DE3139310C2 - System for controlling the cultivation of microorganisms - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung der Kultivierung von Mikroorganismen, das ein Steuerpult (3), daran angeschlossene Geber (1) zur Erfassung der zu kontrollierenden Parameter, eine Eingabeeinrichtung (4) zur Eingabe von chemischen Analysendaten, einen Einstellblock und einen Steuersignalgeber aufweist; das erfindungsgemäße System ist durch einen Kanal zur Steuerung der Mikroorganismenkultivierung aufgrund morphologischer Kenndaten der Mikroorganismen gekennzeichnet. Dieser Kanal umfaßt ein Abtastmikroskop (11), von dem die Information über die untersuchte Probe der Suspension der Mikroorganismenpopulation übertragen wird, einen Speicher (14), der zur Speicherung der von den Gebern (1) und der Recheneinrichtung (12) gelieferten Information dient und mit den Gebern (1) eingangsseitig verbunden ist, sowie einen Korrektursignalgeber (18).The invention relates to a system for controlling the cultivation of microorganisms, which has a control panel (3), sensors (1) connected to it for recording the parameters to be controlled, an input device (4) for entering chemical analysis data, a setting block and a control signal transmitter; the system according to the invention is characterized by a channel for controlling the cultivation of microorganisms on the basis of morphological characteristics of the microorganisms. This channel comprises a scanning microscope (11) from which the information about the sample of the suspension of the microorganism population being examined is transmitted, a memory (14) which serves to store the information supplied by the sensors (1) and the computing device (12) and which is connected to the sensors (1) on the input side, and a correction signal transmitter (18).
Description
Die Erfindung betrifft Systeme zur Steuerung technologischer Prozesse und insbesondere Systeme zur Steuerung der Züchtung von Mikroorganismen.The invention relates to systems for controlling technological processes and in particular to systems for controlling the cultivation of microorganisms.
Das erfindungsgemäße System eignet sich insbesondere zur Anwendung in der technischen Mikrobiologie, beispielsweise zur Herstellung eiweiß- und vitaminhaltiger Konzentrate, Enzyme, Antibiotika u. dgl., d. h. für Produktionsprozesse, bei denen Mikroorganismen gezüchtet werden.The system according to the invention is particularly suitable for use in technical microbiology, for example for the production of protein and vitamin-containing concentrates, enzymes, antibiotics and the like, i.e. for production processes in which microorganisms are cultivated.
Es sind bereits mehrere Systeme zur Steuerung von Fermentationsprozessen bekannt. Hierzu gehört ein System zur Regelung der Komponentenzufuhr, bei dem die Zufuhr der Komponenten lediglich in Abhängigkeit von der Wärmeentwicklung geregelt wird. Ein anderes bekanntes System weist eine Logikeinrichtung auf, die mit dem Ausgang einer Einheit zur Bestimmung des Atmungsquotienten sowie mit Gebern zur Überwachung der gelösten Sauerstoffmenge und einem Stellglied verbunden ist. Auch bei einigen anderen bekannten Systemen wird der Prozeß aufgrund von Geberdaten über die Änderung der gelösten Sauerstoffmenge geregelt.Several systems for controlling fermentation processes are already known. These include a system for controlling the supply of components, in which the supply of components is only regulated depending on the heat development. Another known system has a logic device that is connected to the output of a unit for determining the respiratory quotient, as well as sensors for monitoring the amount of dissolved oxygen and an actuator. In some other known systems, the process is also controlled based on sensor data on the change in the amount of dissolved oxygen.
Es ist ferner ein System bekannt, bei dem die zur Prozeßüberwachung eingesetzten Geber über eine Logikeinrichtung mit einem Steuersignalgeber verbunden sind, dessen Ausgänge an Stellglieder angeschlossen sind, die zur Regelung der Komponentenzufuhr zu einem Fermenter dienen.A system is also known in which the sensors used for process monitoring are connected via a logic device to a control signal transmitter, the outputs of which are connected to actuators which serve to control the component supply to a fermenter.
Dieses System weist elektrische Geber auf, deren Signale den Volumina einzelner Zellen der Mikroorganismen proportional sind. Ferner werden bei diesem System ein elektrischer Durchlässigkeitsgeber mit einem zweipoligen elektrischen Schwingungsgenerator zur Erzeugung einer Information über die Menge der Biomasse und der Hauptkomponente des Rohmaterials, ein Geber zur Erfassung der gelösten Gasmenge sowie ein optischer Geber in einem turbidostatischen Dichteregelungskanal verwendet. Bei diesem System werden nicht alle bekannten Geber zur Überwachung von Kennwerten des Fermentationsvorgangs angewandt, auch werden keine Daten der chemischen und mikrobiologischen Analyse der gezüchteten Kultur im System benutzt.This system has electrical sensors whose signals are proportional to the volumes of individual cells of microorganisms. In addition, this system uses an electrical permeability sensor with a two-pole electric oscillation generator to generate information about the amount of biomass and the main component of the raw material, a sensor for detecting the amount of dissolved gas, and an optical sensor in a turbidostatic density control channel. This system does not use all known sensors for monitoring the parameters of the fermentation process, nor does it use data from chemical and microbiological analysis of the culture grown in the system.
Bei allen bekannten Systemen werden die Gebersignale ferner zur Stabilisierung der Prozeßparameter oder zu ihrer Änderung aufgrund eines mathematischen Näherungsmodells verwendet. Die Steuerung der Züchtung von Mikroorganismen ist jedoch so kompliziert, daß sie derzeit mit Hilfe mathematischer Modelle nicht vollständig beschrieben werden kann, weshalb mathematische Modelle keine weitgehende Anwendung finden.In all known systems, the sensor signals are also used to stabilize the process parameters or to change them based on an approximate mathematical model. However, the control of the cultivation of microorganisms is so complicated that it cannot currently be fully described using mathematical models, which is why mathematical models are not widely used.
Ein weiteres bekanntes System zur Kontrolle und Regelung der wichtigsten Prozeßparameter bei der Herstellung von Eiweiß-Vitamin-Konzentraten mit kohlenwasserstoffoxierenden Hefen beruht ebenfalls auf dem bekannten Verfahren der Parameterstabilisierung auf einem vorgegebenen Niveau (vgl. A. A. Krassovski, Grundlagen der Automation und der technischen Kybernetik, Moskau, 1961).Another well-known system for controlling and regulating the most important process parameters in the production of protein-vitamin concentrates using hydrocarbon-oxidizing yeasts is also based on the well-known method of parameter stabilization at a predetermined level (cf. A. A. Krassovski, Fundamentals of Automation and Technical Cybernetics, Moscow, 1961).
Dieses System enthält einen Fermenter, einen Geberblock zur Erfassung der zu kontrollierenden Parameter des Kulturmediums, einen Steuersignalgeber, einen Stellgliedblock zur Steuerung der Zufuhr der Komponenten des Kulturmediums und zur Einhaltung der Züchtungsbedingungen innerhalb vorgegebener Grenzen, ein Steuerpult, einen Einstellblock zur Vorgabe anfänglicher Parameterwerte sowie eine Einrichtung zur Eingabe von Ergebnissen der chemischen Analyse. Der Fermentationsvorgang wird vom Steuerpult aus aufgrund von Daten des Geberblocks sowie von chemischen Daten korrigiert, die alle zwei Stunden in das Steuerpult eingegeben werden.This system includes a fermenter, a sensor block for recording the parameters of the culture medium to be controlled, a control signal generator, an actuator block for controlling the supply of the components of the culture medium and maintaining the cultivation conditions within specified limits, a control panel, a setting block for setting initial parameter values and a device for entering chemical analysis results. The fermentation process is corrected from the control panel based on data from the sensor block and chemical data that are entered into the control panel every two hours.
Dabei werden folgende wichtige Parameter des Fermentationsvorgangs sowie folgende chemische Daten zur Prozeßsteuerung herangezogen:
- Nutzinhalt des Fermenters (für Hefesuspension) (m3),
Durchflußgeschwindigkeit der Kulturflüssigkeit (m3/h),
Temperatur der Hefesuspension (°C),
pH-Wert des Mediums,
CO2-Gehalt in den Abgasen (%),
O2-Gehalt in den Abgasen (%),
Belüftung (m3/h),
Phosphorgehalt (mg/l),
Stickstoffgehalt (mg/l),
Paraffingehalt im Medium (mg/l),
Paraffingehalt insgesamt (Paraffingehalt im Medium + Lipideinschlüsse + Paraffingehalt in den Zellen),
Konzentration der Hefezellen (%),
Eiweißgehalt in der Biomasse (%),
Lipidgehalt in der Biomasse (%),
Gehalt an restlichen Kohlenhydraten in der Biomasse (%),
Feuchtigkeit (%),
Aschegehalt der Biomasse (%),
feste Beimengungen und
Qualität (Tap) des benutzten Rohstoffs (Paraffin u. dgl.).
The following important parameters of the fermentation process as well as the following chemical data are used to control the process:
- Useful capacity of the fermenter (for yeast suspension) (m 3 ),
Flow rate of the culture liquid (m 3 /h),
Temperature of yeast suspension (°C),
pH value of the medium,
CO 2 content in exhaust gases (%),
O 2 content in exhaust gases (%),
Ventilation (m 3 /h),
Phosphorus content (mg/l),
Nitrogen content (mg/l),
Paraffin content in the medium (mg/l),
Total paraffin content (paraffin content in the medium + lipid inclusions + paraffin content in the cells),
Concentration of yeast cells (%),
Protein content in biomass (%),
Lipid content in biomass (%),
Content of residual carbohydrates in biomass (%),
Humidity (%),
Ash content of biomass (%),
solid admixtures and
Quality (Tap) of the raw material used (paraffin etc.).
