DE3819540A1

DE3819540A1 - Method and apparatus for the ad hoc measurement of the biomass present and for the ad hoc assessment of the state of fermentation in bioreactors by measurement of the sedimentation properties of a sample with the aid of ultrasound

Info

Publication number: DE3819540A1
Application number: DE19883819540
Authority: DE
Inventors: Rolf Prof Dr Ing Germerdonk; Juergen Dipl Ing Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1989-12-14

Abstract

For indirect ad hoc determination of the dry matter in biofermenters and for direct assessment of the rheological properties of the bioparticles it is possible to measure the level of sedimentation, and the sedimentation process itself, in a measurement chamber filled with the biosuspension with the aid of an ultrasonic measurement technique. The method can be employed even for biosuspensions which are opaque and/or form agglomerates. Ad hoc recognition of unfavourable operating states such as excessive shear stress or formation of excessively large agglomerates is also possible. The dimensions of the measurement chamber should be at least five times those of the largest bioagglomerates, and those of the connector, which is as free of internal fittings as possible, between the measurement chamber and fermenter should be 1.5 times.

Description

Bei der Fermentation in Bioreaktoren ist es üblich, sowohl zur Beurteilung des Fermentationsfortschrittes bei diskon tinuierlichen Verfahren wie des Zustandes der Biomasse bei kontinuierlichen Verfahren die Trockenmasse, d.h. den Gehalt an organischem Material, im Substrat zu messen. Dazu muß eine repräsentative Probe aus dem Fermenter entnommen und dann so schonend getrocknet werden, daß möglichst keine organische Masse abgebaut wird, z.B. durch Trocknen im Vakuum oder durch Gefriertrocknung. Diese Messung ist damit so zeitraubend, daß sie zur Beurteilung des momentanen Zustandes einer Biosuspension kaum geeignet ist. Auf der anderen Seite besteht großes Interesse an einer ad-hoc-Beurteilung des Gehaltes einer Fermentersus pension an Biomasse, da dieser Wert zur Beurteilung des Fortschritts einer diskontinuierlichen bzw. des Zustandes einer kontinuierlichen Fermentation wichtig ist.When fermenting in bioreactors, it is common to both to assess the fermentation progress at discount continuous processes such as the state of the biomass continuous process the dry matter, i.e. the Organic material content to be measured in the substrate. This requires a representative sample from the fermenter removed and then dried so gently that if possible, no organic mass is broken down, e.g. by Dry in a vacuum or by freeze drying. These Measurement is so time consuming that it can be assessed the current state of a biosuspension is hardly suitable is. On the other hand, there is great interest in an ad hoc assessment of the content of a fermenter pension to biomass, since this value for the assessment of the Progress of a discontinuous or state continuous fermentation is important.

Für die Beurteilung des Fermentationszustandes von relativ kleinen, nicht agglomerierenden Kleinlebewesen, z.B. Bak terien, in durchsichtig bleibenden Substraten hat man daher versucht, die Lichtabsorption bzw. -streuung mit dem Gehalt an Biomasse zu korrelieren, um so eine ad-hoc- Beurteilung zu ermöglichen. Dieses Meßverfahren wird auch technisch angewendet. Es versagt jedoch bei undurchsichti gen Substraten sowie bei agglomerierenden bzw. größere Zellverbände bildenden Biosystemen.For the assessment of the fermentation status of relative small, non-agglomerating small creatures, e.g. Bak teries, in substrates that remain transparent therefore tries to absorb or scatter light with the Correlate biomass content in order to achieve an ad hoc Enable assessment. This measuring method is also technically applied. However, it fails with opaque against substrates as well as agglomerating or larger ones Biosystems forming cell assemblies.

Es wurde nun gefunden, daß die Höhe einer Sedimentations schicht aus Biopartikeln für einen bestimmten Kulturstamm gut mit dem Trockengewicht korreliert werden kann und daß sich diese Höhe mit Hilfe einer Ultraschalltechnik zuver lässig bestimmen läßt. Das trifft auch für undurchsichtige Substrate sowie für agglomerierende bzw. polymerschicht bildende Biopartikeln zu. Die Meßkammer muß dabei solche Mindestabmessungen in Höhe und Breite bzw. ⌀ haben, daß eine annähernd freie Sedimentation der Partikeln möglich ist, z.B. < dem 5-fachen der größten Partikeln. Ferner sollte sie prismatisch, bevorzugt zylindrisch, sein mit vertikaler Hauptachse.It has now been found that the level of sedimentation layer of bioparticles for a specific culture strain can be correlated well with the dry weight and that this height with the help of an ultrasound technique can be determined casually. This also applies to opaque ones Substrates as well as for agglomerating or polymer layers forming bioparticles. The measuring chamber must be such Minimum dimensions in height and width or ⌀ have that an almost free sedimentation of the particles is possible is, e.g. <5 times the largest particles. Further should it be prismatic, preferably cylindrical, with vertical main axis.

