188464. lajstromszámú szabadalom • Mikroprocesszoros szabályozó berendezés aerob fermentációk anyagcsere szabályozására
1 188 464 2 A találmány szerinti mikroprocesszoros szabályozó berendezés megoldást mutat be ismert elemek felhasználásával, anyagcsere szabályozott aerob fermentációk automatikus vezérlésére a folyadékszint követésére alkalmas, a folyadékba nyúló szigetelt szondához csatlakozó, a szonda tengelyére merőlegesen tetszőleges, de előírt távolságban elhelyezkedő érzékelő fejek alkalmazása révén. Ismeretes, hogy az antibiotikumok biológiai előállítására aerob fermentációt alkalmaznak. Ismeretes az is, hogy a fermentáció kivitelezése során a mikroorganizmusok, anyagok keletkeznek, ezért a fermentáció folyamán habzásgátló anyagokat kell adagolni. (M.J. HALL, S.O. DICKINSON, J. PRITCHARD, J.I. EVANS: FOAMS AND FOAM CONTROL IN FERMENTATION, Process Biochemistry 1971,4, 6.) A fermentációs ipar kialakulásának kezdeti szakaszában (1950-es években) a habzásgátló anyagokat a fermentorkezelő szubjektív észlelése alapján adagolták, olymódon, hogy a habzás vizuális érzékelése alkalmával a habgátlót addig adagolták, amíg a fermentlé habzása megszűnt. Később felismerték, hogy a habgátló adagolása a fermentlevekben hirtelen fiziko-kémiai változásokat idéz elő, pl.: a habzó fermentlében mért 60% oldott oxigéntartalom (a telítési érték százalékában kifejezve) 1— 2%ra esik le. Ennek elkerülésére a habzásgátló anyagot kis adagokban juttatták a rendszerbe, így a folyadék-gáz diszperz rendszer összetétele csak kisebb mértékű változásokat szenvedett. (170 667 számú Magyar Szabadalom.) Ez azt jelenti, hogy ha egy fermentációt 800 liter táptalajjal indítunk (oltás után), akkor a kevertetés és a levegőztetés hatására a térfogat megemelkedik kb. 10— 15%-al. Bőséges tapasztalatok vannak az előzőek alapján arra, hogy a mikroorganizmusok anyagcseréje folytán létrejött habzás hatására akkor célszerű a habzásgátlót adagolni, ha a levegőztetés hatására megemelkedett térfogat 8—10%-ával emelkedik a habszint. Ez az állandó érték a 170 667 számú Magyar Szabadalomban leírt elvek alapján lehetővé tette, hogy habzásgátló adagolását automatizáljuk. A habszint érzékelésére ebben az esetben elegendő volt egyetlen érzékelő fejjel ellátott szondát alkalmaznunk. A modern fermentációs folyamatoknál ma már anyagcsereszabályozást alkalmaznak. Ez úgy történik, hogy a fermentáció folyamán a fermentléhez folyamatosan bizonyos tápanyagokat anyagcsereszabályozó ingradienseket, adott esetben savakat, vagy lúgokat adagolnak (fed batch eljárás), (C. Jeremy R, Courta and S. John Pirt: Carbon- and Nitrogen-limited Growth of Pénicillium chrysogenum in Fed Batch Culture: The Optimal Ammonium Ion Concentration for Penicillin Production, J. Chem. Tech. Biotechnol 1981, 31, 235 — 240.) Ezekben a fermentációs rendszerekben egyik alapvető fontosságú előírás az, hogy a fermentlé-gáz diszperz rendszer térfogatát 15—25%-al nagyobb értéken tartsuk a gáz nélküli fermentlé térfogatához képest. Minthogy a fermentlé gáz nélküli térfogata az adagolások hatására állandóan változik, ezért a gázzal telített fermentlé térfogatának szabályozását úgy kell végrehajtani, hogy az kövesse a tápanyagok adagolásából eredő térfogatnövekedést. Célunk az volt, hogy az anyagcsereszabályozás miatt szükséges adagolások hatására állandóan növekvő térfogatú fermentációs folyadékban kialakult folyadék-gáz diszperz rendszer folyadék/gáz