Dieses herkömmliche System arbeitet wie folgt:This conventional system works as follows:
Im Fermenter werden Mikroorganismen, beispielsweise Hefezellen, gezüchtet, die das Paraffin oxidieren. Die Geber messen die oben angegebenen Parameter des Fermentationsvorgangs in der betreffenden Kultur. Die Ausgangssignale des Geberblocks werden mit vorgegebenen anfänglichen Einstellwerten im Steuersignalgeber verglichen; die sich aus der Differenz der vorgegebenen und der tatsächlichen Parameter ergebenden Differenzsignale werden den Stellgliedern zugeführt. Die Stellglieder vergrößern oder verringern proportional zu der vorliegenden Sollwertabweichung die Zufuhr der in den Fermenter eingeleiteten Komponente, die die Abweichung eines gesteuerten Parameters vom Sollwert verursacht hatte. Wenn sich beispielsweise der pH-Wert des Materials im Fermenter geändert hat, wird die Zufuhr von Ammoniak um einen am Steuerpult vorgegebenen Betrag so verringert, daß wieder ein normaler Prozeßablauf erzielt wird. In ähnlicher Weise werden auch die übrigen Parameter geregelt.Microorganisms, such as yeast cells, are grown in the fermenter and oxidize the paraffin. The sensors measure the parameters of the fermentation process in the culture in question as specified above. The output signals from the sensor block are compared with predetermined initial setting values in the control signal sensor; the difference signals resulting from the difference between the predetermined and the actual parameters are fed to the actuators. The actuators increase or decrease the supply of the component introduced into the fermenter that caused the deviation of a controlled parameter from the set value in proportion to the existing set value deviation. If, for example, the pH of the material in the fermenter has changed, the supply of ammonia is reduced by an amount specified on the control panel so that normal process flow is achieved again. The other parameters are controlled in a similar way.
Dieses System zur Steuerung des Fermentationsvorgangs ist jedoch nicht dazu geeignet, eine optimale Prozeßsteuerung zu gewährleisten, bei der bei minimalem Rohstoffverbrauch und minimalem Prozentgehalt an restlichen Kohlenwasserstoffen in der Biomasse eine maximale Ausbeute an Biomasse erreicht wird. Die Abweichungen des Fermentationsvorgangs vom normalen Ablauf beruhen auf drei Hauptursachen:However, this system for controlling the fermentation process is not suitable for ensuring optimal process control, in which a maximum yield of biomass is achieved with minimal raw material consumption and a minimum percentage of residual hydrocarbons in the biomass. The deviations of the fermentation process from the normal course are based on three main causes:
Ein Grund besteht darin, daß im System keine kontinuierliche quantitative Bewertung zeitlich diskret, beispielsweise alle zwei Stunden, gelieferter mikrobiologischer Daten und keine Bewertung der Konzentration der Biomasse und der restlichen Nährkomponenten vorgenommen werden können.One reason is that the system does not allow for a continuous quantitative evaluation of microbiological data delivered at discrete times, for example every two hours, and for an evaluation of the concentration of biomass and the remaining nutrient components.
Ein weiterer, nicht weniger wichtiger Grund ist die Unvollständigkeit der visuellen morphologischen Beschreibung der Mikroorganismenzellen, beispielsweise Hefezellen, da eine vollständige Beschreibung zu einer unzulässigen Verlängerung der diskret ausgegebenen morphologischen Daten führen würde. Außerdem können einige mikrobiologische Daten wie etwa die statischen Strukturcharakteristiken der gesamten Mikroorganismenpopulation überhaupt nicht qualitativ bewertet werden, obgleich diese Charakteristiken durchaus günstig als Parameter für die Prozeßsteuerung herangezogen werden könnten.Another, no less important reason is the incompleteness of the visual morphological description of the microorganism cells, for example yeast cells, since a complete description would lead to an unacceptable extension of the discretely output morphological data. In addition, some microbiological data, such as the static structural characteristics of the entire microorganism population, cannot be qualitatively assessed at all, although these characteristics could be used favorably as parameters for process control.
Die dritte Ursache für die Prozeßabweichungen vom optimalen Ablauf liegt in der subjektiven Entscheidung des Steuerpersonals, das die eingestellten Werte der Hauptparameter aufgrund erhaltener Daten vom Steuerpult aus ändert. Auch dies führt zu Prozeßabweichungen vom optimalen Verlauf und damit zu einer Verringerung der erzeugten Menge an Biomasse und ihrer Qualität.The third reason for process deviations from the optimal course is the subjective decision of the control staff, who changes the set values of the main parameters based on the data received from the control panel. This also leads to process deviations from the optimal course and, as a result, to a reduction in the amount of biomass produced and its quality.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Steuerung der Züchtung von Mikroorganismen anzugeben, bei dem die automatische Bestimmung der morphologischen Merkmale und der statischen Charakteristiken einer Mikroorganismenpopulation bei ihrer Züchtung und Identifizierung ermöglicht und dadurch die Optimierung des Züchtungsvorgangs hinsichtlich Ausbeute und Produktqualität gewährleistet wird.The invention is based on the object of specifying a system for controlling the cultivation of microorganisms, which enables the automatic determination of the morphological features and the static characteristics of a microorganism population during their cultivation and identification, thereby ensuring the optimization of the cultivation process with regard to yield and product quality.
Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.The task is solved as expected.
Das erfindungsgemäße System zur Steuerung der Kultivierung von Mikroorganismen weist ein Steuerpult zur Eingabe von Meßergebnissen der zu kontrollierenden Parameter und chemischen Analysendaten des Kulturmediums, Geber, die die zu kontrollierenden Parameter des Kulturmediums erfassen, eine Eingabeeinrichtung zur Eingabe chemischer Analysendaten, einen Einstellblock zur Vorgabe anfänglicher Steuersignalwerte und einen Steuersignalgeber auf, dessen Eingänge mit dem Steuerpult und dem Einstellblock und dessen Ausgänge mit Stellgliedern zur Änderung der Zufuhr der Komponenten des Kulturmediums zur Einhaltung der Kultivierungsbedingungen innerhalb vorgegebener Grenzen verbunden sind und ist gekennzeichnet durch einen Kanal zur Steuerung der Mikroorganismen nach morphologischen Kennwerten mit
- - einer Recheneinheit zur Berechnung der morphologischen Kennwerte der Mikroorganismenpopulation,
- einem Abtastmikroskop zur Untersuchung von Proben der Mikroorganismensuspension und zur Übertragung der Information auf die Recheneinrichtung,
- einem Speicher zur Speicherung der von den Gebern und der Recheneinrichtung gelieferten Informationen, dessen Eingänge mit den Gebern und dessen Ausgänge mit der Recheneinrichtung verbunden sind, und
- einem Korrektursignalgeber zur Korrektur der Steuersignale, dessen Eingänge mit den Gebern, den Ausgängen der Recheneinrichtung, des Speichers und der Eingabeeinrichtung zur Eingabe von chemischen Analysendaten und dessen Ausgänge über einen Schalter mit dem Steuerpult und dem Steuersignalgeber verbunden sind.
The system according to the invention for controlling the cultivation of microorganisms comprises a control panel for entering measurement results of the parameters to be controlled and chemical analysis data of the culture medium, sensors which record the parameters of the culture medium to be controlled, an input device for entering chemical analysis data, a setting block for specifying initial control signal values and a control signal generator, the inputs of which are connected to the control panel and the setting block and the outputs of which are connected to actuators for changing the supply of the components of the culture medium to maintain the cultivation conditions within predetermined limits and is characterized by a channel for controlling the microorganisms according to morphological characteristics with
- - a computing unit for calculating the morphological characteristics of the microorganism population,
- a scanning microscope for examining samples of the microorganism suspension and for transferring the information to the computer,
- a memory for storing the information supplied by the sensors and the computing device, the inputs of which are connected to the sensors and the outputs of which are connected to the computing device, and
- a correction signal generator for correcting the control signals, the inputs of which are connected to the sensors, the outputs of the computing device, the memory and the input device for entering chemical analysis data and the outputs of which are connected via a switch to the control panel and the control signal generator.
