DE3925229A1 - Vorrichtung und verfahren zur optischen dichtemessung an biomasseprozessen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung an oder bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren zum Erzielen von optischen Dichtemessungen als Mittel zum genauen Überwachen eines dynamischen Bio­ masse-Prozeßsystems, wie z.B. eines Fermentations-, eines anäroben oder eines äroben Mikroorganismen-Pro­ zesses. Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Bestimmen der direkten optischen Dichte eines dynamischen Prozeß-Systems über den gesam­ ten Betriebsbereich durch Kompensation des primären Interferenzfaktors.

Die Messung der Zellendichte ist wichtig bei der Über­ wachung des Programms eines Fermentationsprozesses. Es gibt zahlreiche Verfahren und entsprechende Vorrich­ tungen zum Messen der Zellendichte. Keines der bisheri­ gen Verfahren und keine der Vorrichtungen haben sich vor dieser Erfindung als erfolgreich und zufriedenstel­ lend erwiesen. Vorzugsweise wäre die Verwendung einer sterilisierbaren Sonde, die direkt in den Fermentor oder Nährboden eingesetzt werden kann, wünschenswert und würde wertvolle Informationen beim Überwachen des Fortgangs des Prozesses liefern. Normalerweise hängt die Konzentration des Stoffs mit der aus den Zellen­ dichtemessungen abgeleiteten Zellenmasse zusammen.

Bis jetzt wird die Zellendichte in diskreten Inter­ vallen gemessen, indem Proben vom Fermentor entnommen werden. Dieser Vorgang konnte keine direkte und schnelle Messung des Stoffs bieten, sondern resultierte in einer Abschätzung der Zellenmasse, was einen Hinweis auf die Stoffkonzentration zu dem Zeitpunkt erlaubte, zu dem die Probe vom Fermentor entnommen wurde. Zum Er­ zielen einer zufriedenstellenden und genauen Prozeßkon­ trolle ist die Anwendung eines direkten Meßsystems, eines On-Line-Meßsystems wünschenswert.

Indirekte Kontrollmessungen basieren auf diversen Pro­ zeßparametern und sind durch die Genauigkeit des mathe­ matischen Modells für das Zellenwachstum, den Substrat­ verbrauch und die Stoffbildung begrenzt. Die Annahme konstanter Ausbeuten, Aufrechterhaltungskoeffizienten und Stöchiometrie müssen über den gesamten Prozeßbe­ reich wegen der Abreicherung des Substrats, einer An­ sammlung von Zwischenprodukten, die metabolisiert wer­ den können, und der Bildung von Hemmprodukten nicht gültig sein.

Das indirekte Intervallverfahren der Zellendichtemes­ sung ist bestenfalls eine Dichtenannäherungstechnik. Vom Anschluß für eine sterilisierte Probe wird eine kleine Menge Kulturflüssigkeit entnommen, nachdem man sich vergewissert hat, daß der Anschluß gereinigt worden ist. Die Probe wird zum Labortisch transpor­ tiert, und eine geeignete Verdünnung der Probe wird vorgenommen. Besondere Aufmerksamkeit ist der Genauig­ keit und Vollständigkeit der Pipettiertechnik und den Geräten zu widmen, da inzwischen andere Laboranten ebenso Intervallproben nehmen. Schließlich wird die optische Dichte gemessen, mit dem Verdünnungsfaktor multipliziert, und der Wert wird aufgezeichnet. Während dieser Zeit von der Probenahme bis zur Meßwertaufzeich­ nung ist es nicht bekannt, welcher geeignete nächste Prozeßschritt notwendig ist, um den Gesamtprozeß zu op­ timieren.

