DE2534763A1 - Fibre optical system - for measuring optical density of culture medium in fermenter - Google Patents
Fibre optical system - for measuring optical density of culture medium in fermenterInfo
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Abstract
Description
Optisches System für einen Fermentierbehälter Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Messung der optischen Dichte und/oder der Fluoreszenz einer in einem Fermentierbehälter zur Züchtung von Mikroorganismen enthaltenden Suspension der Mikroorganismen in einem Medium, mit einer außerhalb des Fermentierbehälters befindlichen Lichtquelle und einem ebenfalls außerhalb des Ferment ierbehälters befindlichen fotometr is chen Detektor. Optical system for a fermentation vessel The invention relates to an optical system for measuring the optical density and / or the fluorescence of a in a fermentation vessel for the cultivation of suspension containing microorganisms of the microorganisms in a medium, with one outside the fermentation vessel located light source and one also outside of the fermentation container located photometric detector.
Es werden verschiedene Arten von Mikroorganismen und Zellkulturen in Fermentierbehältern zu verschiedenen Zwecken gezüchtet. Ein Zweck ist es, die Zellenmasse als solche für weiteren Gebra lch zu erhalten.There are different types of microorganisms and cell cultures grown in fermentation tanks for various purposes. One purpose is that Cell mass as such for further use.
Ein anderer Zweck ist es, nach der Züchtung aus den Zellen irgendeine Substanz, z.B. ein Enzym, zu erhalten. Noch ein weiterer Zweck ist es, von einer Substanz Gebrauch zu machen, die von den Zellen der Mikroorganismen im Fermentierbehälter abgeschieden wird.Another purpose is to do any after culturing from the cells Substance, e.g. an enzyme. Yet another purpose is by one Substance make use of the cells of the microorganisms in the fermentation tank is deposited.
Bei der Züchtung von Zellen oder Mikroorganismen ist die Konzentration der Organismen im Fermentierbehälter während des Züchtungsvorgangs von großem Interesse. Diese wurde bisher ermittelt, indem eine kleine Menge eines suspendierte Zellen enthaltenden Mediums durch eine Öffnung abgezogen und die optische Dichte dieser Menge außerhalb des Fermentierbehälters bestimmt wurde. Die optische Dichte der Suspension ergibt ein gut angenähertes Maß für die Konzentration der Organis -men. In alternativer Weise ließen sich fluorimetrische Messungen durchführen, unter der Voraussetzung, daß die Zellen eine Substanz enthielten, die Fluoreszenz aufwies.When growing cells or microorganisms, the concentration is of the organisms in the fermentation vessel during the cultivation process of great interest. This was previously determined by taking a small amount of a suspended cell containing medium is withdrawn through an opening and the optical density of this Amount outside the fermentation vessel was determined. The optical density of the Suspension gives a good approximation of the concentration of the organisms. Alternatively, fluorometric measurements could be carried out under the Prerequisite that the cells contained a substance that showed fluorescence.
Ein Nachteil der Probenentnahme ist jedoch, daß auf diese Weise Proben aufgebraucht werden. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Gefahr einer Verunreinigung und Infektion innerhalb des Behälters oder die Verbreitung von pathologisch wirksamen Organismen außerhalb des Behälters erhöht wird, obwohl normalerweise beim Vorgang der Probenentnahme eine Sterilisierung durchgeführt wird. Noch ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zur Überwachung des Verlaufs einer Züchtung in zeitlichen Abständen, z.B. auch nachts, eine Handbedienung erforderlich ist.A disadvantage of sampling, however, is that samples in this way are used up. Another disadvantage is that there is a risk of contamination and infection within the container or the spread of pathologically effective Organisms outside the container is increased, although normally in the process sterilization is carried out prior to sampling. Another disadvantage this method consists in monitoring the course of a cultivation Manual operation is required at regular intervals, e.g. even at night.
