DD298284A5 - METHOD FOR CONTROLLING CARBON SUBSTRATE DOSES IN MICROBIAL SUPPLY METHODS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Kohlenstoffsubstratdosierungen bei mikrobiellen Produktbildungsprozessen nach dem Zufuetterungs- und zyklischen Zufuetterungsprinzip. Es werden wiederholt Kohlenstoffsubstratimpulse mit prozeszspezifisch gewaehlten Substratmengen und Substratbestandteilen in das Kulturmedium eingetragen. Es wird deren jeweilige Verwertungsdauer gemessen und aus Beobachtungsdaten bestimmt. Das jeweils vorhandene Verwertungsvermoegen wird zur Dosierungsnachfuehrung benutzt. Fuer die Folgezeitspanne der Produktbildung wird der neue Ratenwert prozeszspezifisch mit festem proportionalen oder mit einem dem Prozeszalter gerechten proportionalen Bezug zum Verwertungsvermoegen gewaehlt. In der erweiterten Verfahrensweise wird die Nachfuehrung der Kohlenstoffsubstratdosierung auf der Serie der bis zum Nachfuehrungszeitpunkt angefallenen Bestimmungsdaten des Verwertungsvermoegens und darauf fuszenden Trendschaetzungen fuer die Verwertungsentwicklung begruendet.{Steuerverfahren; Kohlenstoffsubstratdosierung; Produktbildungsprozesse, mikrobielle; Zufuetterungsprinzip; Zufuetterungsprinzip, zyklisches; Verwertungsdauer}The invention relates to a method for controlling carbon substrate dosages in microbial product formation processes according to the Zufuetterungs- and cyclic Zufuetterungsprinzip. Carbon substrate pulses having process-specific substrate amounts and substrate constituents are repeatedly introduced into the culture medium. Their respective utilization period is measured and determined from observation data. The existing utilization capacity is used for Dosierungsnachfuehrung. For the subsequent period of product formation, the new rate value is selected in a process-specific manner with a fixed proportional or with a process-related proportional reference to the recovery capacity. In the extended procedure, the follow-up of the carbon substrate dosage is based on the series of recovery date data and subsequent trend estimates for the exploitation development. Carbon substrate dosage; Product formation processes, microbial; Zufuetterungsprinzip; Zufuetterungsprinzip, cyclic; Realization period}
Description
(eingetragene Kohlenstoffsubstratmenge)(registered carbon substrate amount)
(zugehörige Verwertungsdauer)(associated utilization period)
zur Dosierungsnachführung benutzt wird, indem für die Folgezeitspanne der Produktbildung der neue Ratenwert mit festem proportionalen Bezug zum Verwertungsvermögen gewählt wird und in der erweiterten Verfahrensweise die Nachführung der Kohlenstoffsubstratdosierung auf der Serie der bis zum Nachführungszeitpunkt angefallenen Bestimmungsdaten des Verwertungsvermögens und darauf fußenden Trendschätzungen für die Verwertungsentwicklung begründet wird und zur Nachführung der Kohlenstoffsubstratdosierung für die Folgezeitspanne der Produktbildung die neue Raten mit festem proportionalen Bezug zu den prognostizierten Werten der Entwicklung des Verwertungsvermögens gewählt werden.is used for dosing tracking by selecting, for the subsequent period of product formation, the new rate value with fixed proportional reference to the recovery capability and in the extended procedure justifying the tracking of the carbon substrate dosing on the series of recovery date data and subsequent trend estimates for recovery development and for tracking the carbon substrate dosage for the subsequent period of product formation, the new rates will be chosen with fixed proportional reference to the predicted values of the development of the recovery capacity.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Folgezeitspanne der Produktbildung der neue Ratenwert mit einem nach dem Prozeßalter gewichteten proportionalen Bezug zum Verwertungsvermögen gewählt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that is selected for the subsequent period of product formation of the new rate value with a weighted by the process age proportional reference to the recovery capacity.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zur direkten Form der Bestimmung des Verwertungsvermögens im Produktbildungsfermenter dessen Schätzung auf der Basis von einem oder mehreren Meßreaktoren, in die spezifische Mengen Kulturlösung aus dem Produktbildungsfermenter überführt werden und in denen dann meßreaktorbezogene Bestimmungen des Verwertungsvermögens erfolgen und das Verwertungsvermögen des Produktbildungsreaktors als Schätzresultat, in Auswertung der meßreaktorbezogenen Daten bestimmt wird, erfolgt.