Zur Überwachung des Kultivierungsvorgangs, beispielsweise der Hefezüchtung, kann die Recheneinrichtung zur Berechnung der morphologischen Kennwerte der Mikroorganismenpopulation ein Abtastmikroskop zur Untersuchung von Proben des Kulturmediums und zur Übertragung der Information an eine zur Erzeugung von mikroskopischen Abbildungen der Mikroorganismenpopulation vorgesehene Abbildungseinheit enthalten, deren Ausgänge mit einer Einheit zur Bestimmung der Maximalgröße der Zellen der Mikroorganismen bei ihrer Kultivierung, einer Einheit zur Ermittlung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas jeder abgetasteten Zelle, einer Einheit zur Bestimmung der polymodalen Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden aller Zellen und Tropfen des festlöslichen Substrats im Abtastfeld, einer Einheit zur Bestimmung des Prozentgehalts an knospenden Zellen, einer Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses der Vakuolenfläche zur Zellenfläche, einer Einheit zur Bestimmung des Formfaktors, einer Einheit zum Nachweis einer vorhandenen infizierenden bakteriellen Mikroflora und einer Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche von Lipideinschlüssen zur Zellenfläche verbunden sind, wobei der Ausgang der Einheit zur Ermittlung der Maximalgröße der Zellen mit dem Eingang der Einheit zur Bestimmung des Formfaktors verbunden ist und der Ausgang der Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses von Vakuolenfläche zu Zellenfläche am Eingang der Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche von Lipideinschlüssen zur Zellenfläche liegt.To monitor the cultivation process, for example yeast cultivation, the computing device for calculating the morphological parameters of the microorganism population can contain a scanning microscope for examining samples of the culture medium and for transmitting the information to an imaging unit designed to produce microscopic images of the microorganism population, the outputs of which are connected to a unit for determining the maximum size of the cells of the microorganisms during their cultivation, a unit for determining the distribution function of the brightness amplitudes of the cytoplasm of each scanned cell, a unit for determining the polymodal distribution function of the brightness amplitudes of all cells and drops of the solid-soluble substrate in the scanning field, a unit for determining the percentage of budding cells, a unit for determining the ratio of the vacuole area to the cell area, a unit for determining the form factor, a unit for detecting the presence of infective bacterial microflora and a unit for determining the ratio of the area of lipid inclusions to the cell area, the output of the unit for determining the maximum size of the cells being connected to the input of the unit for determining the form factor and the output of the unit for determining the ratio of vacuole area to cell area being connected to the Input of the unit for determining the ratio of the area of lipid inclusions to the cell area.
Der zur Speicherung der erhaltenen Information vorgesehene Speicher kann seinerseits eine Gruppe von Einheiten zur Bildung von Sätzen von Prozeßzustands-Kenndaten enthalten, die dem jeweiligen Zusammenhang zwischen dem Durchsatz an Nährmedium, der Hauptsubstratzufuhr und der Zufuhr von Salzen und Spurenelementen entsprechen; jede dieser Einheiten kann über eine entsprechende Vergleichsschaltung an einen Umschalter angeschlossen werden, der von einem Parametereinsteller gesteuert wird und eingangsseitig über eine logische UND- Schaltung mit der Eingabeeinrichtung zur Eingabe von chemischen Analysendaten, der Recheneinrichtung zur Berechnung der morphologischen Kennwerte und den Gebern zur Erfassung der zu überwachenden Parameter des Kulturmediums verbunden ist, wobei die Eingänge der logischen UND-Schaltung an die Ausgänge von Vergleichern angeschlossen sind, die zum Vergleich der Konzentration der Biomasse und des Restsubstrats zu verschiedenen Zeitpunkten dienen.The memory provided for storing the information obtained may in turn contain a group of units for forming sets of process state characteristics corresponding to the respective relationship between the throughput of nutrient medium, the main substrate supply and the supply of salts and trace elements; each of these units can be connected via an appropriate comparison circuit to a switch controlled by a parameter adjuster and connected on the input side via a logical AND circuit to the input device for entering chemical analysis data, the computing device for calculating the morphological characteristics and the sensors for recording the parameters of the culture medium to be monitored, the inputs of the logical AND circuit being connected to the outputs of comparators which serve to compare the concentration of the biomass and the residual substrate at different times.
Der Korrektursignalgeber enthält vorteilhafterweise folgende Schaltungen: Eine Schaltung zur Auswahl von Gewichtsfaktoren der Kenndaten aller Informationssätze, eine an den Ausgang dieser Schaltung angeschlossene Zuordnungsschaltung zur Zuordnung der jeweiligen Gewichtungsfaktoren zu den Kenndatensätzen, eine an den Ausgang dieser Zuordnungsschaltung angeschlossene Klassierungsschaltung zur Klassierung von Kenndatengruppen des jeweiligen Prozeßzustands und ihrer Zuordnung zu einem der im Speicher abgespeicherten Kenndatensätze sowie eine mit dem Ausgang der Klassierungsschaltung verbundene Korrekturschaltung zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte.The correction signal generator advantageously contains the following circuits: a circuit for selecting weighting factors of the characteristic data of all information sets, an assignment circuit connected to the output of this circuit for assigning the respective weighting factors to the characteristic data sets, a classification circuit connected to the output of this assignment circuit for classifying characteristic data groups of the respective process state and assigning them to one of the characteristic data sets stored in the memory, and a correction circuit connected to the output of the classification circuit for correcting the set parameter values.
Wenn die beim Steuervorgang erzeugten Korrektursignale zu einer Erhöhung der Konzentration an Biomasse führen und keine Erhöhung der Konzentration des Restsubstrats bewirken, werden die summarischen Zustandskenndaten in eine der Einheiten zur Bildung von Kenndatensätzen eingegeben, wobei der Korrektursignalgeber zu diesem Zweck Vergleicher zum Vergleich der Konzentrationen der Biomasse und des Restsubstrats zu verschiedenen Zeitpunkten, eine mit den Eingängen an die Vergleicher angeschlossene logische UND-Schaltung sowie eine Schaltung zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination durch die laufende Kombination der gleichen Kenndaten enthält.If the correction signals generated during the control process lead to an increase in the concentration of biomass and do not cause an increase in the concentration of the residual substrate, the summary state characteristics are entered into one of the units for forming characteristic data sets, whereby the correction signal generator contains for this purpose comparators for comparing the concentrations of biomass and residual substrate at different times, a logical AND circuit connected to the inputs of the comparators and a circuit for substituting the next combination of characteristic data with the current combination of the same characteristic data.
Der Korrektursignalgeber kann einen Substitutionszähler aufweisen, der mit dem Ausgang der Schaltung zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination verbunden wird, sowie eine Vergleichsschaltung zum Vergleich der vorgegebenen Substitutionszahl mit der gemessenen Substitutionszahl aufweisen, wobei der Eingang dieser Vergleichsschaltung mit dem Ausgang des Zählers und ihr Ausgang mit der Schaltung zur Auswahl von Gewichtungsfaktoren verbunden sind.The correction signal generator can have a substitution counter which is connected to the output of the circuit for substituting the next characteristic data combination, and a comparison circuit for comparing the predetermined substitution number with the measured substitution number, the input of this comparison circuit being connected to the output of the counter and its output being connected to the circuit for selecting weighting factors.
Wenn sich beim Betrieb des Systems eine Kenndatengruppe ergibt, die früher nicht vorgekommen war und von den zuvor beim Lernbetrieb eingebrachten Zustandsmerkmalen erheblich abweicht, kann in das erfindungsgemäße System zur Vorbeugung von Ausfällen eine mit dem Ausgang der Recheneinrichtung verbundene Einheit zur integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation und ein Mehrkanalkorrelator, dessen Eingänge mit den Gebern für die zu kontrollierenden Parameter und mit der Einheit zur integrierten Bewertung verbunden werden, sowie ein Extremwertregler vorgesehen werden, dessen Eingang an den Ausgang des Mehrkanalkorrelators angeschlossen und dessen Ausgang mit dem Steuerpult verbunden wird, wobei die Einheit zur integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation einen Quadrierer, in den über eine Vergleichsschaltung der jeweilige und der vorgegebene Wert der entsprechenden Zustandskenndaten eingegeben werden, sowie einen Summierer mit einer Speichereinrichtung aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang des Quadrierers verbunden ist, wobei am Ausgang des Summierers ein Signal erzeugt wird, das der integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation entspricht.If, during operation of the system, a group of characteristics arises which has not previously occurred and which differs significantly from the state characteristics previously introduced during learning, the system according to the invention for preventing failures can be provided with a unit for integrated assessment of the state of the microorganism population connected to the output of the computing device and a multi-channel correlator whose inputs are connected to the sensors for the parameters to be controlled and to the unit for integrated assessment, as well as an extreme value controller whose input is connected to the output of the multi-channel correlator and whose output is connected to the control panel, wherein the unit for integrated assessment of the state of the microorganism population has a squarer into which the respective and the predetermined value of the corresponding state characteristics are entered via a comparison circuit, and an adder with a storage device whose input is connected to the output of the squarer, wherein a signal is generated at the output of the adder which corresponds to the integrated assessment of the state of the microorganism population.
Zur Kontrolle der Kultivierung des Mycels höherer Pilze kann die Recheneinrichtung eine Einheit zur Erzeugung von Abbildungen der Mikroorganismenpopulation enthalten, an deren Ausgängen entsprechend eine Einheit zur Bestimmung des Pilzfadendurchmessers, eine Einheit zur Bestimmung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas bei jedem abgetasteten Pilzfaden sowie eine Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche von Lipideinschlüssen zur Pilzfadenfläche vorgesehen sind.To control the cultivation of the mycelium of higher fungi, the computing device may contain a unit for generating images of the microorganism population, at the outputs of which there are provided, respectively, a unit for determining the fungal thread diameter, a unit for determining the distribution function of the brightness amplitudes of the cytoplasm for each scanned fungal thread and a unit for determining the ratio of the area of lipid inclusions to the fungal thread area.