Das diskrete Intervallverfahren für die Zellendichte­ messung ist nicht zur Automatisierung geeignet. Man muß sich auf einige indirekt gemessene Parameter verlassen: metabolische oder physikalische. Messungen in dynami­ schen Systemen weisen diverse Nachteile auf. Die physi­ kalische Komplexität der mikrobiologischen Fermentation wird von den Eigenschaften der Medien, der Größe, Form und dem Typ des Organismus; von Änderungen im Prozeß: pH, Temperatur, Druck, Rührung und dgl. beeinflußt. Die metabolische Komplexität der Wachstumskulturen wird von den Phasen des mikrobiologischen Wachstums entsprechend der physikalischen Umgebung beeinflußt. Dies betrifft die Zellengröße, Nachbildungsduplikate, Kettenbildung, Einschlüsse, Körperbildung und dergleichen. Auch bei den in komplexen Nährflüssigkeiten wachsenden Mikroben ist es nicht sicher, welche Nährstoffe in welchem Ent­ wicklungsstadium des Prozesses benutzt werden. Somit ist es schwierig, ein Modell für das Wachstum aufzu­ stellen.

Bisher wurden optische Sensoren für die Messung der durch ein Prozeßfluid passierenden Lichtmenge bevor­ zugt. Die durch irgendein Prozeßfluid hindurchgelan­ gende Lichtmenge kann jedoch durch verschiedene Fakto­ ren verringert werden, wie z.B. Feststoffe in Suspen­ sion, Feststoffe in Lösung und Emulsionsbildung. Fest­ stoffe in Suspension und Emulsionen reduzieren die Lichtdurchlässigkeit auch durch Lichtstreuung. In einem ärobischen System ist erkennbar, daß die optische Dichte von der Anzahl der Blasen und deren Größe beein­ flußt wird. Große Gasblasen, wie z.B. Luftblasen, streuen Licht genau wie große Partikel, behalten aber dennoch eine gewisse Lichttransparenz. Bei höheren Rührgeschwindigkeiten, bei denen kleinere Blasen er­ zeugt werden, hat die Lichtstreuung einen kleineren Ef­ fekt, und die Transparenz wird erhöht. Daher beinhalten Biomassesysteme naturgemäß Probleme bzgl. Messungen mit optischen Sensoren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die direkte Messung der optischen Dichte eines dynamischen Biomasse-Prozeß­ systems zu schaffen, in dem Organismen wachsen, wobei schnelle, direkte Messungen der Zellendichte gefordert werden; die Messungen werden "On-Line" oder "Real-Time" mit dem Prozeß durchgeführt; Vor-Ort-Messungen werden zum Vermeiden von Problemen bei der inkrementalen, dis­ kreten Probenahme durchgeführt, welche Probleme sind: Logistik beim Nehmen der Intervallprobe, Sterilisation, Risiko der Beeinträchtigung des Prozesses, Zeitdiffe­ renz zwischen Probenahme und Aufzeichnung der Messung, schnelle Bestimmung der geeigneten Prozeßstufe zum Zeitpunkt ursprünglichen Probenahme.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Me­ thode zur Bestimmung der Konzentration eines ärobischen oder anärobischen Biomassesystems durch die optische Dichte zu schaffen, wobei alle störenden Faktoren kom­ pensiert werden, wie z.B. Gasblasen, und die Linearität der Messung über ihren gesamten Bereich sicherge­ stellt ist.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung der optischen Dichte zu schaf­ fen, die die automatische On-Line- und Real-Time-Erfas­ sung erleichtert, was in einer völligen Automatisierung des Prozesses resultiert.

Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Weitere Aufgaben werden im folgenden aus der detail­ lierten Beschreibung deutlich.

Diese Aufgaben werden in der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer sterilisierbaren Licht­ leitersonde mit einer Zellenöffnung oder Weglänge ge­ löst, durch die reagierendes Biomassenfluid läuft; und mit einer Lichtleiterlichtquelle und einem Lichtleiter­ empfänger. Im Betrieb durchläuft das Licht der Licht­ leiterlichtquelle das Probenmedium in der Zellenöff­ nung, und das durchgelassene Licht wird durch das Emp­ fangsende der Faseroptikleitung zum Geber geschickt;, dieser Geber besteht aus einem Signalverstärker und einem Computerprogramm zum Linearisieren des Signalaus­ gangs. Die Optiksonde ist abnehmbar in einem Fermentor­ gefäß oder einer ähnlichen Einheit mit Steuergeräten untergebracht.