Um diese Nachteile zu beseitigen, ließ sich eine Vorrichtung zur Messung der optischen Dichte und/oder der Fluoreszenz innerhalb des im Fermentierbehälter befindlichen Züchtungsmediums anbringen. Hieraus entstehen jedoch weitere Probleme, von denen sich das größte aus der Tendenz der Mikroorganismen ergibt, auf Wänden, z.B. auf den Oberflächen der optischen Teile des Systems zu wachsen. Die damit durchgeführten Messungen führen somit zu falschen Werten.In order to overcome these disadvantages, an apparatus for measuring the optical density and / or the fluorescence within the im Fermentation vessel attached to the growing medium. However, this creates further problems, the largest of which results from the tendency of microorganisms to put on walls, e.g. to grow on the surfaces of the optical parts of the system. The carried out with it Measurements therefore lead to incorrect values.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein optisches System vorzusehen, mit dem die optische Dichte und/oder die Fluoreszenz innerhalb des Züchtungsmediums gemessen werden kann, ohne durch das Wachstum von Mikroorganismen auf den Oberflächen der optischen Teile gestört zu werden.The object of the invention is accordingly to provide an optical system, with which the optical density and / or the fluorescence within the growth medium can be measured without due to the growth of microorganisms on the surfaces of the optical parts to be disturbed.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen durch die Wandung des Fermentierbehälters durchgeführten ersten faseroptischen Leiter, der an seinem äußeren Ende ein Lichtstrahlenbündel von der Lichtquelle aufnimmt und dessen inneres Ende in das Züchtungsmedium eintaucht und elenndurch die Wandung des Behälters durchgeführten zweiten faseroptischen Leiter, der an seinem äußeren Ende ein Lichtstrahlenbündel an einen fotoempfindlichen Detektor abgibt und dessen inneres Ende in das Züchtungsmedium eintaucht, wobei die inneren Enden der beiden faseroptischen Leiter so zueinander angeordnet sind, daß ein durch den ersten fas eroptis chen Leiter hindurchgele itetes Lichtstrahlenbündel, nach Durchlaufen einer zwischen den inneren Enden der faseroptischen Leiter befindlichen Wegstrecke, im Medium auf den zweiten faseroptischen Leiter auftrifft und durch diesen weitergeleitet wird, sowie durch eine am äußeren Ende einer der faseroptischen Leiter so angeordneten UV-Lichtquelle, die Licht einer rkkroorganismentötenden Wellenlänge ausstrahlt, daß ein UV-Lichtstrahlenbündel durch den UV-lichtdurchlässigen faseroptischen Leiter hindurchgeleitet wird, damit ein UV-Lichtstrahlenbündel zwischen den inneren Enden der faseroptischen Leiter verläuft und die Bildung von an deren Oberflächen wachsenden Mikroorganismen verhindert.The object is achieved according to the invention by one through the wall of the fermentation vessel carried out first fiber optic conductor, which is attached to his outer end receives a light beam from the light source and its inner The end is immersed in the growth medium and passed through the wall of the container second fiber optic conductor, which at its outer end a bundle of light rays to a photosensitive detector and its inner end into the growth medium immersed, with the inner ends of the two fiber optic conductors facing each other are arranged that a through the first fiber optic conductor passed through Light beam, after passing through one between the inner ends of the fiber optic Head located distance, in the medium on the second fiber optic conductor occurs and is passed through this, as well as through one at the outer end one of the fiber optic conductors so arranged UV light source, the light of a Rkkroorganismentenkärenden wavelength emits that a UV light beam through the UV light-permeable fiber optic conductor is passed through, so that a UV light beam passes between the inner ends of the fiber optic conductor and prevents the formation of microorganisms growing on their surfaces.
Erfindungsgemäß wird also ein von einer außerhalb des Fermentierbehälters befindlichen Lichtquelle kommendes Lichtstrahlenbündel mittels faseroptischer Leiter durch die Wandung des Fermentierbehälters hindurch in das Züchtungsmedium hineingeführt, dann von dem inneren Ende des ersten faseroptischen Leiters durch einen Teil des suspendierte Zellen enthaltenden Mediums zum inneren Ende des zweiten faseroptischen Leiters geführt und dann durch diesen wieder durch die Wandung des Fermentierbehäiters hinausgeführt, um auf einen außerhalb des Fermentierbehälters angeordneten fotoempfindlichen Detektor zu fallen. Ferner wird ein UV-Lichtstrahlenbündel durch einen der faseroptischen Stränge hindurchgeleitet, wodurch die auf den Oberflächen der optischen Teile wachs enden Mikroorganismen abgetötet werden.According to the invention, therefore, one of one outside of the fermentation vessel Located light source coming light beam by means of fiber optic conductors guided through the wall of the fermentation vessel into the cultivation medium, then from the inner end of the first fiber optic conductor through part of the medium containing suspended cells to the inner end of the second fiber optic Head and then through this again through the wall of the Fermentierbehäiters led out to a arranged outside of the fermentation vessel photosensitive Detector to fall. Furthermore, a UV light beam is through one of the fiber optic Strands passed through, causing the wax on the surfaces of the optical parts end up killing microorganisms.