Mit dem erfindungsgemäßen System läßt sich die Mikroorganismenkultivierung nicht nur automatisieren, sondern auch optimieren, wobei die Leistung des Fermenters sowie die Qualität des Endprodukts bedeutend erhöht werden.With the system according to the invention, the cultivation of microorganisms can not only be automated but also optimized, whereby the performance of the fermenter and the quality of the final product are significantly increased.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing; it shows
Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 1 is a diagram of the system according to the invention;
Fig. 2 ein Schema der Recheneinrichtung des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 2 is a diagram of the computing device of the system according to the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Speichers des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 3 is a schematic representation of the memory of the system according to the invention;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Korrektursignalgebers des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 4 is a schematic representation of the correction signal generator of the system according to the invention;
Fig. 5 ein Schema des Korrektursignalgebers mit einem Substitutionszähler; Fig. 5 is a diagram of the correction signal generator with a substitution counter;
Fig. 6 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 6 shows another embodiment of the system according to the invention;
Fig. 7 ein Blockschaltbild der Einheit zur integrierten Bewertung des erfindungsgemäßen Systems sowie Fig. 7 is a block diagram of the unit for integrated evaluation of the system according to the invention and
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Recheneinrichtung des erfindungsgemäßen Systems. Fig. 8 is a block diagram of another embodiment of the computing device of the system according to the invention.
Zur Erfassung der zu steuernden Parameter des Kulturmediums enthält das erfindungsgemäße System Geber 1 (Fig. 1), die sich im Fermenter 2 befinden und mit einem Steuerpult 3 verbunden sind, sowie eine Eingabeeinrichtung 4 zur Eingabe von chemischen Analysendaten.To record the parameters of the culture medium to be controlled, the system according to the invention contains sensors 1 ( Fig. 1), which are located in the fermenter 2 and are connected to a control panel 3 , as well as an input device 4 for entering chemical analysis data.
Das System umfaßt ferner einen Steuersignalgeber 5, der mit Stellgliedern 6 verbunden ist, die die Förderung der Komponenten des Nährmediums in den Fermenter 2 zur Einhaltung der Kultivierungsbedingungen innerhalb vorgegebener Grenzen steuern. Die Eingänge 7 und 8 des Steuersignalgebers 5 sind mit den Ausgängen der Geber 1 bzw. mit den Ausgängen des Steuerpults 3 verbunden, das die Ergebnisse der Messung der zu überwachenden Parameter und die chemischen Analysendaten von Proben des Kulturmediums liefert. Am Eingang 9 des Steuersignalgebers 5 liegt der Einstellblock 10, mit dem die anfänglichen Steuersignalwerte vorgegeben werden.The system further comprises a control signal generator 5 connected to actuators 6 which control the supply of the components of the nutrient medium into the fermenter 2 in order to maintain the cultivation conditions within predetermined limits. The inputs 7 and 8 of the control signal generator 5 are connected to the outputs of the generators 1 and to the outputs of the control panel 3 , respectively, which supplies the results of the measurement of the parameters to be monitored and the chemical analysis data of samples of the culture medium. The setting block 10 , which is used to set the initial control signal values, is located at the input 9 of the control signal generator 5 .
Im erfindungsgemäßen System ist ein Kanal zur Steuerung der Mikroorganismenkultivierung nach morphologischen Merkmalen der Mikroorganismen vorgesehen. Dieser Kanal enthält ein Abtastmikroskop 11, das zur Untersuchung von Proben der Mikroorganismensuspension und zur Übertragung der Information an eine Recheneinrichtung 12 dient, die die morphologischen Kennwerte der Mikroorganismenpopulation berechnet. Der Ausgang der Recheneinrichtung 12 ist mit dem Eingang 13 des Steuerpults 3 verbunden. Zur Speicherung der erhaltenen Information enthält der Kanal einen Speicher 14, dessen Eingang 15 mit den Ausgängen der Geber 1 und dessen Eingang 16 mit dem Ausgang der Recheneinrichtung 12 verbunden sind.In the system according to the invention, a channel is provided for controlling the cultivation of microorganisms according to morphological characteristics of the microorganisms. This channel contains a scanning microscope 11 , which serves to examine samples of the microorganism suspension and to transmit the information to a computing device 12 , which calculates the morphological characteristics of the microorganism population. The output of the computing device 12 is connected to the input 13 of the control panel 3. To store the information received, the channel contains a memory 14 , the input 15 of which is connected to the outputs of the sensors 1 and the input 16 of which is connected to the output of the computing device 12 .
Am Ausgang des Speichers 14 liegt der Eingang 17 des zur Korrektur der Steuersignale vorgesehenen Korrektursignalgebers 18, dessen andere Eingänge 19, 20, 21 mit den Ausgängen der Geber 1, der Recheneinrichtung 12 bzw. der Eingabeeinrichtung 4 zur Eingabe der chemischen Analysendaten verbunden sind.At the output of the memory 14 is the input 17 of the correction signal generator 18 provided for correcting the control signals, the other inputs 19, 20, 21 of which are connected to the outputs of the generator 1 , the computing device 12 and the input device 4 for entering the chemical analysis data.
Der Ausgang des Korrektursignalgebers 18 ist über einen Schalter 22 mit dem Eingang 23 des Steuerpults 3 und mit dem Eingang 24 des Steuersignalgebers 5 verbunden.The output of the correction signal generator 18 is connected via a switch 22 to the input 23 of the control panel 3 and to the input 24 of the control signal generator 5 .
Die Recheneinrichtung 12 umfaßt eine mit dem Abtastmikroskop 11 verbundene Abbildungseinheit 25 ( Fig. 2) zur Erzeugung von mikroskopischen Abbildungen der Mikroorganismenpopulation, eine Einheit 26 zur Bestimmung der Maximalgröße der Zellen der Mikroorganismen bei ihrer Kultivierung, eine Einheit 27 zur Ermittlung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas jeder abgetasteten Zelle, eine Einheit 28 zur Bestimmung der polymodalen Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden aller Zellen und Tropfen des festlöslichen Substrats, z. B. der Paraffintropfen, im Abtastfeld, eine Einheit 29 zur Ermittlung des Verhältnisses der Vakuolenfläche zur Zellenfläche, eine Einheit 30 zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche von Lipideinschlüssen zur Zellenfläche, eine Einheit 31 zur Bestimmung des Formfaktors, eine Einheit 32 zum Nachweis einer vorhandenen infizierenden bakteriellen Mikroflora und eine Einheit 33 zur Bestimmung des Prozentgehalts an knospenden Zellen.The computing device 12 comprises an imaging unit 25 ( Fig. 2) connected to the scanning microscope 11 for generating microscopic images of the microorganism population, a unit 26 for determining the maximum size of the cells of the microorganisms during their cultivation, a unit 27 for determining the distribution function of the brightness amplitudes of the cytoplasm of each scanned cell, a unit 28 for determining the polymodal distribution function of the brightness amplitudes of all cells and drops of the solid-soluble substrate, e.g. the paraffin drops, in the scanning field, a unit 29 for determining the ratio of the vacuole area to the cell area, a unit 30 for determining the ratio of the area of lipid inclusions to the cell area, a unit 31 for determining the form factor, a unit 32 for detecting the presence of infecting bacterial microflora and a unit 33 for determining the percentage of budding cells.
Der Eingang der Einheit 31 ist mit dem Ausgang der Einheit 26 und der Ausgang der Einheit 29 mit dem Eingang der Einheit 30 verbunden.The input of unit 31 is connected to the output of unit 26 and the output of unit 29 is connected to the input of unit 30 .
Der Speicher 14 enthält eine Gruppe von Einheiten 34 1, 34 2, 34 3 . . . 34 N (Fig. 3) zur Bildung von Sätzen von Prozeßzustands-Kenndaten, die dem jeweiligen Zusammenhang zwischen Nährmedium-Durchsatz D, Hauptsubstratzufuhr S o und der Zufuhr C von Salzen und Spurenelementen entsprechen (Bezeichnung analog den Einheiten 34).The memory 14 contains a group of units 34 1 , 34 2 , 34 3 . . . 34 N ( Fig. 3) for forming sets of process state characteristics which correspond to the respective relationship between nutrient medium throughput D , main substrate supply S o and the supply C of salts and trace elements (designation analogous to the units 34 ).
Jede der Einheiten 34 ist über eine ihr zugeordnete Vergleichsschaltung 35 mit einem Umschalter 36 mit Wähler 90 verbunden, der von einem Parametereinsteller 37 gesteuert wird.Each of the units 34 is connected via a comparison circuit 35 assigned to it to a changeover switch 36 with selector 90 which is controlled by a parameter adjuster 37 .
Der Eingang 38 des Umschalters 36 ist über eine logische UND-Schaltung 39 an die Eingabeeinrichtung 4 (Fig. 1), an die Recheneinrichtung 12 und an die Geber 1 angeschlossen. Die Eingänge 40, 41 (Fig. 3) der logischen UND- Schaltung 39 sind mit den Ausgängen der Vergleicher 42, 43 zum Vergleich der Konzentrationen X der Biomasse und des Restsubstrats S o zu verschiedenen Zeitpunkten (t) verbunden (X (t 1), X (t 2), Δ X, S o , S(t)).The input 38 of the switch 36 is connected via a logical AND circuit 39 to the input device 4 ( Fig. 1), to the computing device 12 and to the sensors 1. The inputs 40, 41 ( Fig. 3) of the logical AND circuit 39 are connected to the outputs of the comparators 42, 43 for comparing the concentrations X of the biomass and the residual substrate S o at different times (t) (X (t 1 ), X (t 2 ), Δ X, S o , S(t)) .
