfahren zur Messung der Mikroorgansimenatmung verdrängt. Erst in den letzten Jahren wurde dank der Entwicklung von hochempfindlichen Mikrobiokalorimetern die direkte Kalorimetrie wieder zur mikrobiologischen Forschungspraxis herangezogen; dennoch stehen dieser Entwicklung die noch bestehenden Vorstellungen über die Gleichwertigkeit der Methoden der direkten und der indirekten Kalorimetrie im Wege. Inzwischen zeigt sich immer mehr, welche Unterschiede zwischen den nach den Methoden der direkten und der indirekten Messung der durch die Mikroorganismen im Laufe ihrer Entwicklung und ihres Wachstums entwickelten Wärme gewonnen Werten bestehen können. So beträgt für Hefe diese Abweichung mehr als 450%.

Zu den nichtkalorimetrischen Verfahren der Ermittlung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen gehört ein Verfahren zur Ermittlung derselben nach dem Druck, d. h. der Konzentration von O₂ und CO₂ (siehe beispielsweise Hemmingsen A. H., Rept. Steno memor. Hospital Nordisk Insulinlab, 1960, 9, 2 p. 7-110).

Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält eine Kammer für die Züchtung von Mikroorganismen, die mit einem Luftdurchflußmesser und O₂- und CO₂-Gebern versehen ist. Die Menge der freigesetzten Wärme ermittelt man nach der Menge von während der Mikroorganismenzüchtung verbrauchtem O₂.

Dieses Verfahren ist von niedriger Meßgenauigkeit, weil entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ein beliebiger nichtumkehrbarer Prozeß von der Bildung von Dissoziationswärme begleitet wird. Im Laufe der Züchtung der Mikroorganismen ist das System weit vom Gleichgewichtzustand. Die Geschwindigkeit der Dissoziationswärmebildung in diesem System ist gering, so daß nicht die ganze Dissoziationswärme das System verläßt, sondern ein Teil derselben innerhalb des Systems verbraucht wird. Dementsprechend gilt

ψ = ψ _α + ψ _u.

Hierin bedeuten:

ψ spezifische Dissipationsfunktion des Systems; ψ _α Funktion der äußeren Dissipation; ψ _u Funktion der inneren Dissipation.

Somit wird nach dem genannten Verfahren die Größe ψ _u bei den Messungen der Wärmeproduktion nicht berücksichtigt.

Bekannt ist ein kalorimetrisches Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen, bei dem nach Ablauf der Kultivierung die Biomasse von der Kulturmischung abgetrennt, getrocknet und verbrannt wird. Dabei urteilt man über den Wärmeproduktionswert nach der Menge der sich entwickelnden Wärmeenergie (siehe z. B. Salmanova S. S., Zhdanova L. A. "Zur Wärmeentwicklung bei der Kultivierung eines Pilzes zwecks Gewinnung von pektolytischen Fermenten", Mikrobiologische Industrie, 1972, Nr. 6, Seiten 29-31).

Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält eine kalorimetrische Brennkammer mit einem Thermometer.

Auch dieses kalorimetrische Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und die zugehörige Einrichtung ist von geringer Genauigkeit bei der Messung der Wärmeproduktion der Mikroorganismen und hat einen schmalen Meßbereich, so daß die kinetische Ermittlung der Wärmeproduktion nicht möglich ist.

Zur Ermittlung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen wurden von einigen Forschern Mikrokalorimeter für chemische Untersuchungen eingesetzt.

Im Gegensatz zu den thermochemischen Untersuchungen sind jedoch die wärmephysikalischen Messungen mikrobiologischer Vorgänge durch eine ganze Reihe von zusätzlichen, die Meßgenauigkeit der Wärmeproduktion der Mikroorganismen beeinflussenden Faktoren erschwert, wie die Aeration, und mit zeitlich veränderlichen viskositätsbedingten Erscheinungen beim Betrieb des Rührers zusammenhängende Wärmeentwicklungen, 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 1 bis 2 K, d. h. praktisch unter isothermischen Verhältnissen, vorzunehmen.

Die während des Wachstums der Mikroorganismen freigesetzte Wärmeenergie hängt mit der physiologischen Aktivität eng zusammen. Deswegen müssen die kalorimetrischen Daten zur Gewinnung objektiverer Meßwerte durch andere Daten biologischer Natur ergänzt werden. Deshalb muß bei periodischer Probenentnahme das Volumen des Fermenters ausreichend groß (etwa 2 bis 5 Liter) sein, was ebenfalls die Durchführung der Messungen kompliziert und die Sicherheit derselben vermindert.