Allgemein gesagt mißt der optische Sensor in der Sonde die Lichtmenge, die ein in der Zellenöffnung vorhande­ nes Prozeßfluid durchläuft. Das System kann das Vorhan­ densein von Gasblasen in der Zellenöffnung automatisch kompensieren.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm des gesamten Pro­ zeßsystems.

Fig. 2 ist ein Schema der Sonde mit Meßzelle.

Fig. 3 ist ein Schema eines biologischen Systems Reak­ tor/Fermentor.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere auf Fig. 2, bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Sonde gemäß der Erfindung. Die Sonde 2 kann aus irgendeinem im Bezug auf das Medium im Prozeß korrosionsfreien Material hergestellt sein. Jedoch besteht die Sonde 2 vorzugsweise aus einem Aufbau aus rostfreiem Stahl. Die Sonde weist ein Ingold-Anschlußstück 4 auf, welches es erlaubt, die Sonde 2 in den Körper oder die Wand eines Reaktors 1, wie z.B. eines Fermentorgefäßes, einzuset­ zen und sie abnehmbar daran zu befestigen. Das In­ gold-Anschlußstück 4 und eine O-Ring-Anordnung 5 erlau­ ben es, die Sonde 2 abdichtend in einem Zugangsrohr 5 an der Wand des Reaktors 1 zu befestigen, und das Zu­ gangsrohr 3 weist das entsprechende Anschlußstück zum Ingold-Anschlußstück 4 auf.

Innerhalb der Sonde 2 ist eine Lichtquelle 14 und ein Fotoempfänger 16 untergebracht. Die Lichtquelle 14 und der Fotoempfänger 16 sind mit elektrischen Leitungen 17 bzw. 18 verbunden. Die Lichtquelle 14 wird über die Leitung 17 mit Strom versorgt. Der Empfänger 16 über­ trägt einen Signalimpuls über die Leitung 18 zu einem Mittel zum Verstärken und Aufzeichnen des Signals. Die Lichtquelle 14 und der Fotoempfänger 16 sind entfernt vom Prozeßmedium angebracht durch die Verwendung von Lichtleitern 12 und 13, welche zum Übertragen des Lichts 12 der Quelle und des Lichts 13 des Empfängers verwendet werden. Die Zellenöffnung am Ende der Sonde ragt in den Reaktor und das darin befindliche Reak­ tionsmedium hinein, und dort ist durch eine Weglänge ein Probenspalt 6 definiert, in dem die Lichtleiter 12 und 13 abgedichtet in Fenstern 10 und 11 enden. Die Fenster 10 und 11 sind die Abschlußstücke der Licht­ leiter 12 bzw. 13 und dienen zum Schutz der Licht­ leiterenden. Die Fenster 10 und 11 stehen sich im we­ sentlichen im Probenspalt 6 gegenüber. Weiterhin können diese Fenster aus irgendeinem lichtdurchlässigen Mate­ rial hergestellt sein, welches den Durchtritt des benö­ tigten Lichts in den Probenspalt 6 und in ähnlicher Weise den Durchtritt des vom in der Probenzelle 6 vor­ handenen Material durchgelassenen Lichts erlaubt. Vor­ zugsweise bestehen die Fenster aus Pyrex oder Quarz.