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that as an alternative to the direct form of determining the recovery capacity in Produktbildungsfermenter whose estimate on the basis of one or more measuring reactors, are transferred to the specific amounts of culture solution from the Produktbildungsfermenter and in which then meßreaktorbezogene determinations the recovery capacity and the recovery capacity of the product formation reactor as an estimation result, is determined in evaluation of meßreaktorbezogene data carried out.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Beobachtungsgrößen zur Beurteilung des Verlaufes der Verwertungsintensität digital und/oder analog ausgewertete Meßeinrichtungen für Wasserstoffionenkonzentration und/oder Gelöstsauerstoffpartialdruck und/oder Sauerstoffgehalt in der Abluft und/oder Kohlendioxyd in der Abluft und/oder aus diesen Größen gefolgerte Größen, die zumindest eine der vorgenannten Größen als Bestandteil enthalten, verwendet werden.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that as observation variables for assessing the course of the utilization intensity digitally and / or analog evaluated measuring devices for hydrogen ion concentration and / or dissolved oxygen partial pressure and / or oxygen content in the exhaust air and / or carbon dioxide in the exhaust air and / or from these sizes inferred sizes which contain at least one of the aforementioned sizes as a component can be used.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Kulturmedium und/oder als Zufütterungssubstrate Nährsubstrate eingesetzt werden, die sämtlich oder teilweise komplexer Natur sind.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that in the culture medium and / or as feed substrates nutrient substrates are used, which are all or partially complex in nature.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind mikrobielle Produktbildungsprozesse nach dem Zufütterungs- und zyklischen Zufütterungsprinzip, bei denen der mikrobieilen Produktbildner in der Zufütterungskomponente des oder der Kohlenstoffsubstrate limitiert versorgt wird und über die definierte Versorgung mit Kohlenstoffsubstraten der Produktbildungsablauf geführt wird.Preferred fields of application are microbial product formation processes according to the feeding and cyclic feeding principle, in which the microbial product-forming agent in the feed component of the carbon substrate or substrates is supplied in a limited manner and the product formation process is conducted via the defined supply of carbon substrates.
Bei den in der Regel mehrstufig gestalteten Prozessen zur mikrobieilen Produktbildung dienen die dom Produktbildungsabschnitt vorgelagerten Maßnahmen der Bereitstellung einer genügend großen Menge an mikrobiellem Produktbildner. Die Anzuchtstufen dienen gleichfalls der Ausprägung von Stoffwechseleigenschaften und vorteilhafter morphologischer Eigenschaften für die Prozeßführung. Die Führung der Kohlenstoffsubstratdosierungen zur Steuerung der mikrobieilen Produktbildung erfolgt gegenwärtig nachIn the generally multistage processes for microbial product formation, the measures taken upstream of the product formation section serve to provide a sufficiently large amount of microbial product former. The cultivation stages also serve the expression of metabolic properties and advantageous morphological properties for process control. The guidance of carbon substrate dosages to control microbial product formation is currently underway
- Zeitprogramm,- Time program,
- Zeitprogramm und Kontrollanalytik zu Kohlenstoffsubstraten,- time program and control analysis of carbon substrates,
- physikalisch/chemischen Eigenschaften derSubmerskulturen,- physical / chemical properties of submerged cultures,
- Wachstumsmodellen mit Kontrollanalytik für Substrate und Biomasse- Growth models with control analytics for substrates and biomass
- Bilanzmodellen zur ökonomischen Substratverwertung, bezogen auf die Produktbildung- Balance models for economical substrate utilization, related to product formation
- dor spezifischen Aufschlußgeschwindigkeit von Oligosacchariden.- The specific digestion rate of oligosaccharides.