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 einen unmittelbar in der Wandung des Fermenters angeordneten Wärmeempfängers folgende Wärmehaushaltsgleichung gültig:

q _T = q _b + = q _b + q _ν ( τ ) - q _H (τ ) - q _C ± q _O₂; CO₂ - q _p (1)

Hierin bedeuten:

q _TWärmeströmung vom Fermenter zum Wärmeempfänger hin;q _bStrömung der biologischen Wärme (spezifische Wärmeproduktion) von Mikroorganismen, die mit Hilfe des Mikrobiokalorimeters zu ermitteln ist;q _ν ( τ ) zeitlich veränderliche Wärmeströmung, hervorgerufen durch die beim Drehen des Rührers des Fermenters entstehende Reibungsenergie;q _H ( τ ) zeitlich veränderliche Wärmeströmung, bedingt durch Wärmeverluste der Kulturmischung (Suspension) beim Durchsprudeln eines Gases durch dieselbe;q _Cfür das Erwärmen der kondensierten Flüssigkeit aufgewandte Wärme;q _O₂; CO₂Lösungswärme von O₂ bzw. Entwicklungswärme von CO₂; q _pins Umgebungsmedium abgegebene Wärme.

Je nach der Mikroorganismennatur und den Viskositätsbesonderheiten des Nährmediums hängen die Größen q _τ und q _H wesentlich von der Änderung der rheologischen Parameter der Kulturmischung während des Mikroorganismenwachstums ab.

Die Hauptschwierigkeit bei der Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen ist die Berücksichtigung der vom Fermenter herrührenden unkontrollierbaren Streuungswärme q _p sowie die Messungen, die mit der Änderung der rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit verbunden sind, wodurch die Größe q _ν und der Wärme- und Stoffaustausch in der Kulturmischung geändert werden. Um den ersten Nachteil (Änderungen auf Grund der vom Fermenter abgegebenen Wärme) zu vermeiden, konstruiert man Mikrobiokalorimeter in Differentialschaltung, was wesentlich die Abmessungen der letzteren vergrößert, während im zweiten Fall die rheologischen Änderungen (q _ν ) außer Acht gelassen werden. All dies verursacht erhebliche Fehler bei der Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen, weil die angegebenen Werte der Änderungen im Wärmeaustausch kommensurabel mit dem Wert der Wärmeproduktion der Mikroorganismen selbst sind.

Es ist ferner ein Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen nach der Methode der direkten Kalorimetrie mit Hilfe eines Wärmemessers (siehe Koryagin V. V., Vorotilo S. P., Konovalov S. A., Chirkov I. M. "Kalorimetrische Untersuchung der Thermogenese von Mikroorganismen, welche den Abbau von Hefezellwänden bewirkende Fermente produzieren" in angewandte Biochemie und Mikrobiologie, 1974, 10, 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 ihrer Aussaat in ein in den Fermenter eingebrachtes Nährmedium erhalten wird.

Die in der genannten Literaturstelle beschriebene zugehörige Einrichtung zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen besteht aus einem Fermenter mit Vorrichtungen zur Einbringung eines Nährmediums und eines Saatgutes, einem im Fermenter eingebauten Rührer, der von einem Elektromotor angetrieben ist, der seinerseits eine Vorrichtung zur automatischen Konstanthaltung der vorgegebenen Drehzahl des Rührers hat, einem Wärmemesser, der sich mit dem Fermenter in Wärmekontakt befindet und an ein Registriergerät angeschlossen ist, und einem Wärmetauscher zur Ableitung der Wärme vom Wärmemesser, dessen Arbeitsfläche mit dem Wärmemesser in Wärmekontakt steht.

Bei dieser Einrichtung ist der Wärmemesser an der Außenfläche des Fermenters angebracht, wobei eine Arbeitsfläche des Wärmemessers durch die Fermenterwandung mit der Kulturmischung und die andere Arbeitsfläche mit der Umgebung in Wärmekontakt steht. Die letztere dient dabei als Wärmetauscher zur Ableitung der Wärme vom Wärmemesser.