Der Aufnahmelichtleiter 13 ist mit einem Fotoempfänger 16 verbunden, welcher wiederum mit einer Stromleitung 18 verbunden ist. Den Fotoempfänger 16 deckt ein opti­ sches Filter 15 ab, das alle Lichtwellenlängen unter 850 nm abschneidet, wodurch Störungen durch Umgebungs­ licht beseitigt werden. Das Wellenlängenabschneiden durch das Filter verhindert auch Störungen durch Farbe. Somit erscheinen alle Partikel bei dieser höheren Wellenlänge ähnlich.

Während des Prozesses beginnt die Lösung im Fermentor­ gefäß als fast klare Lösung, und ändert sich während des Prozesses in eine sehr dunkle Lösung. Eine optimale Weglänge wird im Probenspalt 6 gewählt, welche es der Sonde erlaubt, den gesamten Bereich des Prozesses zu übersehen. Der Meßbereich ist umgekehrt proportional zur Weglänge, und die Auflösung ist direkt proportional zur Weglänge. Je kleiner somit die Weglänge in der Zelle 6 der optischen Sonde ist, desto größer ist der beobachtbare Bereich, desto kleiner ist aber die Auf­ lösung.

Die typische Einheit der Messung ist die Absorptions­ einheit (AE). Dies ist eine willkürliche Einheit, die so definiert ist, daß 0 AE die in einer klaren Nährlö­ sung bei Abwesenheit von Zellenwachstum absorbierte Lichtmenge ist. Jede zusätzliche Einheit ändert die Zehnerpotenz (Faktor 10, d.h. log-Änderung) der absor­ bierten Lichtmenge und ist durch den Fotoempfänger einem Stromausgang zugeordnet.

Ein Problem, das bei einem derartigen System auftritt, ist, daß der Zusammenhang zwischen den Lichtabsorp­ tionsablesungen nicht über den gesamten Bereich linear ist. In einem unendlich kleinen Segment der Absorp­ tionskurve gibt es einen linearen Zusammenhang zwischen Prozeß und Fotoausgang. Aber im Fall von Messungen über große Bereiche gibt es diesen linearen Zusammenhang nicht, was bedeutet, daß eine Änderung in einem klaren Bereich nicht einer gleichen oder äquivalenten Änderung in einem dunklen Bereich entspricht. Diese Nicht-Äqui­ valenz oder Nicht-Gleichheit kann jedoch im program­ mierten Geber nach Fig. 2 und Fig. 3 linearisiert werden. Der Geber ist ein mikroprozessorgesteuerter Geber mit numerischer Tasteneingabe und Zeichenanzeige­ feld. Daher ist es durch Verständnis des Verhaltens der Partikel untereinander und Kenntnis bestimmter Phäno­ mene über die Natur des Lichts im Verhältnis zur Kon­ zentration möglich, eine genaue, lineare Kurve von nur zwei eingegebenen Punkten zu extrapolieren.

Wenn ein mit Steuergeräten versehener mikrobiologischer Standardfermentor benutzt wird, ist die Innenanordnung innerhalb des Fermentors eine Reihe von radial ange­ ordneten Leitflächen und eine Wärmetauschereinheit. Die Leitflächen verhindern Wirbelbildungen und verbessern somit die Belüftungswirkung. Ebenso wird ein Mittel zum wirksamen Verteilen von kleinen Blasen ins Medium eingesetzt, wie z.B. drei Turbinenschaufeln an der Fer­ mentor-Rührwelle. Eine Kombination Sprühvorrich­ tung/Turbinenschaufel (perforiertes Rohr) erzeugt und verteilt kleine Luftblasen über den Fermentor. Eine Rührgeschwindigkeit, die bis auf 1000 Umdrehungen pro Minute veränderbar ist, ist im Fermentor vorgesehen.