Der Korrektursignalgeber 18 enthält eine Schaltung 44 (Fig. 4) zur Auswahl von Gewichtungsfaktoren der Kenndaten aller Informationssätze, eine mit dem Eingang 46 an den Ausgang der Schaltung 44 angeschlossene Schaltung 45 zur Zuordnung der entsprechenden Gewichtungsfaktoren zu den Kenndatensätzen, eine Klassierungsschaltung 47 zur Klassierung von Kenndatengruppen des jeweiligen Prozeßzustands und ihrer Zuordnung zu einem der im Speicher 14 (Fig. 1) eingespeicherten Kenndatensätze sowie eine Korrekturschaltung 48 (Fig. 4) zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte.The correction signal generator 18 contains a circuit 44 ( Fig. 4) for selecting weighting factors of the characteristic data of all information sets, a circuit 45 connected to the input 46 at the output of the circuit 44 for assigning the corresponding weighting factors to the characteristic data sets, a classification circuit 47 for classifying characteristic data groups of the respective process state and assigning them to one of the characteristic data sets stored in the memory 14 ( Fig. 1) and a correction circuit 48 ( Fig. 4) for correcting the set parameter values.
Der Eingang 49 der Klassierungsschaltung 47 ist an den Ausgang der Schaltung 45 und der Eingang 50 der Korrekturschaltung 48 an den Ausgang der Klassierungsschaltung 47 angeschlossen.The input 49 of the classification circuit 47 is connected to the output of the circuit 45 and the input 50 of the correction circuit 48 is connected to the output of the classification circuit 47 .
Die Eingänge 51, 52, 53 der Klassierungsschaltung 47 sind entsprechend mit den Ausgängen der Eingabeeinrichtung 4, der Recheneinrichtung 12 bzw. der Geber 1 verbunden. Der Korrektursignalgeber 18 weist erfindungsgemäß Vergleicher 54, 55 (Fig. 5) zum Vergleich der Konzentration in der Biomasse und des Restsubstrats zu verschiedenen Zeitpunkten auf. Den Eingängen 56, 57 des ersten Vergleichers 54 werden Signale zugeführt, die der Konzentration der Biomasse (X (t 2), X (t 3)) entsprechen, während auf die Eingänge 58 und 59 des zweiten Vergleichers 55 die der Konzentration des Restsubstrats (S o , S (t 3)) entsprechenden Signale gegeben werden.The inputs 51, 52, 53 of the classification circuit 47 are connected to the outputs of the input device 4 , the computing device 12 and the transmitter 1 , respectively. According to the invention, the correction signal transmitter 18 has comparators 54, 55 ( Fig. 5) for comparing the concentration in the biomass and the residual substrate at different times. The inputs 56, 57 of the first comparator 54 are fed with signals which correspond to the concentration of the biomass (X (t 2 ), X (t 3 )), while the signals corresponding to the concentration of the residual substrate (S o , S (t 3 )) are fed to the inputs 58 and 59 of the second comparator 55 .
Der Ausgang des Vergleichers 54 ist über eine Vergleichsschaltung 60 (Δ X) mit dem Eingang 61 der logischen UND-Schaltung 62 verbunden, an deren zweitem Eingang 63 der Ausgang des Vergleichers 55 liegt.The output of the comparator 54 is connected via a comparison circuit 60 ( ΔX ) to the input 61 of the logical AND circuit 62 , at whose second input 63 the output of the comparator 55 is located.
Zum Korrektursignalgeber 18 gehört ferner eine Substitutionsschaltung 64 zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination durch die laufende Kombination der gleichen Kenndaten des Prozesses.The correction signal generator 18 also includes a substitution circuit 64 for substituting the next characteristic data combination by the current combination of the same characteristic data of the process.
Bei der Substitutionsschaltung 64 sind die Eingänge 65 an den Ausgang der logischen UND-Schaltung 62 und der Ausgang an den Eingang 66 der Schaltung 45 zur Zuordnung der entsprechenden Gewichtungsfaktoren zu den Kenndatensätzen angeschlossen.In the substitution circuit 64, the inputs 65 are connected to the output of the logical AND circuit 62 and the output to the input 66 of the circuit 45 for assigning the corresponding weighting factors to the characteristic data sets.
Der Korrektursignalgeber 18 weist ferner einen Substitutionszähler 67, dessen Eingang 68 mit dem Ausgang der Substitutionsschaltung 64 verbunden ist, sowie eine Vergleichsschaltung 69 zum Vergleich der vorgegebenen Substitutionszahl mit der gemessenen Substitutionszahl auf. Bei dieser Vergleichsschaltung 69 ist der Eingang 70 an den Ausgang des Substitutionszählers 67 angeschlossen, während ihrem Eingang 71 ein Signal zugeführt wird, das der vorgegebenen Substitutionszahl entspricht. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 69 ist über einen Schalter 72 mit dem Eingang 73 der Schaltung 44 zur Auswahl von Gewichtungsfaktoren der Kenndaten verbunden.The correction signal generator 18 also has a substitution counter 67 , whose input 68 is connected to the output of the substitution circuit 64 , and a comparison circuit 69 for comparing the predetermined substitution number with the measured substitution number. In this comparison circuit 69, the input 70 is connected to the output of the substitution counter 67 , while its input 71 is supplied with a signal that corresponds to the predetermined substitution number. The output of the comparison circuit 69 is connected via a switch 72 to the input 73 of the circuit 44 for selecting weighting factors of the characteristic data.
Zur Erweiterung des Funktionsbereichs ist das erfindungsgemäße System mit einer Einheit 74 (Fig. 6) zur integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation ausgestattet, deren Eingang 75 mit dem Ausgang der Recheneinrichtung 12 und deren Ausgang mit dem Eingang 76 eines Mehrkanalkorrelators 77 verbunden sind. Die Eingänge 78 des Mehrkanalkorrelators 77 liegen an den Ausgängen der Geber 1, während seine Ausgänge an einen Extremwertregler 79 angeschlossen sind. Die Ausgänge des Extremwertreglers 79 sind mit dem Steuerpult 3 verbunden.To extend the functional range, the system according to the invention is equipped with a unit 74 ( Fig. 6) for integrated evaluation of the state of the microorganism population, whose input 75 is connected to the output of the computing device 12 and whose output is connected to the input 76 of a multi-channel correlator 77. The inputs 78 of the multi-channel correlator 77 are connected to the outputs of the sensors 1 , while its outputs are connected to an extreme value controller 79. The outputs of the extreme value controller 79 are connected to the control panel 3 .
Die Einheit 74 enthält ihrerseits einen Quadrierer 80 (Fig. 7), dessen Eingang 81 an den Ausgang der Vergleichsschaltung 82 und deren Ausgang an einen Summierer 83 angeschlossen sind, zu dem auch eine Speichereinrichtung 84 gehört. Den Eingängen 85 und 86 werden die laufenden und die vorgegebenen Werte der entsprechenden Zustandskenndaten zugeführt. Am Ausgang des Summierers 83 erscheint ein Signal, das der integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation entspricht.Unit 74 contains a squarer 80 ( Fig. 7), the input 81 of which is connected to the output of the comparison circuit 82 and the output of which is connected to a summer 83 , which also includes a memory device 84. The inputs 85 and 86 are fed with the current and the preset values of the corresponding status characteristics. A signal corresponding to the integrated evaluation of the status of the microorganism population appears at the output of the summer 83 .
Das oben erläuterte Beispiel des erfindungsgemäßen Systems betrifft die Prozeßsteuerung bei der Hefezüchtung. Ein ähnliches System kann jedoch auch zur Steuerung der Kultivierung beliebiger anderer Mikroorganismen, z. B. von höheren Pilzen, herangezogen werden.The above-explained example of the system according to the invention relates to the process control in yeast cultivation. However, a similar system can also be used to control the cultivation of any other microorganisms, e.g. higher fungi.
In diesen Fällen enthält die Recheneinrichtung die Abbildungseinheit 25 zur Erzeugung mikroskopischer Abbildungen der Mikroorganismenpopulation sowie eine Einheit 87 (Fig. 8) zur Bestimmung des Pilzfadendurchmessers, eine Einheit 88 zur Bestimmung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas bei jedem abgetasteten Pilzfaden sowie eine Einheit 89 zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche der Lipideinschlüsse zur Pilzfadenfläche. Die Ausgänge der Einheiten 87, 88, 89 sind mit der Abbildungseinheit 25 verbunden.In these cases, the computing device includes the imaging unit 25 for generating microscopic images of the microorganism population, as well as a unit 87 ( Fig. 8) for determining the fungal thread diameter, a unit 88 for determining the distribution function of the brightness amplitudes of the cytoplasm for each scanned fungal thread, and a unit 89 for determining the ratio of the area of the lipid inclusions to the fungal thread area. The outputs of the units 87, 88, 89 are connected to the imaging unit 25 .
Die Baueinheiten und Geber des erfindungsgemäßen Systems können in beliebiger bekannter Weise ausgeführt werden, auch können bereits fertig verfügbare Baueinheiten verwendet werden.The components and sensors of the system according to the invention can be designed in any known manner; it is also possible to use components that are already available.