Das beschriebene Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen sowie die Einrichtung zu dessen Verwirklichung sind von geringer Meßgenauigkeit, weil durch den Wärmemesser nur ein Teil der freigesetzten Wärme abgeleitet wird, und wenn das den Fermenter umgebende Medium nicht von konstanter Temperatur ist, ändern sich nicht nur die Bedingungen für die Wärmeabgabe vom Fermenter an dieses Umgebungsmedium, d. h. q _p=variabel, sondern auch die Wärmeabgabe durch den Wärmemesser, was beträchtliche Fehler in den Verlauf der Kurven der spezifischen Wärmeproduktion der Mikroorganismen hineinbringt. Darüber hinaus werden die mit der Arbeit des Rührers (q _ν ) verbundenen Äußerungen der Wärmeentwicklungen nicht berücksichtigt, welche durch Änderung der Viskosität der Kulturmischung während des Wachstums der Mikroorganismen hervorgerufen sind.

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 zusammenhängen.

Das zuletzt genannte Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und die Einrichtung zur Durchführung desselben gestatten es nicht, die Wärmeaufnahme bei endothermischen Reaktionen zu bestimmen. Außerdem kann die Einrichtung nicht in langzeitig verlaufenden Prozessen eingesetzt werden, weil mangels einer Rückführung der mit dem Gas austretenden Wasserdämpfe eine Austrocknung der Kulturmischung stattfindet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und eine Einrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, bei denen durch Kompensierung der Wärmeänderungen im Fermenter auf Grund von Wärme- und Stoffaustauschvorgängen und rheologischen Änderungen in der Kulturmischung die Meßgenauigkeit wesentlich verbessert ist.

Ausgehend von einem Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen während deren Züchtung bei vorgegebener Züchtungstemperatur in einem Nährmedium in einem Fermenter nach der Größe der von der Kulturmischung im Stadium der Züchtung der Mikroorganismen herrührenden Wärmeströmung, wobei die Kulturmischung durch Aussaat der Mikroorganismen ins Nährmedium gewonnen wurde und die Umgebungstemperatur des Fermenters gleich der vorgegebenen Züchtungstemperatur oder gleich der Temperatur der Kulturmischung gehalten wird, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Nährmedium und der Kulturmischung durch Erhitzen Wärme zugeführt wird, deren Menge der Wärmemenge entspricht, die für die Wärme- und Stoffaustauschvorgänge im Fermenter verbraucht wird und von diesem abgeht, im Stadium der Mikroorganismenzüchtung die zugeführte Wärmemenge proportional den Änderungen der Viskosität der Kulturmischung geändert wird und die Umgebungstemperatur des Fermenters an der Stelle, wo die von der Kulturmischung herrührende Wärmeströmung gemessen wird, gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung gehalten wird.

Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Meßeinrichtung mit einem Fermenter mit einer Vorrichtung zur Einbringung von Nährmedium und Saatgut in diesen, einem im Fermenter angeordneten, elektrisch angetriebenen Rührer mit einer Vorrichtung zur automatischen Konstanthaltung seiner Drehzahl, einem mit dem Fermenter in Wärmekontakt stehenden Wärmemesser und einem an diesen angeschlossenen Registriergerät, sowie einem zur Ableitung der Wärme vom Wärmemesser mit diesem in Wärmekontakt stehenden Wärmetauscher, wobei in weiterer Ausbildung der Erfindung im Fermenter eine Wärmequelle vorgesehen ist, die von einem Regelkreis gesteuert wird, welcher besteht aus einer Vorrichtung zur Messung der Viskosität der Kulturmischung, die vom Elektromotor des Rührers signalbeaufschlagt ist, einem an diese angeschlossenen Wandler zur Gewinnung eines Steuersignals für die Leistung der Wärmequelle aus der Viskositätsgröße und einem an diesen angeschlossenen Regler für die Leistung der Wärmequelle, dessen Ausgang an die Wärmequelle angeschlossen ist, sowie eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Umgebungstemperatur des Fermenters gleich der vorgegebenen Züchtungstemperatur oder gleich der Temperatur der Kulturmischung aufrechterhält, wobei der Wärmetauscher mit einer Vorrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur seiner Arbeitsfläche versehen ist.

Zweckmäßigerweise hat der Fermenter eine Vorrichtung zur Lufteinleitung in den Fermenter und eine an einen Gasableitstutzen angeschlossene Vorrichtung zum Gewinnen der Feuchtigkeit aus den aus dem Nährmedium und der Kulturmischung entweichenden Gasen und zum Rückleiten derselben in den Fermenter.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gestatten es, mit hoher Genauigkeit unmittelbar die biologische Wärme zu messen, die durch die Mikroorganismen während deren Wachstum entwickelt wird. Außerdem können biochemische, chemische, Wärme- und Stoffaustauschvorgänge sowohl in exo- und endothermischen als auch in kombinierten Prozessen untersucht werden, d. h. es ergibt sich ein weites Anwendungsgebiet.