Die Aufgabe der Rührung ist es, den für die Sauerstoff­ übertragung verfügbaren Bereich durch Verteilung der Luft in der Kulturlösung in Form von Luftblasen zu ver­ größern. Die Rührung verzögert auch das Entkommen von Luftblasen aus der Flüssigkeit, d.h. verlängert die Einwirkungszeit, und verhindert Koaleszenz. Die Rührung verkleinert die Dicke des Flüssigkeitsfilms an der Gas/Flüssigkeitsgrenze durch Erzeugen einer Turbulenz im Bereich der Kultur. Im allgemeinen ist dieses be­ schriebene Gerät sehr wirksam bei der Erzeugung einer großen Zahl von winzigen Gasblasen im Fermentor.

Im oben definierten ärobischen Fermentationssystem ist die Rührrate (Turbulenz) der Hauptstörfaktor beim Durchführen einer genauen und repräsentativen Zellen­ dichtemessung. Die Luftdurchflußrate und der Luftdruck haben nur einen kleinen Effekt. Das Problem unkontrol­ lierter Schaumbildung wird durch verlängerte Aufent­ haltszeit der Blasen verursacht. Bei fortgesetzter Schaumbildung ergibt sich eine beträchtliche Zunahme von Größe und Anzahl der Blasen.

Die Sonde aus rostfreiem Stahl ist abnehmbar und abge­ dichtet durch die Seite des Fermentors angebracht, so daß der Aufnehmerteil der Sonde mit der Lichtleiter­ lichtquelle, dem Lichtleiterfotoempfänger und der Dichtemeßzelle direkt in das Fermantationsmedium einge­ setzt ist. Bei fortschreitender Fermentation kann sich die flüssige Mediumslösung von einer fast klaren Lösung bis zu einer äußerst undurchsichtigen Lösung er­ strecken. Ein optischer Weg in der Sonde ist ausge­ wählt, um den gesamten Bereich des Prozesses zu erfas­ sen. Im Fall von Messungen über einen großen Bereich kann die Beziehung zwischen beobachteten und tatsächli­ chen Meßwerten unlinear sein. Dies bedeutet, daß eine Änderung im klaren Bereich keiner gleichen Änderung im undurchsichtigen Bereich entspricht. Daher ist die Sonde mit dem Geber verbunden, der so programmiert ist, daß die Messungen über einen großen Bereich lineari­ siert werden.

Es wurde herausgefunden, daß die Rührrate einen Effekt auf die beobachtete On-Line-Zellendichte hat. Die Sig­ naländerung der Sonde ist als proportional zur Rührrate und umgekehrt proportional zur Zellendichte ermittelt worden. Daher ist das Sondensignal ein zusammengesetz­ ter Wert, der abhängig ist von: a) der Zellendichte und der Viskosität der Lösung, b) der Rührrate, falls größer als 400 Umdrehungen pro Minute, und c) der Größe und Zahl der Blasen im flüssigen Medium.

Das Korrekturmodell, das die Rohdichtedaten anpaßt, ba­ siert auf zwei linearen Gleichungen. Jede Gleichung korreliert die On-Line-Zellendichtewerte mit der opti­ schen Dichte bei einer bestimmten Rührgeschwindigkeit (Upm). Der Schnittpunkt der beiden Geraden ist ein Punkt, an dem die Rührung keinen Effekt auf das Signal hat. D.h., unterhalb dieses Punkts läßt eine Zunahme der Rührung die Lösung dunkler erscheinen, d.h. un­ durchsichtiger (höhere optische Dichte), beeinflußt durch die Zahl der Blasen und ihre Größe; und oberhalb dieses Punkts läßt eine Zunahme der Rührung die Lösung heller erscheinen (geringere optische Dichte). Das Phä­ nomen wird der Wirkung der Blasen im Medium auf das Ge­ samtsignal der Sonde zugeschrieben. D.h. an diesem Punkt entspricht der transparente Effekt dem Streuef­ fekt aufgrund der Anwesenheit der Blasen im Fermenta­ tionsmedium.

