Способ контроля и регулирования аэробных ферментационных процессов Советский патент 1988 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к способу контроля и регулирования биохимических процесов и предусматривает регулирование процессов ферментации, в которых углеродные субстраты лри соответствующих концентрациях обладают ингибирующими свойствами.

Известно Hofmann Е., Dynamische Biologie, Bol. 2, Akademieverlag, 1972;, что дыхательный фермент цито- хром С клетки микроорганизма в 15иди- мой области имеет характерные полосы поглощения, интенсивность действия и локализация которых позволяют еде- лать заключение о состоянии культуры микроорганизмов и ее концентрации в ферментационной среде Brauer Н., Dissertation, ТН Leipzig, 1975). Фотометрическим ощупыванием ферментацион- ной среды получают пропорциональные абсорбции цитохрома С измерительные сигналы в оС-диапазоне 550-565 мм или Bj3 -диапазоне 520-530 мм и предпочтительно в - -диапазоне 400- 420 мм. При соединении абсорбционных сигналов с электронным блоком получают отображающий состояние культуры микроорганизмов сигнал и пропорционалЕЬНьй KOII- центрации цитохрома С в ферментацион- ной среде сигнал.

В известных способах регулирования ферментационных процессов (ФРГ OS 1442076, ФРГ OS 1953430, ФРГ AS 2217909, ФРГ OS 2457044, ФРГ OS , 2546236) в качестве регулируемых величин концентрации субстратов углерода в ферментационной среде применяют значение рН, концентрацию растворенного кислорода или концентрацию кислорода в отходящем газе ферментационной среды.

Недостатком этих растворов является невозможность точного определения и избежания влияния ингибирующего действия концентраций углеродных субстратов на культуру микроорганизмов.

Целью изобретения является попыше- ние точности.

Способ управления и регулирования периодических и непрерывных процессов ферментации при наличии ингибирую- щих углеродных субстратов обеспечивает возможность полного избежания ин- гибирующих рост пределов концентраций и при наличии неингибирующих и инги- бирующих углеводных субстратов обеспечивает возможностью достижения стабильной и частичной автоматизированной ферментации при неизменяющейся продуктивности путем соединения системы регулирования углеродных субстратов с системой регулирования протока Через ферментер.

Способ контроля и регулирования аэробных ферментационных процессов предусматривает определение состояния и концентрации дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов, регулирование протока через ферментер в зависимости от концентрации дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов.

Кроме того, данный способ предусматривает .регулирование содержания углеродного субстрата в ферментационной среде в зависимости от состояния дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов при постоянной концентрации растворенного кислорода в ферментационной среде, а такж регулирование концентрации растворенного кислорода в зависимости от состояния дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов при постоянном содержании углеродного субстрата в ферментационной среде . аэробные микрорганизмы выращивают в питателытой среде, причем во время выращивания поддерживают постоянную концентрацию растворенного кислорода, способом фотометрического измерения цитохрома С учитывают изменение концентрации уг леродных субстратов.в ферментационной среде и нивелируют их.

При этом отображающий состояние культуры микроорганизмов сигнал цитохрома С служит в качестве регулируемой величины подачи углеродных субстратов.

Регулятор приспособления дозировки углеродных субстратов следует установить в такое положение, в котором не может быть достигнута инги- бирующая рост культуры концентрация углеродных субстратов, т.е. , чем обеспечивается возможность осуществления процесса ферментации при максимальной скорости роста.

Можно выращивать аэробные микроорганизмы в питательной среде, причем в процессе выращивания поддерживают постоянную концентрацию углеродных субстратов в ферментационной среде, а в качестве величины регулирования ввода кислорода в ферментационную среду служит отображающий состояние культуры микроорганизмов сигнал цитохрома С.

Наряду с характеризукяцим состояние культуры микроорганизмов значением величины цитохрома С дана возможность получения значения пропорциональной концентрации цитокрома С из полос поглощения цитохрома С, коррелирующего с концентрацией микроорганизмов в ферментационной среде. С помощью этого значения так регулируется ток через ферментер, что при непрерывной ферментации обеспечивается возможность поддержания постоянной концентрации микроорганизмов.

Таким образом, предложенное техническое, решение предусматривает регули рование подачи углеродных субстратов или кислорода с помощью сигналов абсорбции цитохрома С, которое в услови ях непрерывной ферментации связано с предлагаемой системой регулирования протока через ферментер.

На чертеже изображена схема регулирования способа периодического культивирования бактерий с метанолом, используемым в качестве углерода; на фиг. 2 - схема регулирования про- непрерывного культивирования бактерий с метанолом в качестве источника углерода, в котором предусмотрено регулирование концентрации растворенного кислорода в ферментационной среде.