Bei einem optischen System, das innerhalb eines Fermentierbehälters in das Züchtungsmedium eingetaucht ist, ergibt sich eine Schwierigkeit aufgrund der Gegenwart von Gasblasen innerhalb des Mediums, die im allgemeinen Luft oder Sauerstoff enthalten. Üblicherweise wird Luft durch das Züchtungsmedium geleitet, um den wachsenden Zellen Sauerstoff zuzuführen. Diese Gasblasen stören jedoch die Messungen der optischen Dichte oder der Eluoreszenz.With an optical system that is inside a fermentation vessel is immersed in the growth medium, there arises a problem due to it the presence of gas bubbles within the medium, generally air or Contain oxygen. Usually air is passed through the cultivation medium, to deliver oxygen to the growing cells. However, these gas bubbles interfere with the Optical density or eluorescence measurements.
Eine weitere Schwierigkeit bei optischen Systemen, die innerhalb eines Fermentierbehälters eingetaucht sind, entsteht aus der Störung von möglicherweise vorhandenem umgebenden Licht.Another difficulty with optical systems operating within a Fermentation vessel are submerged, arises from the disturbance of possibly existing ambient light.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die in das Züchtung medium eintauchenden Teile der faseroptischen Leiter von einem Gefäß umgeben werden, dessen Boden mit einer durch einen Deckel verschließbaren Öffnung versehen ist und dessen über die Oberfläche des Züchtung mediums hinausragendes Oberteil ein oder mehrere Öffnungen aufweist.One embodiment of the invention provides that in the breeding medium-immersed parts of the fiber-optic conductor are surrounded by a vessel, the bottom of which is provided with an opening that can be closed by a cover and its upper part protruding above the surface of the cultivation medium or has multiple openings.
Ein Vorteil dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die Bestimmung der optischen Dichte oder der Fluoreszenz ermöglicht wird, ohne daß eine Störung durch im Medium vorhandene Gasblasen oder durch Umgebungslicht auftritt.An advantage of this preferred embodiment of the invention is that that the determination of the optical density or the fluorescence is made possible without that a disturbance by gas bubbles present in the medium or by ambient light occurs.
Anhand der Figuren wird an bevorzugten Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 2a Einzelheiten des erfindungsgemäßen optischen Systems.The invention is illustrated in preferred exemplary embodiments with the aid of the figures explained in more detail. 1 shows a cross section through an exemplary embodiment of the invention and FIG. 2a details of the optical system according to the invention.
und 2b In der Fig. 1 bezeichnet 1 die obere Wandung eines Fermentierbehälters, der ein Züchtungsmedium 2 mit suspendierten Zellen von Mikroorganismen enthält. In einem Träger 3 sind zwei faseroptische Leiter 4 und 5 befestigt, so daß ihre äußeren Enden sich außerhalb des Fermentierbehälters befinden und ihre inneren Enden in das Züchtungsmedium 2 eintauchen.and 2b in FIG. 1, 1 denotes the upper wall of a fermentation vessel, which contains a culture medium 2 with suspended cells of microorganisms. In a carrier 3 two fiber optic conductors 4 and 5 are attached so that their outer ends are outside the fermentation vessel and their inner ends immerse in the growth medium 2.