Der Ultraschall-Sende-/Empfangskopf wird zweckmäßigerweise entweder in der Mitte der unteren Stirnfläche eingebaut oder bevorzugt in der Mitte der oberen Stirnfläche, wobei die Meßkammer dann vollständig gefüllt sein muß. Bei der Messung von oben ist es vorteilhaft, daß dann im partikel freien bzw. -armen oberen Bereich der Meßkammer nicht durch die Sedimentschicht hindurch gemessen werden muß. Die Ultraschallfrequenz ist so hoch zu wählen, daß die Biopartikeln ein deutliches Schallecho abstrahlen, z.B. mindestens 4 MHz für Basidiomyceten. The ultrasound transmitter / receiver head is convenient either installed in the middle of the lower end face or preferably in the middle of the upper face, where the measuring chamber must then be completely filled. In the Measurement from above, it is advantageous that then in the particle not free or poor upper area of the measuring chamber must be measured through the sediment layer. The ultrasound frequency should be chosen so high that the Bioparticles emit a clear sound echo, e.g. at least 4 MHz for Basidiomycetes.

Man erkennt dann den Beginn der Sedimentation an der Verminderung der Signalstärke aus dem oberen Bereich mit einer analogen Verstärkung im unteren Bereich der Meß kammer. Bei vollständiger Sedimentation bildet sich eine scharfe Echogrenze aus, so daß die Höhe der Sediment schicht als der Abstand Meßkammerboden - Echogrenze selbst gut zu messen ist. Bei kleinen Biopartikeln und/oder zähem Substrat wird die Sedimentationsgeschwindigkeit so gering, daß es dann ggfs. zweckmäßig ist, die Höhe des partikel freien Raumes nach einer festgelegten Sedimentationszeit zu bestimmen und diese in Vorversuchen mit der Trocken masse zu korrelieren.You can then see the beginning of sedimentation by the reduction in signal strength from the upper area with an analog gain in the lower area of the measuring chamber. When fully sedimentation Echo a sharp boundary is formed, so that the height of the sediment layer than the distance Meßkammerboden - Echo limit is to measure well itself. In the case of small bioparticles and / or tough substrates, the sedimentation rate becomes so slow that it may then be advisable to determine the height of the particle-free space after a specified sedimentation time and to correlate this with the dry matter in preliminary tests.

Es wurde ferner gefunden, daß man aus dem mit der Ultraschalltechnik sehr gut zu verfolgenden und mit Hilfe eines Datenspeichers auch gut zu registrierenden Vorgang der Sedimentation einer Biosuspension selbst, d.h. daß aus dem rheologisch-kinetischen Vorgang der Bewegung der Bio partikeln auch relativ zueinander, zuverlässig auf den momentanen rheologischen Zustand der Partikeln geschlossen werden kann. Das gilt insbesondere für agglomerierende Partikeln und/oder wenn sich um die Partikeln im Laufe der Fermentation Polymerschichten mit deutlich anderen rheo logischen Eigenschaften als denen des Substrats bilden (z.B. Polyglukane), die ggfs. im weiteren Verlauf einer diskontinuierlichen Fermentation auch wieder abgebaut wer den. Ferner läßt sich so auch eine ggfs. unerwünschte mechanische Schädigung von scherspannungsempfindlichen Biopartikeln, z.B. als Folge zu hoher Rührerdrehzahl und/oder ungünstiger Konstruktion von Rührer bzw. Fermen tereinbauten, durch erhöhte Sedimentationsgeschwindigkeit ad-hoc erkennen und damit auch durch Ändern der Betriebs parameter möglichst vermindern.It was also found that from the Ultrasonic technology very easy to track and with the help of a data storage also easy to register sedimentation of a biosuspension itself, i.e. that out the rheological-kinetic process of the movement of the bio particles also relative to each other, reliably on the current rheological state of the particles closed can be. This is especially true for agglomerating Particles and / or if the particles are in the course of Fermentation polymer layers with significantly different rheo form logical properties than those of the substrate (e.g. polyglucans), which, if necessary, in the further course of a discontinuous fermentation also degraded again the. It can also be an undesirable one mechanical damage to shear stress sensitive Bioparticles, e.g. as a result too high stirrer speed and / or unfavorable construction of stirrers or fermen internals due to increased sedimentation speed Recognize ad hoc and thus also by changing the operating reduce parameters as far as possible.