Das erfindungsgemäße System arbeitet wie folgt:The system according to the invention works as follows:
Der Betrieb beginnt mit dem Lernbetrieb, wozu der Schalter 22 in die neutrale Stellung gebracht wird. Dem Steuerpult 3 und dem Speicher 14 werden Daten von den zur Überwachung der physikalisch-chemischen Parameter vorgesehenen Geber 1, von der Recheneinrichtung 12 sowie von der Eingabeeinrichtung 4 zugeführt. Aufgrund dieser Daten wird am Steuerpult 3 entschieden, einige Bereiche der mit dem Einstellblock 10 vorgegebenen Parameter zu ändern. Größe und Vorzeichen dieser Änderungen der Zufuhr der in den Fermenter 2 geleiteten Komponenten, die diese Parameter beeinflussen, gelangen vom Steuerpult 3 in den Speicher 14 und werden dort auf einer "Seite", d. h. in einer Gruppe von Kenndatensätzen, neben den Daten der Geber 1, der Recheneinrichtung 12 und der Eingabeeinrichtung 4 aufgezeichnet, die eine Entscheidung zur Parameteränderung betrifft. Wenn sich die Entscheidung als richtig erweist, bleiben die von den Gebern 1, der Recheneinrichtung 12 und der Eingabeeinrichtung 4 sowie gemäß der Entscheidung eingegebenen Daten im Speicher 14, bei negativer Auswirkung der Entscheidung, d. h. Verringerung der Ausbeute an Biomasse bzw. Herabsetzung der Qualität der Biomasse, werden die Daten im Speicher 14 gelöscht. In diesen Speicherbereich wird auch der Vergrößerungsfaktor der Wirtschaftlichkeitskennzahlen eingelesen. In vorgegebenen Zeitabständen wird der beschriebene Zyklus wiederholt, wobei aus den einzelnen, für den betreffenden Rohstoff, beispielsweise Paraffin, eingespeicherten Speicherbereichen (Seiten) im Speicher 14 ein Informationssatz ("Buch") zusammengestellt wird. Hierzu ist zu bemerken, daß die Nullwerte der Komponentenänderungen und die dabei erhaltenen positiven Ergebnisse ebenfalls in den Speicher 14 eingelesen werden.The operation begins with the learning mode, for which the switch 22 is set to the neutral position. The control panel 3 and the memory 14 are supplied with data from the sensors 1 intended for monitoring the physico-chemical parameters, from the computing device 12 and from the input device 4. Based on these data, the control panel 3 decides to change some areas of the parameters specified with the setting block 10. The magnitude and sign of these changes in the supply of components fed into the fermenter 2 , which affect these parameters, are transferred from the control panel 3 to the memory 14 and are recorded there on a "page", ie in a group of characteristic data sets, next to the data from the sensors 1 , the computing device 12 and the input device 4 , which concerns a decision to change the parameters. If the decision proves to be correct, the data entered by the sensors 1 , the computing device 12 and the input device 4 and in accordance with the decision remain in the memory 14 ; if the decision has a negative effect, i.e. a reduction in the yield of biomass or a reduction in the quality of the biomass, the data in the memory 14 are deleted. The magnification factor of the economic indicators is also read into this memory area. The cycle described is repeated at predetermined intervals, with an information set ("book") being compiled from the individual memory areas (pages) stored in the memory 14 for the relevant raw material, for example paraffin. It should be noted that the zero values of the component changes and the positive results obtained are also read into the memory 14 .
Beim Lernbetrieb müssen nicht spezielle Bedingungen für Prozeßabweichungen vom Sollbetrieb vorgegeben werden, da eben real ablaufende Prozesse behandelt werden. Nach Beendigung des Lernbetriebs, der während einer Zeit t (mehrere Wochen oder Monate lang) durchgeführt wird, erfolgt die mathematische Verarbeitung der erhaltenen Ergebnisse (Wahl der Metrik, der Gewichtungsfaktoren u. dgl.). Dann wird der Schalter 22 in die Stellung I gebracht, worauf das System halbautomatisch wie folgt beratende Funktion übernimmt:During the learning operation, no special conditions need to be specified for process deviations from the target operation, since real processes are dealt with. After the learning operation, which is carried out for a period of time t (several weeks or months), the mathematical processing of the results obtained takes place (selection of the metric, the weighting factors, etc.). Then switch 22 is set to position I, whereupon the system takes over the advisory function semi-automatically as follows:
Die von den Gebern 1, der Recheneinrichtung 12 und der Eingabeeinrichtung 4 laufend gelieferten Daten (Kenndaten des Prozesses) gelangen in den Korrektursignalgeber 18, in dem sie nach einem Algorithmus zur Zeichenerkennung mit den auf den Seiten des Speichers 14, neben den entsprechenden Entscheidungen gespeicherten Daten verglichen werden. Der Korrektursignalgeber 18 wählt aus dem Speicher 14 die auf einer Seite des Buchs für den betreffenden Rohstoff abgespeicherten Daten aus, die den laufenden Prozeßdaten am nächsten kommen. Dieser Seite wird die vorher eingelesene positive Entscheidung zur Änderung der vom Einstellblock 10 eingegebenen Werte entnommen.The data (characteristic data of the process) continuously supplied by the sensors 1 , the computing device 12 and the input device 4 are fed into the correction signal generator 18 , where they are compared with the data stored on the pages of the memory 14 , next to the corresponding decisions, using a character recognition algorithm. The correction signal generator 18 selects from the memory 14 the data stored on a page of the book for the relevant raw material that is closest to the current process data. The previously read positive decision to change the values entered by the setting block 10 is taken from this page.
Wenn das System im Beratungsbetrieb befriedigend arbeitet, wird der Schalter 22 in die Stellung II ( automatischer Betrieb) geschaltet. Als befriedigend gilt dabei ein Betrieb des Systems, bei dem die Ausführung der Systembefehle (Beratungsbetrieb) eine Wirtschaftlichkeitskennzahl ergibt, die nicht kleiner ist als die auf der entsprechenden Speicherseite eingelesene Wirtschaftlichkeitskennzahl. Wenn die Wirtschaftlichkeitskennzahl größer ist als die im Speicher vorliegende, wird die vorher gespeicherte Seite gelöscht, und für die neue Wirtschaftlichkeitskennzahl werden neue Daten und die betreffenden Entscheidungen eingelesen. Wenn sich beim laufenden Kultivierungsprozeß eine Situation (d. h. eine Kenndatenkombination) ergibt, die von allen beim Lernbetrieb vorgekommenen Kombinationen stark abweicht, liefert das System im Beratungsbetrieb eine Absage, d. h. gibt keine Empfehlungen zur Prozeßkorrektur, beispielsweise zur Änderung der Zufuhrmengen. In diesem Fall wird das Korrektursignal einer Korrelations- und Extremwertregelungsschleife entnommen, die wie folgt arbeitet:If the system is working satisfactorily in advisory mode, switch 22 is switched to position II (automatic mode). A system is considered to be operating satisfactorily if the execution of the system commands (advisory mode) results in an efficiency index that is not less than the efficiency index read into the corresponding memory page. If the efficiency index is greater than the one in the memory, the previously stored page is deleted and new data and the relevant decisions are read in for the new efficiency index. If a situation (i.e. a combination of characteristics) arises during the ongoing cultivation process that differs greatly from all combinations that occurred in learning mode, the system in advisory mode returns a rejection, i.e. does not give any recommendations for process correction, for example for changing the feed quantities. In this case, the correction signal is taken from a correlation and extreme value control loop that works as follows:
Aufgrund der in der Recheneinrichtung 12 berechneten morphologischen Kennwerte liefert die zur Berechnung der integrierten Bewertung vorgesehene Einheit 74 eine Bewertung Q des Zustands der Mikroorganismen, beispielsweise das quadratische Mittel der Abweichung der jeweiligen morphologischen Kennwerte von den Sollwerten. Die Q-Werte gelangen zu jedem Berechnungszeitpunkt zum Eingang des Mehrkanalkorrelators 77. Dem anderen Eingang 78 des Mehrkanalkorrelators 77 werden die Daten der Geber 1 und die chemischen Analysendaten von der Eingabeeinrichtung 4 zugeführt. Wenn eine Prozeßabweichung beispielsweise infolge verborgener, nichtkontrollierbarer Störungen auftritt, ändert sich die integrierte Bewertung des Zustands der Mikroorganismen. Der Q-Wert wird größer, und an einem oder mehreren Ausgängen des Mehrkanalkorrelators 77 tritt ein Signal auf, das einem der kontrollierbaren und mit dem Q-Wert korrelierenden Parameter (oder mehreren Parametern) entspricht. Das Signal des Mehrkanalkorrelators 77 wird einem Extremwertregler 79 zugeführt, der diesen bzw. diese Parameter so lange ändert, bis das Ausgangssignal des Mehrkanalkorrelators 77 kleiner als eine im voraus vorgegebene kleine Größe wird.On the basis of the morphological parameters calculated in the computing device 12, the unit 74 provided for calculating the integrated evaluation provides an evaluation Q of the state of the microorganisms, for example the root mean square of the deviation of the respective morphological parameters from the target values. The Q values reach the input of the multi-channel correlator 77 at each calculation time. The other input 78 of the multi-channel correlator 77 receives the data from the sensors 1 and the chemical analysis data from the input device 4. If a process deviation occurs, for example as a result of hidden, uncontrollable disturbances, the integrated evaluation of the state of the microorganisms changes. The Q value increases and a signal corresponding to one of the controllable parameters (or several parameters) correlated with the Q value appears at one or more outputs of the multi-channel correlator 77 . The signal of the multi-channel correlator 77 is fed to an extreme value controller 79 , which changes this or these parameters until the output signal of the multi-channel correlator 77 becomes smaller than a small value predetermined in advance.