Eine Lichtquelle 6 ist zur Erzeugung sichtbaren Lichtes für die Messung der optischen Dichte oder zur Erzeugung von UV-Licht für Fluoreszenzmessungen vorgesehen. Lichtquellen 7 und 8 dienen zur Erzeugung von Licht für Sterilis ierungszwe cke. Ein fotometris cher Detektor mit den entsprechenden Filtern wird durch die Ziffer 18 bezeichnet. Die in das Züchtungsmedium eintauchenden Teile des optischen Systems werden von einem Gefäß 9 umgeben, dessen über die Oberfläche des Züchtung mediums hinausragendesTeil 10 eine oder mehrere Öffnungen 11 aufweist. Der Boden des Gefäßes 9 ist mit einer Öffnung 12 versehen, die mit einem von außerhalb des Fermentierbehälters mit einem Stab 14 betätigbaren Deckel 13 verschließbar ist. An ihren im Fermentierbehälter befindlichen inneren Enden sind die faseroptischen Leiter mit Spiegeln 15 und 16 versehen, die eine durch den Pfeil 17 bezeichnete optische Wegstrecke bilden.A light source 6 is used to generate visible light for the measurement the optical density or intended for the generation of UV light for fluorescence measurements. Light sources 7 and 8 are used to generate light for sterilization purposes. A photometric detector with the appropriate filters is indicated by the number 18 designated. The parts of the optical system that are immersed in the growth medium are surrounded by a vessel 9, whose over the surface of the cultivation medium protruding part 10 has one or more openings 11. The bottom of the jar 9 is provided with an opening 12 which is connected to an outside of the fermentation vessel with a rod 14 actuatable cover 13 can be closed. To hers in the fermentation vessel The fiber optic conductors with mirrors 15 and 16 are located at the inner ends which form an optical path indicated by the arrow 17.
In den Fig. 2a und 2b sind die inneren Enden der faseroptischen Leiter 4 und 5 durch die Ziffern 21 bzw. 22 bezeichnet. Die Symmetrieachsen der Spiegel 15 und 16 werden durch die Ziffern 23 bzw. 24 bezeichnet.In Figures 2a and 2b are the inner ends of the fiber optic conductors 4 and 5 denoted by the numerals 21 and 22, respectively. The symmetry axes of the mirrors 15 and 16 are denoted by the numerals 23 and 24, respectively.
In der Fig. 2a liegen die Spiegelebenen einander in einer Weise gegenüber, so daß die optische Wegstrecke 17 entlang einer geraden Linie von einem faseroptischen Strang zum anderen verläuft. In der Fig. 2b sind die reflektierenden Ebenen um einen Winkel a relativ zueinander versetzt und die optische Wegstrecke 17 bildet den gleichen Winkel cc.In Fig. 2a the mirror planes are opposite each other in a way so that the optical path 17 is along a straight line from a fiber optic Strand to the other. In Fig. 2b, the reflective planes are around one Angle a offset relative to one another and the optical path 17 forms the same Angle cc.
Das optische System gemäß dem gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel funktioniert auf folgende Weise. Während der Züchtung oder einer anderen mikrobiologischen Reaktion innerhalb des Züchtung mediums 2 bleibt der Deckel 13 offen, so daß innerhalb des Gefäßes 3 die gleichen Bedingungen bestehen wie im Hauptteil des Züchtungsmediums.The optical system according to the exemplary embodiment according to the invention shown works in the following way. During breeding or any other microbiological Reaction within the cultivation medium 2, the lid 13 remains open, so that within of the vessel 3, the same conditions exist as in the main part of the growth medium.
In den Lichtquellen 7 und 8 entstehendes UV-Licht wird durch die Stränge der faseroptischen Leiter 4 und 5 geleitet und an den Spiegeln 15 und 16 reflektiert, wodurch eine abtötende Wirkung auf die Zellen der Mikroorganismen entsteht, die an den optischen Oberflächen der inneren Enden der faseroptischen Leiter 4 und 5 wachsen. In alternativer Weise kann der Stab 14 mit einer mechanischen Reinigungsvorrichtung versehen sein, welche vor jeder Messung die optischen Oberflächen abreibt, um auf diese Weise eine Ansammlung von Zellen auf den optischen Oberflächen zu beseitigen. Wenn eine Messung durchgeführt werden soll, so wird mittels des Stabes 14 der Deckel 13 in Richtung der Öffnung 12 bewegt, um das Gefäß 9 zu schließen. Nach wenigen Sekunden werden alle in dem inner -halb des Gefäßes 9 enthaltenen Teil des Mediums befindlichen Luftblasen bis zur Oberfläche des Mediums im oberen Teil des Gefäßes 9 aufgestiegen sein. Durch die Öffnungen 11 ist ein Druckausgleich innerhalb der Gasphase vorgesehen. Die optische Wegstrecke 17 ist dann frei von störenden Gasblasen und die Bestimmung der optischen Dichte oder der Fluoreszenz läßt sich entlang der optischen Wegstrecke 17 mit der Lichtquelle 6 und dem fotometrischen Detektor 8 durchführen. Die Schließung des Gefäßes 9 erzeugt Bedingungen, unter denen keine Störung durch Außenlicht auftritt.In the light sources 7 and 8 resulting UV light is through the strands the fiber optic conductors 4 and 5 guided and reflected at the mirrors 15 and 16, which has a killing effect on the cells of the microorganisms that on the optical surfaces of the inner ends of the fiber optic conductors 4 and 5 grow. Alternatively, the rod 14 can be equipped with a mechanical cleaning device be provided, which rubs the optical surfaces before each measurement in order to in this way to eliminate an accumulation of cells on the optical surfaces. When a measurement is to be carried out, the cover is opened by means of the rod 14 13 moved in the direction of the opening 12 in order to close the vessel 9. After a few Seconds are all contained in the part of the medium contained within the vessel 9 air bubbles up to the surface of the medium in the upper part of the vessel 9 rose. Through the openings 11 is a pressure equalization within the Gas phase provided. The optical path 17 is then free of disruptive gas bubbles and the determination of the optical density or the fluorescence can be along the optical path 17 with the light source 6 and the photometric Perform detector 8. The closure of the vessel 9 creates conditions under which are not disturbed by outside light.