Ein weiterer Faktor, der in die Linearisierungsglei­ chungen eingeht, ist der bekannte Effekt der Rührrate auf die Blasen. Es wurde herausgefunden, daß an anderen Punkten als dem Kreuzungspunkt eine unlineare Beziehung zwischen Umdrehungszahl- und Signaländerung vorliegt. Eine Gleichung wird so gewählt, daß sie am besten das Phänomen zwischen 200 Upm und 1000 Upm annähert. Wenig oder keine Belüftung findet unterhalb 200 Upm statt. und in ähnlicher Weise auch nicht oberhalb 1000 Upm, wo der Belüftungsprozeß wegen der allgemeinen Grenzen für den Prozeß und den Geräteaufbau aussetzt.

Es wurde herausgefunden, daß das Sondensignal von der Rührrate beeinflußt wird. Auch ist das Ansprechen ab­ hängig von der relativen Konzentration Zelle zu Luft­ blasen im Vergleich zur Rührrate. D.h. unter gleichen Bedingungen ist das Signal bei hohen Rührraten für niedrige Zellendichten größer als für hohe Zellendich­ ten. Eine Kurve im niedrigen Rührbereich wurde zur höchsten Genauigkeit in dem Bereich ausgewählt, der für den Fermentationsprozeß am kritischsten ist. Eine Poly­ nomableitung der Kurve wurde aus den aufgrund der Wir­ kung der Rührrate auf die Signalgröße gesammelten Daten bei einer gegebenen oder gewählten optischen Dichte be­ stimmt. Die Kurve hat die Form.

Prozentuale Änderung der optischen Dichte = ko+k 1Ag+k 2Ag ²+k 3Ag ³

wobei k eine Konstante und Ag die Rührrate ist. Der Geber erzeugt eine Ansprechkurve, die das Phänomen gut annähert, d.h. eine lineare Änderung im Konzentrations­ bereich, und paßt die Kurve an das tatsächliche Prozeß­ fluid an.

Der Geber erzeugt die Ansprechkurve durch Ablesungen On-Line oder in Probenbehältern, durch Abspeichern der Ablesungen, und die gespeicherten Ablesungen werden Werten zugeordnet, die im Labor bestimmt worden sind.

Das Gerätesystem verwendet einen programmierten Rech­ ner, der die Konzentration oder Konsistenz eines Fluids durch Lichtabsorption mißt. Dieser programmierte Rechner überwacht einen Prozeß kontinuierlich und gibt einen Wert aus, der mit den Standardisierungskurven des Prozesses übereinstimmt. Minimal wird eine Zwei-Punkt-Standardisierungskurve benötigt, um den Aus­ gang zu linearisieren. Somit werden Fehler durch Off-Line-Probenahme im Labor reduziert, und das Ergeb­ nis ist repräsentativ für die Real-Time-Konzentration des Fluids.

Der programmierte Rechner ist ein mikroprozessorgesteu­ ertes Gerät in modularem Aufbau, bestehend aus Leiter­ platten, analogen Ausgangsplatinen, einer zentralen Rechnerplatine zum Ablauf des Programms, die die Elek­ tronik beinhaltet und die Meßdaten interpretiert, einer digitalen Kommunikationsplatine, der Frontplatte als menschlicher Schnittstelle, einer Ausgangsplatine für Lampen zur Einstellung der korrekten Spannung für die Sensorlampen mit Kompensation des Spannungsverlustes auf der Leitung; einer Mutterplatine, die alle Platinen verbindet zu einem integrierten Gerätesystem. Eine Stromversorgung liefert eine geregelte und ungeregelte Versorgung für die Schaltkreise, Relais und Sensoren; einer Sensoreingangsplatine, die ein Sensorsignal so bearbeitet, daß der Eingang für Mikroprozessorlesbar­ keit geeignet ist.

Im Betrieb kann der Mikroprozessor Messungen einer Vielzahl von Sensoren interpretieren und anzeigen. Im allgemeinen messen optische Sensoren die Lichtmenge, die durch ein Prozeßfluid durchtritt. Die durchgelas­ sene Lichtmenge kann durch Feststoffe in Suspension, gelöste Feststoffe und Emulsionen reduziert werden, wie oben diskutiert. Feststoffe in Suspension und Emulsio­ nen reduzieren ebenfalls die Lichtdurchlässigkeit.