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 zeigt:

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktion 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 Wärmeentwicklungen und für die Menge der gewonnen Biomasse des Pilzes Aspergillus niger T-33 als Produzenten der Glykoamylase, gemäß der Erfindung;

Fig. 4 Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion und für gesamte Wärmeentwicklungen von Bacillus circulans als Produzenten mazerierender Fermente bei veränderlichem pH-Wert, gemäß der Erfindung;

Fig. 5 Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion, für gesamte Wärmeentwicklungen und für die Zellulaseaktivität von Trishoderma veride als Zellulaseproduzenten, gemäß der Erfindung.

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. 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.

Außerdem wird die Temperatur der außerhalb des Fermenters 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 Kulturmischungstemperatur und an der Stelle, wo die von der Kulturmischung herrührende Wärmeströmung gemessen wird, gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung gehalten.

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.

Im allgemeinen kann die Wärmeströmung q _ν der Dissipation aus folgender Gleichung bestimmt werden:

Hierin bedeuten:

D Innendurchmesser des Fermenters; λ Wärmeleitfähigkeit der Suspension (Kulturmischung); Δ mittlere Differenz zwischen der Suspensiontemperatur und der der Fermenterwandung; a, m Konstanten; Re _w Reynolszahl; n Drehzahl des Rührers; D _M Durchmesser des Rührers; ν _c kinetische Viskosität der Suspension.

Bei der Zufuhr eines Gases durch die Suspensionsschicht im Fermenter gilt folgende Beziehung:

Hierin bedeuten:

dDurchmesser der Öffnung,AKonstante,Re _HReynolszahl,G _kGasverbrauch,γ _k, γ _cspezifische Gewichte der Gase und Suspension,μ _cdynamische Viskosität der Suspension,gFallbeschleunigung,σOberflächenspannung der Suspension

Die Wärme, die für das Erwärmen einer aus entweichenden Gasen kondensierten und in den Fermenter zurückgeleiteten Flüssigkeiten verbraucht wird, ermittelt man aus folgender Beziehung:

q _c = G _k (i₂ - i₁), (4)

worin i₂, i₁ die Luftenthalpie am Eintritt und Austritt des Fermenters ist.

Je nach dem zu untersuchenden Objekt (der Mikroorganismenart und der Viskosität des Nährmediums) sind die Größen q _ν, q _H und q _c wesentlich von der Änderung der rheologischen Parameter der Suspension während des Wachstums der Mikroorganismen abhängig. Die Größe q _O₂; 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.

Ist die Umgebungstemperatur gleich der Temperatur des Nährmediums (der Kulturmischung), so ist die Größe q _p gleich Null.

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 T₀=305,0 K ergibt sich folgende Beziehung:

q _ν + q _c ± q _O₂; CO₂ <q _H. (5)

Dann ist

= q _ν + q _c ± q _O₂; CO₂ - q _H < 0. (6)

Die Ungleichung (6) zeigt, daß beim Einführen einer Wärmequelle in den Fermenter, deren Wärmeströmung q _w während der Biosynthese zusammen mit den links stehenden Gliedern der Ungleichung (5) die Größe q _H kompensieren würde, die Größe verschwindet, d. h. in der Gleichung (1) ist q _T=q _b.

Da die Größen q _ν, q _H und q _c wesentlich von der Änderung der rheologischen Parameter der Suspension während des Wachstums der Mikroorganismen abhängen, kann diese Abhängigkeit einmalig in komplexer Weise für die betreffende Einrichtung bei einem stationären Zustand ermittelt und eine Abhängigkeit N=f ( ν ) gefunden werden, wobei N die Leistung einer Wärmequelle (z. B. eines elektrischen Heizelementes) ist.

Im weiteren mißt man bei der Messung der Wärmeproduktion der Mikroorganismen die Viskosität der Kulturmischung und ändert entsprechend der Abhängigkeit N=f ( n ) die Belastung der Wärmequelle, wodurch die Abhängigkeit eingehalten wird:

q _ν + q _c ± q _O₂; CO₂ - q _H - q _p + q _w = 0.