összetétel arányának stabilizálására és ezáltal a fermentációk anyagcsereszabályozásának igen pontos kivitelezésére megfelelő berendezést szerkesszünk. Erre a célra azonban az előbbiekben említett megoldás (az egy szondára szerelt egyetlen érzékelő fej) nem volt megfelelő. A szint követésére alkalmazott általános módszerek (ultrahangos érzékelők és kapacitiv szondák) nem használhatók a steril körülmények (a táptalaj, így az érzékelők sterilezése 120°C-on történik) és a fermentlé állandóan változó dielektromos állandója miatt. Fentiek értelmében új berendezést konstruáltunk, amely több érzékelő fejet tartalmaz, amelyeket külön szondára építettünk. Ez a megoldás azonban a nehézkes szerelés miatt (minden egyes szonda a fermentor fedelének egy áttörését jelentette tömszelence alkalmazásával) nem tette lehetővé az érzékelés finomítását, az érzékelők számának tetszőleges növelését. Célunkat végül az egyetlen szondára megfelelően csatlakoztatott több érzékelőfej segítségével tudtuk elérni. A találmányunk szerinti több érzékelőfejes szonda — a kívánt 120°C-on sterilezhető volt,- alkalmazásával szabályozott összetételű folyadék-gáz diszperz rendszerben, annak ellenére, hogy a folyadék térfogata az adagolások következtében állandóan növekedett, az oldott oxigén szintje állandósult, a bekevert energia nem szenvedett hirtelen, a hozam szempontjából hátrányos változásokat és a pH érték nem mutatott hirtelen ingadozásokat. A találmányunk szerinti több érzékelőfejes szondát tartalmazó mikroprocesszoros szabályozó berendezés kiviteli alakját az 1/a. és 1/b. rajzok ábrázolják. A fermentációs aerob tenyészet befogadására 1 keverővei ellátott kettősfalú zárt tartály szolgál, amelyhez levegőbevezető- és elvezető csonkok és egyéb tápcsonkok csatlakoznak. A tápcsonkokhoz szelepek közbeiktatásával 9, 10 ... n adagolók tartoznak. Az adagolók száma a technológiai követelményeknek megfelelően változtatható, az antibiotikum fermentációknál a technika jelenlegi állása mellett ez a szám legalább három, de legfeljebb tíz lehet. A tartály alsó részébe 8 elektródák csatlakoznak, felső részére 3 szigetelt szonda nyúlik, amelyhez tengelyére merőlegesen tetszőleges számú, előnyösen 5-50 darab, tetszőleges, de előírt távolságban 7 érzékelőfejek csatlakoznak, amely érzékelőfejek kimenetei csatlakoznak a 4 jelátalakító bemenetéihez és ennek kimenetei csatlakoznak az 5 mikroprocesszoros szabályozó berendezés bemenetéihez, melynek kimenetei a 9, 10 ... n adagolók bemenetéihez vannak kötve. Az 5 mikroprocesszoros szabályozóhoz 6 programozott számítógép egység tartozik. A találmány szerinti mikroprocesszoros szabályozó berendezés működését az alábbi példával mutatjuk be, anélkül, hogy a berendezés alkalmazását ezen eljárásra korlátoznánk. Példa: A 180, 399 sz. Magyar szabadalmi leírásban ismertetett elvek alapján Pénicillium chrysogenum törzsből készített oltóanyaggal 1700 liter térfogatú 1 rozsdamentes acélból készült, kettősfalú, zárt, keverővei ellátott tartályban - fermentorban - 2,2 K/m keverési energia alkalmazása mellett 800 liter tápfolyadékban fenoximetilén-penicillin fermentációt indítottunk. Anyagcsere szabályozással: szacharózt, ammóniumszulfátot, káliumhydroxidot és fenoxiecetsavat adagoltunk. A folyamat — fermentáció — közben a levegőztetést, kevertetést, nyomást és hőmérséklet állandó szinten a pH értéket 6,2—6,7 érték között tartottuk. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