Wie oben erwähnt, ist die typische Meßeinheit die will­ kürliche Absorptionseinheit (AE). In Benutzung wird AE als Null definiert, wenn die Lichtmenge in einer klaren (oder Null-) Lösung absorbiert wird. Jede zusätzliche Einheit ist eine Änderung in der Zehnerpotenz des ab­ sorbierten Lichts und kann somit dem Stromausgang über einen Fotoempfänger korreliert werden. Als Beispiel kann 0 AE 10 mA als Stromausgang des Fotoempfängers entsprechen, 1 AE wäre dann 1 mA Stromausgang, und 2 AE wären dann 0,1 mA Ausgang etc.

Das Problem, das die vorliegende Erfindung löst, ist die Beziehung zwischen den Lichtablesungen und der tat­ sächlichen Zellendichtemessung, welche unlinear sein kann. In jedem kleinen Segment der resultierenden Kurve gibt es eine lineare Beziehung zwischen der Prozeß­ zellendichte und dem Fotoausgang. Jedoch existiert über einen größeren Bereich keine lineare Beziehung; das Verhalten der Partikel in einem klaren Medium ent­ spricht keiner äquivalenten Änderung im dunklen oder undurchsichtigen Bereich. Dies wird im Geber durch den programmierten Mikroprozessor linearisiert.

Somit werden die Nachteile der bekannten Verfahren eli­ miniert. Ein verbessertes, direktes Abschätzungssystem resultierte in genaueren und schnellen Bestimmungen der Zellendichte in Fermentoren oder ähnlichen Reaktoren. Selbst in der turbulenten Umgebung eines Fermentors unter Vorhandensein von Blasen aus der Belüftung oder der im Reaktor stattfindenden Reaktion war es möglich mit der vorliegenden Erfindung, Zellendichten oberhalb 100 OD direkt auszuwerten und das System direkt an ein Rechnersystem zur Prozeßkontrolle anzukoppeln.

Es wird verständlich sein, daß jedes der oben beschrie­ benen Elemente oder zwei oder mehrere zusammen auch sinnvolle Anwendungen in anderen Konstruktionsarten und -systemen und dgl. finden können, die sich von den oben beschriebenen Arten unterscheiden können.

Während die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Messung der Turbidizität einer Flüssigkeit illu­ striert und beschrieben worden ist, in der Mikroorga­ nismen wachsen, ist sie nicht auf die gezeigten und be­ schriebenen Einzelheiten beschränkt, da diverse Ände­ rungen und Modifizierungen am Aufbau durchgeführt wer­ den können, ohne in irgendeiner Weise vom Geist und Um­ fang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Ohne weitere Analyse wird das Vorstehende den Haupt­ punkt der vorliegenden Erfindung offenbaren, so daß an­ dere Fachleute durch Anwendung gegenwärtigen Wissens in der Lage sind, sie ohne Schwierigkeiten für diverse Anwendungen ohne Weglassen von Eigenschaften einzuset­ zen, die vom Standpunkt des Stands der Technik aus ent­ scheidende Eigenschaften des spezifischen oder gat­ tungsgemäßen Aspekts der Erfindung darstellen.

Zusammenfassend bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System zum direkten Erzielen der optischen Dichte eines dynamischen biolo­ gischen Systems über einen weiten Betriebsbereich und einen weiten Bereich von Organismusmasse, wobei der primäre Störfaktor, die Rührung und Gasblasenbildung, kompensiert wird und wodurch eine On-Line- und Real-Time-Erfassung der Zellendichte entsprechend der Produktkonzentration und dem Fortschreiten des biologi­ schen Reaktionssystems erzielt wird.