Dazu sollte natürlich die in die Meßkammer gedrückte oder gesaugte Biosuspension eine repräsentative Probe aus dem Fermenter sein, d.h. die Probe soll möglichst die gleichen rheologischen Eigenschaften haben. Das bedeutet, daß die Probe beim Transport aus dem Fermenter in die Meßkammer nicht so großen Scherspannungsgefällen ausgesetzt werden darf, daß sich die Biopartikeln bzw. die Agglomerate und/oder die umhüllenden Polymerschichten mechanisch ändern. Es wurde gefunden, daß diese Forderung ausreichend zu erfüllen ist, wenn die Leitung zwischen Fermenter und Meßkammer einen lichten ⌀ von mindestens dem 1,5-fachen der größten Biopartikeln bzw. Agglomerate sowie keine scharfen Krümmungen hat und wenn in diese Leitung kein Förderorgan, z.B. eine Schlauchpumpe, eingebaut ist, son dern höchstens ein Absperrorgan mit genügend freiem Querschnitt, bevorzugt ein Kugelhahn mit einer Durch trittsöffnung gleich dem Leitungsquerschnitt.To do this, you should of course press the or sucked biosuspension a representative sample from the Be a fermenter, i.e. the sample should be the same if possible have rheological properties. That means that Sample during transport from the fermenter into the measuring chamber are not exposed to such large shear stress gradients may that the bioparticles or agglomerates and / or the enveloping polymer layers mechanically to change. It has been found that this requirement is sufficient is to be fulfilled if the line between fermenter and Measuring chamber a clear ⌀ of at least 1.5 times of the largest bioparticles or agglomerates and none has sharp bends and if there is none in this line Funding body, e.g. a peristaltic pump is installed, son but at most a shut-off device with enough free space Cross section, preferably a ball valve with a through opening equal to the cross-section of the line.

Insbesondere bei großen oder agglomerierenden Biopartikeln muß das Meßkammervolumen für eine zuverlässige Bestimmung der von Begrenzungsflächen her möglichst ungestörten Sedi mentationseigenschaften so groß sein, daß aus Labor- oder Technikumsfermentern nicht genügend viele Proben entnommen werden können, um mit Hilfe der Sedimentationsmeßtechnik den Fermentationsfortschritt ausreichend zu verfolgen. In diesem Fall sollte die Probe aus der Meßkammer wieder in den Fermenter zurückgegeben werden können. Dazu ist es zweckmäßig, die Meßkammer einschl. der Verbindungsleitung und dem Absperrorgan so auszubilden, daßEspecially with large or agglomerating bioparticles the measuring chamber volume for a reliable determination the sedi as undisturbed as possible from the boundary surfaces mentation properties be so great that from laboratory or Not enough samples were taken from pilot plant fermenters can be made using the sedimentation measurement technique sufficiently monitor the fermentation progress. In In this case the sample should come back out of the measuring chamber the fermenter can be returned. It is for that expedient, the measuring chamber including the connecting line and train the shut-off device so that

- The measuring device is firmly connected to the fermenter becomes,
the entire product-receiving system can be sterilized, preferably together with the fermenter,
- all surfaces that come into contact with the product made of biocompatible that is difficult or impossible to wet Material, e.g. PTFE,
- The measuring chamber with the connecting line and the Ab locking device to the fermenter so much slope everywhere has that the entire sample is back in after the measurement the fermenter can run back.

Diese Konstruktion ermöglicht dann beliebig häufig Bestim mungen der Sedimentationseigenschaften, wobei keine größe ren Mengen der Biosuspension im Meßsystem verbleiben, die dort an der Wand anhaften oder sich wegen fehlender Begasung und/oder Durchmischung evtl. auch zersetzen kön nen.This construction then enables determination as often as required measurements of the sedimentation properties, whereby no size Ren quantities of the biosuspension remain in the measuring system stick to the wall there or because of missing Fumigation and / or mixing may also decompose nen.