Ergibt sich eine Ungleichung

= q _ν + q _c ± q _O₂; CO₂ - q _H < 0 (7)

so ist während der Vorbereitung für die Messung und im Laufe des Meßvorganges aus dem Fermenterraum ein Wärmeteil q _A=const abzuleiten, der die Ungleichung sichert:

= q _ν + q _c ± q _O₂; CO₂ - q _H - q _A < 0. (8)

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen enthält einen Fermenter 1 (Fig. 1), der von einem wärmeisolierten Mantel 2 umschlossen ist. Mit dem Fermenter 1 sind eine Vorrichtung 3 zur Einbringung des Nährmediums und eine Vorrichtung 4 zur Einbringung des Saatgutes verbunden. Die genannte Vorrichtung 3 enthält ein Ventil 5, durch das die Zufuhr des Nährmediums mit Hilfe einer Steuereinheit 6 automatisch geregelt wird. Die Vorrichtung 4 zur Einbringung des Saatgutes ist auf der Grundlage eines Ventils aufgebaut.

In den Fermenter 1 ist ein Rührer 7 eingebaut, der mit einem Elektromotor 8 in Verbindung steht, der seinerseits mit einer Vorrichtung 9 zur automatischen Konstanthaltung einer vorgegebenen Drehzahl des Rührers verbunden ist, die einen Rührerdrehzahlgeber 10 enthält, der an eine Regeleinheit 11 für die Motorleistung angeschlossen ist.

Die Einrichtung ist auch mit einem Wärmemesser 12 versehen, der sich mit dem Fermenter 1 und einem Wärmetauscher 13 zur Wärmeableitung vom Wärmemesser in Wärmekontakt befindet. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Wärmetauscher 13 massiv ausgebildet und besteht aus einem Werkstoff (Duralaluminium) mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Im Wärmekontakt mit dem Wärmetauscher 13 steht eine Vorrichtung 14, durch die die Temperatur seiner Arbeitsfläche konstant oder gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung 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.

Der Wärmemesser 12 ist an ein Registriergerät 15 angeschlossen, das den Istwert der biologischen Wärmeproduktion der Mikroorganismen registriert.

Im Inneren des Fermenters 1 ist eine Wärmequelle 16, bei der hier zu behandelnden Ausführungsform 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 Viskositätsgröße in eine Leistungsgröße der Wärmequelle, der eingangsseitig an den Ausgang der Viskositätsmeßvorrichtung 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.

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 1 in einem Trockenluft-Thermostaten 21 untergebracht; dabei ist die Einrichtung mit einer Vorrichtung 22 versehen, durch 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 Temperatur-Sollwerteinsteller 23, der anfangs im Nährmedium und dann in der Kulturmischung untergebracht wird, einen Temperaturgeber 24, der im Trockenluft-Thermostaten 21 außerhalb des Fermenters 1 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 Trockenluft-Thermostaten 21 angeschlossen ist. Durch gestrichelte Linie ist die zwischen dem elektrischen Heizelement 28 und dem Temperaturgeber 24 bestehende Wärmeverbindung angedeutet.

Führt man den Vorgang der Mikroorganismuszüchtung mit einer Aeration durch, so ist der Fermenter 1 mit einer Vorrichtung 29 zur Lufteinführung 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.

Um die gegebenen Bedingungen für die Züchtung der Mikroorganismen beim Vorhandensein einer Aeration einzuhalten, enthält die Einrichtung auch eine Vorrichtung 32 zum Gewinnen der Feuchtigkeit aus den aus dem Nährmedium und der Kulturmischung entweichenden Gasen und zum Rückleiten derselben in den Fermenter, die mit einem im Fermenter 1 angeordneten Stutzen 33 zur Ableitung von entweichenden Gasen verbunden ist.

Um die Meßbedingungen zu erfüllen, die der Beziehung (7) entsprechen, ist im Fermenter 1 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.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen arbeitet folgendermaßen.

Vor Beginn der Messungen wird der Fermenter 1 (Fig. 1, 2) zuvor im Trockenluft-Thermostaten 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 Fermenter 1 über den Wärmemesser 12 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 Trockenluft-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 1 angeordneten Temperatur-Sollwerteinsteller 23 gegeben, (bei dem Fall, wenn die Temperatur im Trockenluft-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.

Falls die Temperatur im Trockenluft-Thermostaten 21 konstant und gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung aufrechterhalten wird, stellt man diese Temperatur mittels des Temperatur-Sollwerteinstellers 23 ein, der gegebenenfalls außerhalb des Fermenters 1 anzuordnen ist.