Im folgenden wird die Funktion einzelner Baueinheiten des erfindungsgemäßen Systems näher erläutert.In the following, the function of individual components of the system according to the invention is explained in more detail.
In vorgegebenen Zeitabständen werden dem Fermenter 2 Proben entnommen, die mit dem Abtastmikroskop 11 analysiert werden.At predetermined intervals, samples are taken from the fermenter 2 and analyzed with the scanning microscope 11 .
Die Abbildung wird zeilenweise in einer vorgegebenen Schrittfolge und mit einer entsprechenden Sonde abgetastet. Die vom Abtastmikroskop 11 gelieferte Zahlenmatrix von Helligkeitsamplituden der Abbildung der Mikroorganismensuspension, beispielsweise von Hefezellen, wird in der zur Berechnung der morphologischen Kennwerte bestimmten Recheneinrichtung 12 analysiert, in der die Koordinaten von Konturen der Bildelemente (Mikroben, Lipideinschlüsse, Vakuolen, Paraffintropfen) ermittelt werden; nach diesen Daten werden Abmessungen und die Form der Zellen, der Prozentgehalt an knospenden Zellen, das Verhältnis der Vakuolenfläche zur Zellenfläche, das Verhältnis der Fläche der Lipideinschlüsse zur Zellenfläche, die Verteilungsfunktionen (und die auf ihrer Basis ermittelten Werte der Anfangsmomente) der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas für jede Zelle sowie für alle Zellen und Paraffintropfen im Abtastfeld berechnet.The image is scanned line by line in a predetermined sequence of steps using an appropriate probe. The numerical matrix of brightness amplitudes of the image of the microorganism suspension, for example yeast cells, provided by the scanning microscope 11 is analyzed in the computing device 12 designed to calculate morphological parameters, in which the coordinates of contours of image elements (microbes, lipid inclusions, vacuoles, paraffin drops) are determined; based on these data, the dimensions and shape of cells, the percentage of budding cells, the ratio of the vacuole area to the cell area, the ratio of the area of lipid inclusions to the cell area, the distribution functions (and the values of the initial moments determined on their basis) of the brightness amplitudes of the cytoplasm for each cell and for all cells and paraffin drops in the scanning field are calculated.
Die Recheneinrichtung 12 arbeitet bei allen drei Betriebsarten des Systems, d. h. beim Lernbetrieb, beim Erkennungsbetrieb (Klassierungsbetrieb) und beim Korrelations- und Extremalbetrieb, in gleicher Weise.The computing device 12 operates in the same way in all three operating modes of the system, ie in the learning mode, in the recognition mode (classification mode) and in the correlation and extremum mode.
Beim Lernbetrieb spielt der Speicher 14 die Hauptrolle. Er enthält eine Anzahl N vorher eingespeicherter Kenndatensätze, von denen jeder einer der möglichen Kombinationen von Werten an den Steuereingängen entspricht. Dabei wird vorausgesetzt, daß ein und dieselbe Entscheidung bei verschiedenen, aber einander nahekommenden Prozeßzuständen getroffen werden kann, die durch die Kenndaten charakterisiert sind.In the learning mode, the main role is played by the memory 14. It contains a number N of previously stored sets of characteristic data, each of which corresponds to one of the possible combinations of values at the control inputs. It is assumed that one and the same decision can be made in the case of different but similar process states characterized by the characteristic data.
Die Kenndatensätze werden beim Normalbetrieb des von der Bedienungsperson gesteuerten Fermenters 2 gebildet. In dem Zeitpunkt, in dem die Ausbeute größer wird oder sich im Vergleich zum vorhergehenden Zeitpunkt nicht ändert (Δ x≥p) und der Gehalt an Restsubstrat kleiner ist als der durch die Qualität des Endprodukts zugelassene Wert, werden alle Kennwerte des Prozeßzustands, d. h. die morphologischen Kennwerte, die Signale der Geber 1 und die Ergebnisse der chemischen Analyse, über die UND- Schaltung 39 in den Kenndatensatz der N Sätze eingebracht, der der Eingangskombination im Zeitpunkt vor der Leistungserhöhung entspricht. Dazu werden die Prozeßzustandskenndaten von der UND-Schaltung 38 auf den Wähler 90 des Umschalters 36 gegeben. Dieser wird durch Signale gesteuert, die von der Bedienungsperson aufgrund ihrer Erfahrung geändert werden. Der Wähler 90 wird abwechselnd an jede Vergleichsschaltung 35 angeschlossen, wobei auf einen Eingang der angeschlossenen Vergleichsschaltung 35 Signale von den Einheiten 34 für entsprechende Kenndatensätze gegeben werden. Der Wähler 90 bleibt bei der Vergleichsschaltung 35 stehen, deren Ausgangssignal minimal ist, d. h., wenn die von der Bedienungsperson eingestellten Eingangssignale mit einer Kombination der in den N Kenndatensätzen abgespeicherten Signale annähernd übereinstimmen. Über den Wähler 90 werden auch die Zustandskenndaten dorthin zugeführt.The characteristic data sets are formed during normal operation of the fermenter 2 controlled by the operator. At the moment when the yield increases or does not change compared to the previous moment ( Δ x ≥ p) and the content of residual substrate is less than the value permitted by the quality of the final product, all the characteristic values of the process state, ie the morphological characteristics, the signals from the sensors 1 and the results of the chemical analysis, are introduced via the AND circuit 39 into the characteristic data set of the N sets, which corresponds to the input combination at the time before the power increase. For this purpose, the process state characteristic data are fed from the AND circuit 38 to the selector 90 of the switch 36. This is controlled by signals that are changed by the operator based on his experience. The selector 90 is connected alternately to each comparison circuit 35 , with signals from the units 34 for corresponding characteristic data sets being applied to an input of the connected comparison circuit 35. The selector 90 stops at the comparison circuit 35 whose output signal is minimal, ie when the input signals set by the operator approximately match a combination of the signals stored in the N characteristic data sets. The status characteristics are also fed to it via the selector 90 .
Nach einer genügend langen Lernzeit werden mit der zur Auswahl der Gewichtungsfaktoren bestimmten Schaltung 44 die Gewichtungsfaktoren gewählt und den entsprechenden Kenndaten zugeordnet. Damit wird das System zur (mit der Klassifizierung erfolgenden) Steuerung im Beratungsbetrieb vorbereitet.After a sufficiently long learning period, the weighting factors are selected using the circuit 44 intended for selecting the weighting factors and assigned to the corresponding characteristic data. The system is thus prepared for control (which takes place with the classification) in the advisory operation.
Das erfindungsgemäße System arbeitet im Beratungsbetrieb wie folgt:The system according to the invention works in consulting mode as follows:
Die dem Zustand des Kultivierungsvorgangs entsprechenden Signale der Geber 1, der Recheneinrichtung 12 und der Eingabeeinrichtung 4 gelangen zur Schaltung 45, die zur Zuordnung der Kenndaten des jeweiligen Prozeßzustands zu einem der im Speicher 14 abgespeicherten Kenndatensätze dient. Diese Zuordnung (Klassifikation) erfolgt nach einem bekannten Zeichenerkennungsalgorithmus.The signals from the transmitter 1 , the computing device 12 and the input device 4 corresponding to the state of the cultivation process reach the circuit 45 , which serves to assign the characteristic data of the respective process state to one of the characteristic data sets stored in the memory 14. This assignment (classification) is carried out according to a known character recognition algorithm.
Nach der Wahl einer dem jeweiligen Prozeßzustand am nächsten kommenden Prozeßzustandscharakteristik, die beim Lernbetrieb durch bekannte Eingangsgrößen dieses Zustands eingegeben wurde, liefert die Zuordnungsschaltung 45 diese steuerbaren Größen an die zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte bestimmte Korrekturschaltung 48, in der die vorher eingestellten steuerbaren Eingangsgrößen durch neue, von der Schaltung 45 erhaltene Größen ersetzt werden. Wenn die vom System ausgegebenen Kennwerte im Zeitpunkt t 3 eine Erhöhung der Biomassenausbeute x ohne Verschlechterung der Endproduktqualität, also bei s (t 3) < s (o) bewirken, spricht die UND-Schaltung 62 an, wobei die von den Gebern 1, von der Recheneinrichtung 12 und von der Eingabeeinrichtung 4 abgegebenen Signale zur Substitutionsschaltung 64 geleitet werden, die zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination im Kenndatensatz durch die laufende Kombination dient. Dabei wird die nächste Kombination im Speicher 14 gelöscht; an ihre Stelle werden die Kenndaten des laufenden Prozeßzustands eingespeichert. In der Substitutionsschaltung 64 wird dabei ein Substitutionsimpuls erzeugt, der zum Substitutionszähler 67 geleitet wird.After selecting a process state characteristic that is closest to the respective process state, which was entered during the learning operation using known input variables of this state, the allocation circuit 45 supplies these controllable variables to the correction circuit 48 intended for correcting the set parameter values, in which the previously set controllable input variables are replaced by new variables obtained from the circuit 45. If the characteristic values output by the system at time t 3 result in an increase in the biomass yield x without deterioration in the end product quality, i.e. when s (t 3 ) < s (o) , the AND circuit 62 responds, the signals emitted by the sensors 1 , the computing device 12 and the input device 4 being passed to the substitution circuit 64 , which serves to substitute the next characteristic data combination in the characteristic data set with the current combination. The next combination is deleted in the memory 14 ; the characteristic data of the current process state are stored in its place. In the substitution circuit 64 , a substitution pulse is generated which is passed to the substitution counter 67 .