Bei der bevorzugten Anordnung des Ultraschallkopfes in der oberen Stirnfläche der Meßkammer besteht die Gefahr, daß die zusammen mit der Biosuspension aus dem Fermenter in die Meßkammer gelangenden Luftblasen aufsteigen und sich unterhalb der oberen Stirnfläche sammeln, so daß an der dann freien Oberfläche der Biosuspension eine ziemlich schallharte Refelxionsfläche entsteht, was die Messung sehr beeinträchtigen würde. Es hat sich gezeigt, daß diese Störung dadurch zu vermeiden ist, daß eine Ringnut mit einem ⌀ größer der des Ultraschallkopfes in die obere Stirnfläche eingefräst wird, in der sich die aufsteigenden Luftblasen sammeln können.In the preferred arrangement of the ultrasound head in the upper end face of the measuring chamber there is a risk that which together with the biosuspension from the fermenter in air bubbles entering the measuring chamber rise and become collect below the top face so that at the then a fairly clear surface of the biosuspension reverberant reflection surface arises what the measurement would affect very much. It has been shown that this To avoid interference by using an annular groove one ⌀ larger than that of the ultrasound head in the upper one End face is milled in which the ascending Can collect air bubbles.

Claims

1. Process for the rapid indirect determination of the existing cell mass and for assessing the fermentation state in bioreactors, in particular in opaque substrates and / or in agglomerating or polymer layers forming bioparticles, characterized in that by a supply with a light ⌀ of at least that 1.5 times the largest bioparticles and without built-in conveying elements, ie with minimal shear stress on the bioparticles, a sample of the suspension is sucked or pressed from the fermenter into a prismatic, before being fed cylindrical measuring vessel with a vertical main axis, the dimensions of which in at least one direction correspond to 5 times the largest bioparticles and in the end face an ultrasound transmitter / receiver is installed for at least such a high frequency that the bioparticles generate a clear sound echo, so that the lower portion occupied by the sedimenting particles of the measuring vessel, ie the Height of the sedimentation layer can be determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that also the time course of sedimentation, i.e. the developing different distribution of the parties angle with the height as well as the change in height and Location of the transition layer between already sedimented particles and largely particle-free substrate are determined for comparative assessment of the rheo logical particle agglomerate properties and thus also the current fermentation status for a be agreed bioprocess, e.g. the fermentation of a basidio mycetic tribe.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized net that the frequency and / or during a measurement process the radiation power of the ultrasound transmitter and / or the attenuation of the ultrasonic echo in such a case richly varied that the location or the location changes tion, i.e. the sedimentation of bioparticles under of different sizes, still to be recorded.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized net that due to a previous correlation of the proportion of organic dry matter in the use parameters, e.g. Strain, substrate, fermenter, scramble rer, speed, fumigation equipment with which to adjust sedimentation rate then on-line sedimenta measured in the respective fermentation values for direct control of both discontinuous organic and continuous bioprocesses (with) be used, e.g. about changing the stirrer speed, the fumigation rate and / or the addition of nutrient / effect fabrics.

5. Apparatus for performing the method according to claims chen 1 to 4, characterized in that the Ultra sound transmitting and receiving head preferred in the upper end face of the measuring chamber is installed, wherein through a groove or other recess in the top Accumulation of air bubbles in the face Direction of radiation of the ultrasound head is prevented.

6. Apparatus for carrying out the process Claims 1 to 4, characterized in that the Feed and the measuring room are sterilizable, so that firmly with the bioreactor during fermentation can stay connected and so an online measurement enable.

7. Apparatus for carrying out the process according to Claims 1 to 4, in particular for use in Characterized in laboratory and pilot plant fermenters, that in the feed to the measuring room is also sterile lockable shut-off device is built in, so that Measurement of a stirrer / Be uninfluenced sample is available, which returns to the fermenter after the measurement can be used.

8. Apparatus for carrying out the process according to Claims 1 to 4, characterized in that on the one hand the waiters coming into contact with the organic suspension surfaces are difficult to wet, e.g. out PTFE materials exist, and to the other measuring room, Supply line and shut-off device, if necessary, slope to Fermenter connection, so that Biopar adheres particles and remaining not fumigated and mixed to prevent ter biomass in the meter so that the Measuring equipment not during a fermentation process must be cleaned and re-sterilized if necessary.