Vor Beginn der Messungen schafft man im Fermenter 1 die gegebenen Bedingungen für die Mikroorganismenzüchtung. Hierzu ist in den Fermenter 1 über die Vorrichtung 3 zur Einbringung des Nährmediums die erforderliche Menge des letzteren einzubringen.

Will man die Mikroorganismen mit Aeration züchten, so wird dem Nährmedium die vorgegeben 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 Luftzufuhr 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.

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. Das sich dabei bildende Kondensat wird in den Fermenter 1 zurückgeleitet.

Dann schaltet man die Vorrichtung 14 ein, die für die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur der Arbeitsfläche des Wärmetauschers so sorgt, und fördert kontinuierlich über die verzweigten Kanäle des Wärmetauschers 13 eine Flüssigkeit. Dabei wird die Wärme vom Wärmetauscher 13 über den Wärmemesser dem Nährmedium zugeführt, das in den Fermenter eingebracht ist.

Um das Erwärmen des Nährmediums im Fermenter auf die Temperatur 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 12 gleich Null ist, wird mit Hilfe der Wärmequelle 16 ein solches Verhältnis zwischen durch Wärme- und Stoffaustauschprozesse bedingten Wärmeströmungen im Fermenter 1 geschaffen, bei welchem das Nullsignal vom Wärmemesser 12 unveränderlich bleibt.

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 zurückgeleiteten 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 Laufe des gesamten Experimentes konstant, d. h. es wird die Beziehung (8) eingehalten.

Um die Gesetzmäßigkeiten der Einwirkung der Viskosität auf die im Fermenter 1 (Fig. 1, 2) verlaufenden Wärme- und Stoffaustauschprozesse festzustellen, d. h. um die Abhängigkeit der Leistung der Wärmequelle 16 von der Viskosität zu bestimmen, wird in den Fermenter 1 eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) eingebracht. Dieser Arbeitsgang ist einleitend und dementsprechend vor Einbringen des Nährmediums in den Fermenter 1 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 Leistungsgröße 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 Flüssigkeit 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.

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 19) aus.

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.

Während des Mikroorgansimenwachstums entwickelt sich biologische Wärme, die vom Fermenter 1 über den Wärmemesser 12 zum Wärmetauscher 13 abgeleitet wird. Die dabei im Wärmemesser 12 entstehende Thermo-EMK, 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 zusammensetzt, durch 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 Mikororganismen in Übereinstimmung.

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 Meßgenauigkeit aus, weil mit der Schwankung der Viskosität der Kulturmischung die mit dem Betrieb des Rührers verbundenen Wärmeentwicklungen zunehmen und sich die Wärme- und Stoffaustauschvorgänge im Fermenter 1 nach komplizierten Abhängigkeiten ändern, die mathematisch nicht erfaßbar sind.

All dies wirkt sich auf die Meßgenauigkeit der Wärmeproduktion von Mikroorganismen nachträglich aus.

Da bei der Viskositätsänderung der Kulturmischung die durch den Rührerdrehzahlgeber 10 gemessene Drehzahl des Rührers 7 mit Hilfe der Regeleinheit 11 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 Abhängigkeit, wobei die Komponenten von in der Gleichung (1) im Komplex genommen, gleich Null gehalten werden und über den Wärmemesser 12 nur die biologische Wärme q _b abgeführt wird.

Um das Endergebnis (für die spezifische Wärmeproduktion der Mikroorganismen) zu gewinnen, wird das vom Wärmemesser 12 abgenommene Signal nach der bekannten Formel:

q _b = k · U,

verarbeitet, worin q _b die spezifische Wärmeproduktion der Mikroorganismen während deren Wachstum, k einen konstanten Eichfaktor des Wärmemessers 12 und U eine Größe der Thermo-EMK vom Wärmemesser 12 bedeuten.

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.

Bei der Ermittlung der spezifischen Wärmeproduktion zeugt das vom Wärmemesser 12 eintreffende Vorzeichen "+" davon, daß im Arbeitsraum des Fermenters 1 eine exothermische und bei "-" eine endothermische Reaktion vor sich geht.

Somit gestatten das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen und die Einrichtung zu dessen Durchführung eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Wärmeproduktion beim Züchten 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.

In der Praxis mißt man die Wärmeproduktion von Mikroorganismen während deren Züchtung wie folgt.

Vor Beginn der Messungen füllt man den Fermenter mit 200 ml eines Nährmediums und sterilisiert in einem Autoklaven eine Stunde lang unter einem Druck von 1,25 atü.