II р и м е р 1 . Ферментационная среда находится в ферментере 1. Ферментационную среду по наружному циклу подают в измерительное устройство 2 цитохрома С. Пропорциональный состоянию микроорганизмов сигнал цитохрома С через регулирующее приспособление 3 действует на дозировочное устройство 4, обеспечивающее подачу углеродного субстрата из сборника 5 в ферментер 1. Одновременно необходимо поддержание концентрации растворенного кислорода в ферментационной среде, которое обеспечивается измерительным устройством 6 растворенного кислорода, регулятором 7 и устройством 8 дозировки воздуха либо кислорода. При заданном сигнале цитохрома С, описывающем состояние микроорганизмов, и при концентрации р.а- створенного кислорода 1,5 - 2,5 мг , а также при значении рН 4 было достигнуто увеличение концентрации

5

0

5

0

5

0

5

0

5

биомассы с 1,5 до 22 г/л в течение 16 ч. Это соответствует средней относительной скорости роста/ц,0,17 ч . Концентрация метанола в ферментационной среде, которую регулируют с помощью сигнала цитохрома С, составляет 230 - 300 мг/л.

П:Р и м е р 2. Регулирование спо соба непрерывного культивирования бактерий с метанолом в качестве источника углерода (фиг. 1).

Ферментационная среда находится в ферментере 1. Ферментационную среду по наружному циклу подают в устройство 2 измерения цитохрома С. Отображающий состояние микроорганизмов сигнал цитохрома С через регулирующее приспособление 3 действует на дозировочное устройство 4, обеспечивающее подачу углеродного субстрата из сборника 5 в ферментер 1. Сигнал концентрации цитохрома С через регулятор 9, действующий на дозировочное устройство 10, управляет подачей ферментационной среды из емкости 11 в ферментер 1 и тем самым протоком через ферментер. В емкости 11 находится ферментационная среда без источника углерода. Одновременно необходимо поддерживание постоянной концентрации растворенного кислорода в ферментационной среде. Это обеспечивается устройством 6 измерения растворенного кислорода регулятором 7 и устройством дозировки кислорода. При концентрации биомассы 18 г/л скорость протекания, регулируемая сигналом концентрации цитохрома С, устанавливается D 0,143 ч . Регулируемая показьшаю- щим состояние измерительные сигналом цитохрома С, концентрация метанола в ферментационной среде составляет 100 - 150 мг/л при постоянной кон- . центрации растворенного кислорода.

Примерз. Регулирование процесса непрерывного культивиров-ания бактерий с метанолом в качестве источника углерода, в котором предусмотрено регулирование концентрации растворенного кислорода в ферментационной среде (фиг. 2),

Ферментационная среда находится в ферментере 1. Ферментационную среду по наружному циклу подают в измерительное устройство 2 цитохрома С. Отображающий состояние культуры микроорганизмов сигнал цитохрома С через регулятор 3 действует на устройство 8

дозировки воздуха или кислорода, Ьбеспечивающее ввод кислорода в ферментер. Сигнал концентрации цитохро- ма С.через регулятор 9, действующий на дозировочное устройство 4, управляет подачей ферментационной среды из емкости 11 в ферментер 1 и тем : самым протоком через ферментер. В ем- кости 11 находится ферментационная I среда без источника углерода. Кон- I центрацию углеродного субстрата в I ферментере измеряют через измеряющее I устройство 12, и с помощью регуля- I тора 13 и дозировочного устройства 4 ;осзпцествляют регулирование ее до за- I данного уровня путем подачи углерод- Iного субстрата из сборника 5 в ферментер 1.

|Формула изобретения

I 1. Способ контроля и регулирова- Iния аэробных ферментационных процес- сов, предусматривающий определение

5

0

состояния и концентрации дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизма, отличающийся тем, что, с целью повьшзения точности, регулируют проток через ферментер в зависимости от концентрации дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов.

2 4 Способ по п. 1, отличающий с я .тем, что регулируют содержание углеродного субстрата в ферментационной среде в зависимости от состояния дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов при постоянной концентрации растворенного кислорода в ферментационной среде.

3. Способ по п. 1, отлича ю - щ и и с я тем, что регулируют концентрацию растворенного кислорода в в зависимости от состояния дыхательного фермента цитохрома С культуры микроорганизмов при постоянном содержании углеродного субстрата в ферментационной среде.

Изобретение относится к способу контроля и регулирования биохимических процессов и прудусматривает ре-, гулирование процессов ферментации, в которых углеродные.субстраты при соответствующих концентрациях обладают ингибирующими свойствами. Целью изобретения является повьшение точности. Данный способ предусматривает определение концентрации дыхательного фермента цнтохрома С культуры микроорганизмов и регулирование протока через ферментер в зависимости от зто- го показателя, Данньй способ также предусматривает регулирование содержания углеродного субстрата в ферментационной среде в зависимости от состояния дыхательного фермента цито- хрома С культуры микроорганизмов при постоянной концентрации рО в ферментационной среде. При постоянном содержании углеродного субстрата в ферментационной среде регулируют концентрацию рО, в зависимости от состояния дыхательного фермента цитохро- ма С, т.е. в качестве регулируемой величины углеродных субстратов служит показатель состояния культуры микроорганизмов - сигнал цитохрома С. 2 . ф-лы. 2 ил. (Л со со о ьо СА

Фи.1

Составитель Редактор Н.Гунько Техред М.ХоданичКорректор А.Зимокосов

Заказ 1736/213

Тираж 520

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская на.б., д. 4/5

Подписное