Wenn die Zahl der Substitutionen größer wird als die vorgegebene Zahl, nimmt die Schaltung 44 zur Auswahl der Gewichtungsfaktoren wieder ihren Betrieb auf. Von der Korrekturschaltung 48 gelangen die steuerbaren Kennwerte zu den Summierern des Steuersignalgebers 5, in dem die Anzahl der Summierer der Anzahl der zu steuernden Hauptparameter entspricht.When the number of substitutions exceeds the predetermined number, the weighting factor selection circuit 44 resumes operation. From the correction circuit 48 , the controllable characteristic values pass to the adders of the control signal generator 5 , in which the number of adders corresponds to the number of main parameters to be controlled.
Jeder Summierer hat drei Eingänge. Dem ersten Eingang werden die vorgegebenen Werte der gesteuerten Parameter des zu erwartenden und unter normalen Bedingungen ablaufenden Prozesses zugeführt. Zum zweiten Eingang jedes Summierers gelangt das Signal des Gebers 1, der die Größe des entsprechenden Parameters des ablaufenden Prozesses mißt. Auf den dritten Eingang jedes Summierers werden Signale von der Korrekturschaltung 48 zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte gegeben. Die Ausgangssignale der zum Steuersignalgeber 5 gehörenden Summierer werden den Stellgliedern 6 zugeführt, mit deren Hilfe die Förderung derjenigen Komponente in den Fermenter 2 geregelt wird, die den entsprechenden Prozeßparameter beeinflußt.Each adder has three inputs. The first input receives the specified values of the controlled parameters of the expected process that is taking place under normal conditions. The second input of each adder receives the signal from the sensor 1 , which measures the size of the corresponding parameter of the ongoing process. The third input of each adder receives signals from the correction circuit 48 for correcting the set parameter values. The output signals of the adders belonging to the control signal sensor 5 are fed to the actuators 6 , with the aid of which the delivery of the component that influences the corresponding process parameter is regulated into the fermenter 2 .
Beim erfindungsgemäßen System stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, wenn die Kennwerte des ablaufenden Prozesses mit den Kenndaten des genormten, d. h. erwünschten, im obigen Sinne optimalen Prozesses übereinstimmen, der auf der positiven Erfahrung der Bedienungsperson beruht.In the system according to the invention, a state of equilibrium is established when the characteristics of the ongoing process correspond to the characteristics of the standardized, i.e. desired, optimal process in the above sense, which is based on the positive experience of the operator.
Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, daß die integrierte Bewertung des Zustands der Mikroorganismen in der Recheneinrichtung 12 bestimmt wird, auf deren Vergleichsschaltung 82 abwechselnd Ist- und Sollwerte der Zustandsmerkmale gegeben werden. Die resultierenden Differenzwerte gelangen von der Vergleichsschaltung zum Quadrierer 80 und dann zur Speichereinrichtung 84.It should be mentioned in this connection that the integrated evaluation of the state of the microorganisms is determined in the computing device 12 , to whose comparison circuit 82 the actual and desired values of the state characteristics are alternately fed. The resulting difference values are passed from the comparison circuit to the squarer 80 and then to the storage device 84 .
Vom Ausgang der Speichereinrichtung 84 werden die quadrierten Differenzwerte dem Summierer 83 zur Berechnung der als Quadratsumme der Differenzwerte oder als ihre Modulsumme ausgedrückten integrierten Bewertung zugeführt, die zum Eingang des Mehrkanalkorrelators 77 übertragen wird.From the output of the storage device 84, the squared difference values are fed to the summer 83 for calculating the integrated weight expressed as the sum of squares of the difference values or as their modulus sum, which is transmitted to the input of the multi-channel correlator 77 .
Das erfindungsgemäße System liefert somit alle von den Gebern 1 erfaßten quantitativen Unterscheidungsmerkmale des Zustands von Kultivierungsvorgängen sowie morphologische Kennwerte von Mikroorganismen und die Daten der chemischen Analyse.The system according to the invention thus provides all quantitative distinguishing features of the state of cultivation processes detected by the sensors 1 as well as morphological characteristics of microorganisms and the data of the chemical analysis.
Aufgrund der beim Lernbetrieb gesammelten Erfahrungen bei der Steuerung des Kultivierungsvorgangs verringert das erfindungsgemäße System Abweichungen im Prozeßablauf, da die zuvor gemachten Fehler nicht wiederholt werden und somit der Prozeß hinsichtlich der Menge und der Qualität des Endprodukts stabilisiert wird. Das erfindungsgemäße System kann ferner zur Darstellung der Abhängigkeit der morphologischen Kennwerte der Mikroorganismen von den gesteuerten Parametern des Mediums, d. h. von den Kultivierungsbedingungen, benutzt werden. Aufgrund dieser Abhängigkeit kann der Kultivierungsprozeß beim Lernbetrieb verbessert werden.Due to the experience gained in controlling the cultivation process during the learning operation, the system according to the invention reduces deviations in the process flow, since the errors made previously are not repeated and the process is thus stabilized in terms of the quantity and quality of the final product. The system according to the invention can also be used to show the dependence of the morphological characteristics of the microorganisms on the controlled parameters of the medium, i.e. on the cultivation conditions. Due to this dependence, the cultivation process can be improved during the learning operation.
Claims (11)
- Gebern, die die zu kontrollierenden Parameter des Kulturmediums erfassen,
- einer Eingabeeinrichtung zur Eingabe chemischer Analysendaten,
- einem Einstellblock zur Vorgabe anfänglicher Steuersignalwerte und
- einem Steuersignalgeber, dessen Eingänge mit dem Steuerpult und dem Einstellblock und dessen Ausgänge mit Stellgliedern zur Änderung der Zufuhr der Komponenten des Kulturmediums verbunden sind,
1. System for controlling the cultivation of microorganisms with
- Sensors that record the parameters of the culture medium to be controlled,
- an input device for entering chemical analysis data,
- a setting block for specifying initial control signal values and
- a control signal generator whose inputs are connected to the control panel and the adjustment block and whose outputs are connected to actuators for changing the supply of the components of the culture medium,
- einem Abtastmikroskop (11) zur Untersuchung von Proben der Mikroorganismensuspension und zur Übertragung der Information auf die Recheneinrichtung (12),
- einem Speicher (14) zur Speicherung der von den Gebern (1) und der Recheneinrichtung (12) gelieferten Informationen, dessen Eingänge mit den Gebern (1) und dessen Ausgänge mit der Recheneinrichtung (12) verbunden sind, und
- einem Korrektursignalgeber (18) zur Korrektur der Steuersignale, dessen Eingänge (19, 20, 21) mit den Gebern (1), den Ausgängen der Recheneinrichtung (12), des Speichers (14) und der Eingabeeinrichtung (4) zur Eingabe chemischer Analysendaten und dessen Ausgänge über einen Schalter (22) mit dem Steuerpult (3) und dem Steuersignalgeber (5) verbunden sind.
characterized by a channel for controlling the microorganisms according to morphological parameters with
- a scanning microscope ( 11 ) for examining samples of the microorganism suspension and for transmitting the information to the computing device ( 12 ),
- a memory ( 14 ) for storing the information supplied by the sensors ( 1 ) and the computing device ( 12 ), the inputs of which are connected to the sensors ( 1 ) and the outputs of which are connected to the computing device ( 12 ), and
- a correction signal generator ( 18 ) for correcting the control signals, the inputs ( 19, 20, 21 ) of which are connected to the sensors ( 1 ), the outputs of the computing device ( 12 ), the memory ( 14 ) and the input device ( 4 ) for entering chemical analysis data and the outputs of which are connected via a switch ( 22 ) to the control panel ( 3 ) and the control signal generator ( 5 ).
- einer Einheit (27) zur Ermittlung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplitude des Cytoplasmas jeder abgetasteten Zelle,
- einer Einheit (28) zur Bestimmung der polymodalen Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden aller Zellen und Tropfen des festlöslichen Substrats im Abtastfeld,
- einer Einheit (29) zur Ermittlung des Verhältnisses von Vakuolenfläche zu Zellenfläche,
- einer Einheit (30) zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche der Lipideinschlüsse zur Zellenfläche,
- einer Einheit (31) zur Bestimmung des Formfaktors,
- einer Einheit (32) zum Nachweis einer vorhandenen infizierenden bakteriellen Mikroflora und
- einer Einheit (33) zur Bestimmung des Prozentgehalts an knospenden Zellen
verbunden sind,
2. System according to claim 1, characterized in that the computing device ( 12 ) comprises an imaging unit ( 25 ) for generating microscopic images of the microorganism population, the outputs of which are
- a unit ( 27 ) for determining the distribution function of the brightness amplitude of the cytoplasm of each scanned cell,
- a unit ( 28 ) for determining the polymodal distribution function of the brightness amplitudes of all cells and drops of the solid-soluble substrate in the scanning field,
- a unit ( 29 ) for determining the ratio of vacuole area to cell area,
- a unit ( 30 ) for determining the ratio of the area of the lipid inclusions to the cell area,
- a unit ( 31 ) for determining the form factor,
- a unit ( 32 ) for detecting the presence of an infecting bacterial microflora and
- a unit ( 33 ) for determining the percentage of budding cells
are connected,
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| US4250266A (en) * | 1979-12-19 | 1981-02-10 | Honeywell Inc. | Automated micro-organism culture growth and detection instrument |
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