Dann wird in einem Wasserthermostaten die Temperatur der Flüssigkeit eingestellt, die der Temperatur der Mikroorganismenzüchtung entspricht, und sie konstant im Laufe 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.

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 Trockenluft-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 Fermenters 1 liegenden Umgebung vermieden werden. Das Nutzvolumen betrug 3000 ml. Als Meßgeräte kamen ein hochempfindlicher Dreikanalschreiber, ein Digitalspannungsmesser und ein Digitalleistungsmesser zur Verwendung.

Man schließt an die Speisequelle das im Fermenter 1 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 1 untergebrachten elektrischen Heizelementes. Wenn sie die vorgegebene überschreitet, wird das Nährmedium auf die erforderliche Temperatur abgekühlt. Man schließt die als Wasserkondensator ausgeführte Vorrichtung 32 an den Stutzen 33 zur Ableitung von aus dem Fermenter entweichenden Gasen an und führt über eine Waschflasche (Vorrichtung 29) dem Fermenter 1 die zu Aerationszwecken notwendige Menge an steriler Luft zu.

Nachdem alle erforderlichen Züchtungsparameter stabilisiert sind, erreicht man mit Hilfe des Spannungsreglers den 0-Wert des vom Wärmemessers 12 eintreffenden Signals bei stationärem Betriebszustand der Einrichtung. Der gegebene Leistungswert des elektrischen Heizelementes wurde als experimentelle "Null" angenommen.

Nachdem sich im Fermenter 1 der Wärmehaushalt eingestellt hat, d. h. wenn die Anzeigen des Wärmemessers 12 binnen einer hinreichend langen Zeit gleich "Null" (±0,0002 mV) waren, wurde in den Fermenter 1 das Saatgut eingebracht.

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 Änderung der rheologischen Eigenschaften der Kulturmischung und folglich die Änderung der Leistung des elektrischen Heizelementes wurde auf experimentellem Wege vorausbestimmt. Die übrigen Wärmeentwicklungs- und Wärmeaufnahmegrößen blieben während der Züchtung unveränderlich.

Die unmittelbare Messung der Wärmeproduktion erfolgte nach den oben beschriebenen Vorbereitungsoperationen in Abhängigkeit von der Größe des vom Wärmemesser 12 abgenommenen Signals.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden die Messungen der Wärmeproduktion des mikroskopischen Pilzes Aspergillus niger als Produzenten von Glykoamylase, von Bacillus circulans als Produzenten mazerierter Fermente sowie von Trichoderma veride als Produzenten von Zellulase durchgeführt.

Nachstehend folgen konkrete Beispiele des Verfahrens zur Messung der Wärmeproduktion der genannten Mikroorganismen.

Beispiel 1

Bei der Züchtung von Asp. niger betrug die Züchtungstemperatur 305 K; pH=5,5; Züchtungszeit τ=144 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 % aus:

Maismehl7,0 Maisstärke5,0 Eiweiß-Vitamin-Konzentrat3,0 (NH₄)₂HPO₄0,1 Schaumverhüttungsmittel (Pottwaltran)0,1 Pektophostidin0,1 α-Amylase umgerechnet auf 2 Einheiten je g Stärke.

Es wurden Maismehl und Maisstärke mit α-Amylase vorhydrolysiert.

Die Menge an Saatgut betrug 1 · 10⁶ Sporen je 100 ml Nährmedium. Entsprechend Beispiel 1 sind in Fig. 3 Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion q (in kJ/h · kg ACB, Kurve 1), 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.

Wie die Analyse der Kurven 1 und 3 zeigt, korreliert die Zunahme der Biomasse ziemlich gut mit dem Verlauf der Wärmeproduktion (Kurve 1).

Die Viskosität stieg während der Kultivierung ums 67fache gegenüber der ursprünglichen an und sank danach ab, blieb aber größer um das 1,78fache als die ursprüngliche.

Beispiel 2

Bei der Züchtung von Bacillus circulans betrug die Züchtungstemperatur 310 K; Züchtungszeit τ=50 Stunden; Drehzahl des Rührers n=180 U/min; der Vorgang verlief unter anaeroben Bedingungen; das Nährmedium bestand in % aus:

Rübenschnitzel2,0 NH₄Cl0,2 NaH₂PO₄0,3 K₂HPO₄1,3 CaCl₂0,02 Alkalihydrolisat von Eiweiß-Vitamin-Konzentrat1,0

Entsprechend Beispiel 2 sind in Fig. 4 Kurven für Kinetik der Wärmeproduktion q (Kurve 1, pH=7,78; Kurve 2, pH=6,28) und für gesamte Wärmeentwicklungen Q (Kurve 3, pH=7,78; Kurve 4, pH=6,28) gezeigt.