Die Führungsmethoden haben folgende Nachteile:The guiding methods have the following disadvantages:
- Sie ermöglichen nur unzulänglich den Bezug auf den Entwicklungsstand der verfügbaren Biosynthesekapazität, mangelnde Bezugnahme auf den individuellen Prozeßverlauf bei der Produktbildung, verzögerte Dosierungsanpassungen infolge zeitaufwendiger Analytik oder Modellanalysen und störanfällige Kulturlösungsanalytik wirken hier zusammen,- They do not adequately relate to the level of development of available biosynthetic capacity, lack of reference to individual process history in product formation, delayed dosage adjustments due to time-consuming analytics or model analysis, and failure prone culture solution analysis work together,
- nach Störungen im geplanten Ablauf wird die Anpassung der Prozeßfortführung mit störungsausgloichenden Maßnahmen nur unzureichend unterstützt,- after disturbances in the planned procedure, the adaptation of the process continuity with malfunction-compensating measures is only insufficiently supported,
- die Anpassung der mikrowellen Produktbildung an unterschiedliche Reaktoren, an die variierende Zusammensetzung der eingesetzten Nährsubstrate und an Substratwechsel wird nicht erreicht.- The adaptation of the microwave product formation to different reactors, the varying composition of the nutrient substrates used and substrate changes is not achieved.
Ziel der Erfindung ist es:The aim of the invention is:
- leistungsstarke, robuste mikrobielle Produktbildungsprozesse zu schaffen,- to create powerful, robust microbial product formation processes,
- optimale Produktausbeuten bei sparsamsten Materialeinsatz durchzusetzen,- enforce optimal product yields with the most economical use of materials,
- die Fieproduzierbarkeit der Fermentationen und damit deren Ökonomie zu verbessern,to improve the reproducibility of the fermentations and thus their economy,
- alle Formen von Prozeßanpassungen und -Umstellungen zu beschleunigen und damit verbundene unproduktive Materialaufwendungen zu reduzieren,- speed up all forms of process adjustments and conversions and reduce associated unproductive material costs,
- Reaktorgegebenheiten, Kulturlösungsbeschaffenheiten und Verwertungscharakteristika der Produktbildner so in die Führung der Produktbildung einzubeziehen, daß das Verfahren selbstanpassenden Charakter erhält.- Include reactor conditions, culture solution conditions and utilization characteristics of the product formers in the leadership of product formation so that the process receives self-adaptive character.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für kohlenstofflimitierte mikrobielle Produktbildungsprozesse ein Verfahren zur Steuerung der Kohlenstoffsubstratdosierungen zu schaffen, indem das Verwertungsvermögen des Produktbildners ermittelt und die Dosierung darauf bezogen prozeßspezifisch angepaßtf werden soll. Dabei werden im Komplex die Anlagenauswirkungen und die entwicklungsbedingten Veränderungen der Produktbildungskultur einbezogen, so daß die Nachführung in jedem Falle den individuellen Gegebenheiten gerecht wird, Störungsausgleichenden Charakter hat und die Ausschöpfung der aktuell vorhandenen Verwertungskapazität ermöglicht. Überraschenderweise w - de gefunden, daß diese Maßnahmen zur Substratangebotssteuerung darüber hinaus ein Führungsmittel ergeben, das leisiungsgesteigerte Produktbildungsabläufe und damit Ertragssteigerungen in der Produktausbeute der Fermentationen erzeugt. Die verwendeten biotechnologischen Reaktoren für den aseptischen Betrieb besitzen Einrichtungen zur Zuführung des oder der Kohlenstoffsubstrate und zur Messung und/oder Beobachtung der Verwertungsdauer von Substratimpulsen, die in die Kulturlösung eingetragen werden.The invention has for its object to provide for carbon-limited microbial product formation processes, a method for controlling the carbon substrate dosing by determining the recoverability of the product-forming agent and the dosage based on this process-specific adaptedf. The complex effects of the plant and the developmental changes of the product culture are included in the complex, so that the tracking in each case meets the individual circumstances, has a disturbance-balancing character and allows the utilization of the currently available recovery capacity. Surprisingly, it has been found that these substrate supply control measures moreover result in a guiding agent which produces production-enhancing processes which increase production and thus yield increases in the product yield of the fermentations. The biotechnological reactors used for the aseptic operation have means for feeding the carbon substrate (s) and for measuring and / or observing the recovery time of substrate pulses which are introduced into the culture solution.