Fig. 1:

FEED = Zuführung
VESSEL = Gefäß
TRANSMITTER = Geber
RPM CONTROLLER = Steuerung Umdrehungszahl
PROCESSING = Verarbeitung
(ANALOG DATA) = Analogdaten
MAIN FRAME = Rechner
(DIGITAL DATA) = Digitaldaten

Fig. 2:

POWER SOURCE = Versorgung
LOG AMPLIFIER = log. Verstärker
LINEARIZATION PROGRAM = Linearisierungsprogramm
COMPENSATION EQUATION = Kompensationsgleichung
OUTPUT REGISTRY = Ausgabeaufzeichnung
RPM CONTROL = Steuerung Umdrehungszahl

Claims (8)

1. Verfahren zum Überwachen eines dynamischen biologi­ schen Systems in einem biologischen Reaktor mit sich entwickelnden Kulturfluidmedien durch Messen des durchgelassenen Lichts in einer definierten Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte vorgesehen sind:

• a) Bestrahlen des Fluidmediums in der Zelle;
• b) Ständiges Rühren des Kulturfluidmediums;
• c) Erfassen des durchgelassenen Lichts;
• d) Umwandeln des erfaßten durchgelassenen Lichts in ein Ausgangssignal;
• e) Linearisieren des Ausgangssignals;
• f) Kompensieren des Ausgangssignals auf den Rühreffekt, und
• g) Aufzeichnen des Signals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung durch Messen der direkten optischen Dichte des Kulturfluidmediums in der Zelle erfolgt.

3. Vorrichtung zum Messen der direkten optischen Dichte eines flüssigen biologischen Mediums in einem biologi­ schen Reaktor, in dem das flüssige Medium gerührt wird, wobei das flüssige Medium sich entwickelnde und wach­ sende biologische Gattungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Einbringen einer biologischen Sonde mit einer Meßzelle in das flüssige biologische Medium aufweist, wobei die Sonde mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger versehen ist, die mit der Zelle zusammenwirken, und daß sie Mit­ tel außerhalb des Reaktors und verbunden mit dem Licht­ empfänger zum Linearisieren des Ausgangssignals des Empfängers sowie Mittel zum Kompensieren des Ausgangs­ signals auf von der Rührung des flüssigen Mediums im Reaktor verursachte Störungen aufweist; und daß sie Mittel zum Aufzeichnen der Ergebnisse für die optische Dichte in der Zelle aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einbringen der Sonde mit einer optischen Erfassungszelle in das flüssige biologische Medium eine Sonde mit Lichtleitern zum Leiten des Lichts zur Zelle und mit einem gegenüber angeordneten, mit Lichtleitern versehehenen Fotoempfän­ ger zum Leiten des Signals zu einem externen Verstärker und Aufzeichnungsgerät ist.

5. Verfahren zum Bestimmen der Zellenmasse eines bio­ logischen Systems durch Erstellen einer Kurvenanpas­ sungsberechnung an optische Dichtedaten und Rührdaten eines biologischen Reaktors mit einem sich entwickeln­ den Kulturfluid, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Sätze für die Rührrate und die entsprechende optische Dichte vorgesehen sind, die die Ergebnisse linearisieren und die den Wert der Zellenmasse als Funktion der Rührung und der optischen Dichte definieren und die Wirkung der Rührung kompensieren, wodurch die Zellenmasse auf die optische Dichte bezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisierung eine Bestimmung von wenigstens zwei Neigungen der linearen Beziehung zwischen zwei Sätzen von wenigstens je zwei Punkten für die Rührrate und die entsprechende optische Dichte ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei den einzelnen Schritten die Linearisierung auf zwei Punkten beruht, die sich wenigstens um zwanzig Prozent des Nullwerts unterschei­ den und ungleich Null sind, wobei der Nullwert dem Hin­ tergrundfluid im biologischen Reaktor entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührrate als konstanter Wert gewählt wird.