Beispiel 3

Bei der Züchtung von Tr. veride betrug die Züchtungstemperatur 303 K; Züchtungszeit τ=116 h, Drehzahl des Rührers n=100 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 1 . . . 3 mm 4,0 Schlempenfiltrat 5,0 K₂HPO₄ 0,2 NH₄NO₃ 0,4 10%iger Malzkeimauszug10,0 Mg SO₄ 0,03 Weizenkleie 0,5 H₃PO₄ (zwecks Einstellung des pH-Wertes) 0,2 Schaumverhüttungsmittel (Pottwaltran) 0,1

Man führte die Aussaat mit einer Suspension von Sporen durch, die von einem festen Nährboden abgespült und auf einer Schaukel geschaukelt wurde.

Entsprechend dem Beispiel 3 sind Kurven für die Kinetik der spezifischen Wärmeproduktion q (Kurve 1) für gesamte Wärmeentwicklungen Q (Kurve 2) und für die Zellulaseaktivität C (in Einheit/ml, Kurve 3) in Fig. 5 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Wärmeproduktion von Mikroorganismen während deren Züchtung bei vorgegebener Züchtungstemperatur in einem Nährmedium in einem Fermenter nach der Größe der von der Kulturmischung im Stadium der Züchtung der Mikroorganismen herrührenden Wärmeströmung, wobei die Kulturmischung durch Aussaat der Mikroorganismen ins Nährmedium gewonnen wurde, wobei die Umgebungstemperatur des Fermenters gleich der vorgegebenen Züchtungstemperatur oder gleich der Temperatur der Kulturmischung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nährmedium und der Kulturmischung durch Erhitzen Wärme zugeführt wird, deren Menge der Wärmemenge entspricht, die für die Wärme- und Stoffaustauschvorgänge im Fermenter verbraucht wird und von diesem abgeht, im Stadium der Mikroorganismenzüchtung die zugeführte Wärmemenge proportional den Änderungen der Viskosität der Kulturmischung geändert wird und die Umgebungstemperatur des Fermenters an der Stelle, wo die von der Kulturmischung herrührende Wärmeströmung gemessen wird, gleich der vorgegebenen Temperatur der Mikroorganismenzüchtung gehalten wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Fermenter,
einer Vorrichtung zur Einbringung von Nährmedium und Saatgut in diesen,
einem im Fermenter angeordneten, elektrisch angetriebenen Rührer mit
einer Vorrichtung zur automatischen Konstanthaltung seiner Drehzahl,
einem mit dem Fermenter in Wärmekontakt stehenden Wärmemesser und einem an diesen angeschlossenen Registriergerät,
einem zur Ableitung der Wärme vom Wärmemesser mit diesem in Wärmekontakt stehenden Wärmetauscher,
gekennzeichnet durch eine im Fermenter (1) untergebrachte Wärmequelle (16) und einen diese steuernden Regelkreis (17), welcher besteht aus
einer Vorrichtung (18) zur Messung der Viskosität der Kulturmischung, die vom Elektromotor (8) des Rührers (7) signalbeaufschlagt ist,
einem an diese angeschlossenen Wandler (19) zur Gewinnung eines Steuersignals für die Leistung der Wärmequelle aus der Viskositätsgröße und
einem an diesen angeschlossenen Regler (20) für die Leistung der Wärmequelle, dessen Ausgang an die Wärmequelle (16) angeschlossen ist,
sowie mit einer Vorrichtung (22) zur Aufrechterhaltung einer Umgebungstemperatur des Fermenters (1), die gleich der vorgegebenen Züchtungstemperatur oder gleich der Temperatur der Kulturmischung ist,
wobei der Wärmetauscher (13) mit seiner Vorrichtung (14) zur Konstanthaltung der Temperatur seiner Arbeitsfläche versehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (29) zur Lufteinleitung in den Fermenter (1) und
eine an einen Gasableitstutzen (33) des Fermenters (1) angeschlossene Vorrichtung (32) zum Gewinnen der Feuchtigkeit aus den aus dem Nährmedium und der Kulturmischung entweichenden Gasen und zum Rückleiten derselben in den Fermenter.