Erfindungsgemäß wird dazu ein Kohlenstoffsubstratimpuls in das Kulturmedium eingetragen, dessen Substratmenge prozeßspezifisch gewählt wird, und die benötigte Verwertungsdauer gemessen oder aus den Beobachtungsdaten bestimmt. Als Bezugsmaß für die Steuerung der Kohlenstoffsubstratversorgung fungiert der WertAccording to the invention, a carbon substrate pulse is introduced into the culture medium for this purpose, the amount of substrate of which is selected in a process-specific manner, and the required recovery time is measured or determined from the observation data. The reference value for the control of the carbon substrate supply is the value
(eingetragene Kohlenstoffsubstratmenge)(registered carbon substrate amount)
(zugehörige Verwertungsdauer)(associated utilization period)
im weiteren Text als MCIVR - maximale Impulsverwertungsrate - bezeichnet. Alternativ zur direkten Form der MCIVR-Bestimmung im Produktbildungsfermenter erfolgt die Schätzung der MCIVR auf der Basis von einem oder-zur Nachbildung von Versorgungsgradienten im Produktbildungsfermenter - von mehreren Meßreaktoren, in die spezifische Mengen Kulturlösung aus dem Produktbildungsfermenter überführt werden und in denen dann Maßreaktor-bezogene MCIVR-Daten ermittelt werden. Der MCiVR-Wert des Prod ' 'bildungsreaktors resultiert dann aus Schätzverfahren in Auswertung der Meßreaktor-bezogenen Daten. Zur Steuerung der Kohlenstoffdosierung wird für die Folgezeitspanne der Produktbildung der neue Ratenwert prozeßspezifisch mit festem proportionalen oder mit einem dem Prozeßalter gerechten proportionalen Bezug zur MCIVl gewählt. Das Verfahren zur Nachführung wird im Produktbildungsverlauf wiederholt durchgeführt. In der erweiterten Verfahrensweise wird die Nachführung der Kohlenstoffsubstratdosierung auf der Serie der bis zum Nachführungszeitpunkt angefallenenen MCIVR-Werte und darauf fußenden Trendschätzungen für die MCIVR-Entwicklung begründet. Zur Nachführung der Kohlenstoffdosierung wird für die Folgezeitspanne der Produktbildung die neue Ratenwahl prozeßspezifisch mit festem proportionalen oder mit einem dem Prozeßalter gerechten proportionalen Bezug zu den prognostizierten Werten der MCIVR-Entwicklung gewählt.hereinafter referred to as MCIVR - maximum pulse utilization rate. As an alternative to the direct form of MCIVR determination in the product formation fermenter, the MCIVR is estimated on the basis of one or more replication gradients in the product formation fermenter - from multiple measurement reactors into which specific amounts of culture solution are transferred from the product formation fermenter and then to dimensional reactor related MCIVR data are determined. The MCiVR value of the product formation reactor then results from estimation methods in evaluation of the measurement reactor-related data. For the control of the carbon dosage, the new rate value for the subsequent period of product formation is selected process-specifically with a fixed proportional or with a process-related proportional proportional reference to the MCIV1. The process for tracking is repeatedly performed in the product formation process. In the extended approach, tracking of carbon substrate dosage is based on the series of post-tracking MCIVR values and subsequent trend estimates for MCIVR evolution. For tracking the carbon dosage, for the subsequent period of product formation, the new rate choice is process specific with fixed proportional or process-fair proportional to the predicted values of MCIVR evolution.