Zur Messung der optischen Dichte wird das optische System, wie in der Fig. 2a gezeigt, angeordnet. Bei Fluoreszenzmessungen wird dagegen das optische System so angeordnet, wie dies die Fig. 2b zeigt. Zur optimalen Vermeidung von direktem und gestreutem Licht beträgt der bevorzugte Wert des Winkels ot 600.To measure the optical density, the optical system is used as in 2a shown, arranged. In fluorescence measurements, on the other hand, the optical System arranged as shown in Fig. 2b. For optimal avoidance of direct and scattered light, the preferred value of the angle ot is 600.
Beim optischen System gemäß der Fig. 2a kann eine UV-Lichtquelle 7, die an dem einen oder dem anderen faseroptischen Lichtleiter angeordnet ist, auf die auf den Oberflächen beider faseroptischen Stränge wachsenden Mikroorganismen eine abtötende Wirkung ausüben. Das optische System gemäß der Fig. 2b erfordert für jeden der einzelnen faseroptischen Stränge eine UV-Lichtquelle 7 bzw. 8.In the optical system according to FIG. 2a, a UV light source 7, which is arranged on one or the other fiber optic light guide the microorganisms growing on the surfaces of both fiber optic strands exert a killing effect. The optical system according to FIG. 2b requires a UV light source 7 or 8 for each of the individual fiber optic strands.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich für Messungen in einem System, bei dem Luft in das Züchtungsmedium eingeblasen wird. Wo dies nicht der Fall ist und wo eine Störung durch umgebendes Licht sich auf andere Weise vermeiden läßt, kann das Gefäß 9 mit seinem schließbaren Deckel 13 entfallen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden faseroptischen Leiter parallel angeordnet. An den Spiegeln 15 und 16 wird dann das Lichtstrahlenbündel um 900 umgelenkt. Selbstverständlich lassen sich die faseroptischen Leiter auch auf andere Weise anordnen, z.B. so, daß ihre inneren Enden axial zueinander verlaufen. Es kann der eine oder der andere faseroptische Lichtleiter oder es können auch beide gleichzeitig mit einer UV-Lichtquelle versehen werden, die auf die auf den optischen Oberflächen der faseroptischen Stränge wachsenden Zellen von Mikroorganismen eine abtötende Wirkung ausübt. Aus praktischen Gründen werden die beiden parallelen faseroptischen Leiter von einem Träger 3 gehalten. Selbst verständlich gibt es alternative Mögfichkeiten einer mechanischen Anordnung der faseroptischen Leiter.The embodiment of the invention described is suitable for Measurements in a system in which air is blown into the growth medium. Where this is not the case and where interference from surrounding light affects others Can be avoided way, the vessel 9 with its closable lid 13 can be omitted. In the embodiment of the invention shown, the two are fiber optic Conductors arranged in parallel. The light beam is then at the mirrors 15 and 16 diverted by 900. Of course, the fiber optic conductors can also be used otherwise, for example so that their inner ends are axially aligned with one another. It can be one or the other fiber optic light guide or it can be both at the same time be provided with a UV light source, which is directed to the optical Surfaces of the fiber optic strands growing cells of microorganisms has a killing effect. For practical reasons, the two parallel fiber optic conductor held by a carrier 3. Of course there are alternatives Possibilities of a mechanical arrangement of the fiber optic conductors.
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