Das Verfahren zur Nachführung der Kohlenstoffsubstratdosierung wird am Beispiel einer Penicillinfermentation demonstriert. Die Penicillinfermentation wird in Form einer Submerskultur in einem 3-m3-Rührkessel durchgeführt. Als mikrobieller Produktbildner kommt eine Selektante von Penicillium crysogenum zum Einsatz. Dessen Selektion und Anzucht erfolgt über Lyophilkonservc, Emersanzucht in Petrischalen, Eprouvettenkulturen mit Streßmedien, Schüttelkulturen, Gerste-Reis-Kultur, durchläuft zwei Impffermentationsstufen und als Produktbildungskultur die primäre Wachstumsphase. Anschließend erfolgt die Fermentation auf der Basis unlimitierter Sauerstoffversorgung und limitierter Versorgung mit Kohlenstoffsubstrat. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt über Belüftung und Durchführung, mit einer Rührgeschwindigkeit von 135U/Min und einem Luftdurchsatz von 1,6Nm3. Ferner wird der Prozeß bei einem pH-Wert von 6,5 und einer Fermentationstemperatur von 250C geführt. Diese Werte bleiben in der Phase der Produktbildung unverändert. Als einziges Kohlenstoffsubstrat wird Saccharose zudosiert. Dafür steht an der Fermentationsanlage eine Nachdosierungseinrichtung zur Verfugung, die Zudosierungen unterThe method for tracking the carbon substrate dosage is demonstrated using the example of a penicillin fermentation. The penicillin fermentation is carried out in the form of a submerged culture in a 3 m 3 stirred tank. The microbial product-forming agent used is a selectin of Penicillium crysogenum. Its selection and cultivation takes place via Lyophilkonservc, Emersan breeding in Petri dishes, Eprouvettenkulturen with stress media, shake cultures, barley rice culture, passes through two Impffermentationsstufen and product culture as the primary growth phase. Subsequently, the fermentation takes place on the basis of unlimited oxygen supply and limited supply of carbon substrate. The oxygen is supplied via ventilation and carrying out, with a stirring rate of 135U / min and an air flow rate of 1.6 nm. 3 Further, the process is carried out at a pH of 6.5 and a fermentation temperature of 25 0 C. These values remain unchanged during the product formation phase. Sucrose is added as the only carbon substrate. For this is on the fermentation plant a Nachdosierungseinrichtung available, the dosing under
aseptischen Bedingungen ermöglicht. Die Saccharose wird als wäßrige Lösung (450g Saccharose in 11 Lösung) zugeführt. Als weitere Zudosierungen sind während der Fermentationsphase Ammonsulphat, Ammoniak und Phenylessigsäure erforderlich, die zu Konzentrationskorrekturen in der Kulturlösung dienen. Diese Zugaben werden durch Wertermittlungen aus der Kulturlösungsanalytik geführt, die den Prozeß begleitet. Die Produktbüdungsinbetriebnahme erfolgte zur 30. Fermentationsstunde. Nachfolgend wird das Verfahren zur Nachführung der Kohlenstoffsubstratdosierung zur 90. Fermentationsstunde demonstriert. Zuvor vorgenommene Verfahrensanwendungen zur Dosierungsnachführung erfolgten zur 35. und zur 65. Fermentationsstunde. Die Kohlenstoffsubstratimpulse bestehen aus Saccharoselösung, die von der Beschaffenheit des Zufütterungssubstrates ist. Die zur Anwendung kommenden Impulse werden über die Nachdosierungseinrichtung der Fermentationsanlage in die Kulturlösung eingetragen. Die Verwertungsdauer wird nicht direkt gemessen, sie ergibt sich aus einem Satz von Beobachtungsgrößen, abgeleitet aus den Wertverläufen der Anlagenmeßsonden der Prozeßgrößen pH, pOj und Sauerstoffverbrauch, Kohlendioxydbildung. Zur Dosierungsnachführung wird zunächst die laufende Saccharosezufütterung außer Betrieb genommen. Nach 1£ Minuten Dosierungsstop sind die Restkonzentrationen an verwertbarem Kohlenstoff aus der Kulturlösung aufgebraucht. Die Anzeige des Verwertungsendes durch beständig fallende Kohlendioxydbildung, fallenden Sauerstoffverbrauch, beständiges Ansteigen der Meßdaten für pH und pO2 liefert dafür ausreichende Genauigkeit und Sicherheit bei 15minütiger Kontrolle der Tendenzstabilität. Die Zugabe des Substratimpulses benötigt eine Dosierdauerr unter 3 Minuten. Das Verwertungsende - in der beschriebenen Form beobachtet - wird nach einer Verwertungsdauer von 1,5 Stunden erreicht, woraus sich ein MCIVR-Wert von 8 (l/h) ergibt. Für alle Ratennachführungen in der Produktbildungszeitspanne wird der prozeßspezifische, konstant gewählte Proportionalitätsfaktor 0,7 als Zuordnungsgröße benutzt, so daß die Saccharosedosierung mit der Rate 5,6 (l/h) betrieben wird. Bis zur 90. Fermentationsstunde ergibt sich in tabellarischer Auflistung folgendes Nachführungsprotokoll:aseptic conditions. The sucrose is supplied as an aqueous solution (450 g of sucrose in 11 solution). As further additions ammonium sulphate, ammonia and phenylacetic acid are required during the fermentation phase, which serve to concentration corrections in the culture solution. These additions are guided by value analyzes from the culture solution analysis, which accompanies the process. The Produktbüdungsinbetriebnahme took place at the 30th fermentation hour. The process for tracking the carbon substrate dosage at the 90th fermentation hour is demonstrated below. Previous dosing follow-up procedures were performed at the 35th and 65th fermentation hours. The carbon substrate pulses consist of sucrose solution, which is of the nature of the feed substrate. The pulses used are entered into the culture solution via the replenishment device of the fermentation plant. The utilization period is not measured directly, it results from a set of observation variables, derived from the value curves of the system measuring probes of the process variables pH, pOj and oxygen consumption, carbon dioxide formation. For dosing tracking, the current sucrose feed is first taken out of service. After 1 lb of dosing stop, the residual concentrations of recoverable carbon from the culture solution are used up. The indication of the end of use by constantly decreasing carbon dioxide formation, decreasing oxygen consumption, constant increase in the measured data for pH and pO 2 provides sufficient accuracy and safety with 15-minute control of the tendency stability. The addition of the substrate pulse requires a dosing duration of less than 3 minutes. The end of use, as observed in the form described, is reached after a recovery time of 1.5 hours, resulting in an MCIVR of 8 (l / h). For all rate tracking in the product formation period, the process-specific, constantly selected proportionality factor 0.7 is used as the assignment quantity, so that the sucrose dosage is operated at the rate 5.6 (l / h). Up to the 90th fermentation hour, the following tracking protocol results in tabular listing:
tionsalter Rate impuls RateAge of age Rate impulse rate
(h) (l/h) Jl) ll/h) (l/h)(h) (l / h) JI) ll / h) (l / h)
35 2 6 0 3,535 2 6 0 3,5
65 3,5 10 6 4,265 3.5 10 6 4.2
90 4,2 12 8 5,690 4.2 12 8 5.6
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| DD32396588A DD298284A5 (en) | 1988-12-27 | 1988-12-27 | METHOD FOR CONTROLLING CARBON SUBSTRATE DOSES IN MICROBIAL SUPPLY METHODS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD298284A5 true DD298284A5 (en) | 1992-02-13 |
Family
ID=5605722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DD32396588A DD298284A5 (en) | 1988-12-27 | 1988-12-27 | METHOD FOR CONTROLLING CARBON SUBSTRATE DOSES IN MICROBIAL SUPPLY METHODS |
Country Status (1)
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|---|---|
| DD (1) | DD298284A5 (en) |
-
1988
- 1988-12-27 DD DD32396588A patent/DD298284A5/en not_active IP Right Cessation
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