DD202306A5 - METHOD OF OBTAINING CELLULASE AND APPARATUS FOR IMPLEMENTING THE PROCESS - Google Patents

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DD202306A5 DD82238376A DD23837682A DD202306A5 DD 202306 A5 DD202306 A5 DD 202306A5 DD 82238376 A DD82238376 A DD 82238376A DD 23837682 A DD23837682 A DD 23837682A DD 202306 A5 DD202306 A5 DD 202306A5
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Norbert Meindl
Karl Schwarzl
Hermann Esterbauer
Gerald Jungschaffer
Josef Schurz
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Steyrermuehl Papier
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Abstract

Bei dem Verfahren wird eine Suspension von cellulosehaeltigem Ausgangsmaterial in waessrigem Medium mit den Mikroorganismen beimpft, d. Kultur submers in Fermentern entwickelt und die Feststoffe werden von der cellulasehaeltigen Loesung abgetrennt. Um d. Verfahren kontinuierlich, sicher u. ohne Produktionshemmung durch aufwendige Vorbereitungsarbeiten an den Fermentern fuehren zu koennen, erfolgt die Entwicklung der beimpften Kultur in einer Mehrzahl von hintereinander geschalteten Hauptfermentern stufenweise, wobei die Suspension unter Einhaltung einer konstanten Fuellstandshoehe in allen Hauptfermentern durch alle Fuellstandshoehe in allen Hauptfermentern durch alle Hauptfermentationsstufen kontinuierlich durchgefuehrt wird und wobei von Stufe zu Stufe die Cellulasekonzentration zunimmt und die Cellulosekonzentration abnimmt. Bei der Anlage sind hintereinander angeordnet: ein mit Ruehrwerk ausgestatteter Aufschlagbehaelter (2), mindestens ein mit Ruehrwerken ausgestatteter Sterilisierbehaelter (10), welchem ein Mischer (7) mit einer Zufuehrung (8) fuer Sterilisationsmittel vorgeschaltet ist, eine Vorfermentationseinrichtung (11, 12, 13), eine Hauptfermentationseinrichtung, welche eine Mehrzahl von Fermentern (14) aufweist, sowie weitere Einrichtungen zum Abtrennen der Feststoffe von der cellulasehaeltigen Loesung, welche vorteilhaft Klaerbehaelter (16) und Zentrifuge (17) umfassen, gegebenenfalls eine Ultrafiltrationsanlage (29) zum Konzentrieren der cellulasehaeltigen Loesung sowie ein Behaelter (32) zur Faellung der Cellulase.In the method, a suspension of cellulosic starting material in aqueous medium is inoculated with the microorganisms, i. Culture submersed in fermenters developed and the solids are separated from the Cellulasehaeltigen solution. To d. Process continuous, safe u. Without being able to inhibit production by elaborate preparatory work on the fermenters, the inoculated culture is progressively developed in a plurality of main fermentors connected in series, whereby the suspension is continuously passed through all main fermentation stages in all main fermenters by maintaining a constant filling level in all main fermenters and wherein, from stage to stage, the concentration of cellulase increases and the cellulose concentration decreases. In the plant are arranged in succession: a Aufschlagbehaelter (2) equipped with Rührwerk, at least one equipped with agitator sterilization container (10), which is preceded by a mixer (7) with a supply (8) for sterilization, a Vorfermentationseinrichtung (11, 12, 13), a Hauptfermentationseinrichtung, which has a plurality of fermenters (14), and other means for separating the solids from the cellulase retardant solution, which advantageously Klaerbehaelter (16) and centrifuge (17), optionally an ultrafiltration system (29) for concentrating the cellulase-containing solution and a container (32) for pulping the cellulase.

Description

Berlin, den 27.8.1982Berlin, 27.8.1982

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Verfahren zur .Gewinnung von Cellulase und Anlage zur Durchführung, des Verfahrens Process for the recovery of cellulase and plant for carrying out the process

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Cellulase durch Züchten von Cellulase produzierenden Mikroorganismen auf cellulosehaltigen! Kulturmedium in Gegenwart von Nährsalzen, wobei eine Suspension des zerkleinerten cellulosehaltigen Ausgangsmaterials in wäßriger Lösung mit den Mikroorganismen beimpft, die Kultur submers, vorzugsweise unter Belüftung, in Fermentern entwickelt:, die Feststoffe aus der Kultur abgetrennt und die verbleibende cellulasehältige Lösung gegebenenfalls konzentriert wird, sowie eine Anlage zur Durchfuhrung dieses Verfahrens.The invention relates to a process for the production of cellulase by culturing cellulase-producing microorganisms on cellulose-containing! Culture medium in the presence of nutrient salts, wherein a suspension of crushed cellulose-containing starting material in aqueous solution inoculated with the microorganisms, the culture submerged, preferably under aeration, developed in fermenters :, the solids are separated from the culture and the remaining cellulase-containing solution is optionally concentrated, and a facility for carrying out this process.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bereits ein Verfahren dieser Art bekannt, wobei die Entwicklung der Kultur in einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten und. miteinander durch Leitungen verbundenen Fermentern erfolgt. Bei diesem sogenannten "Merry-go-round"· System wird der erste Fermenter zu 80 % seines gesamten Volumens mit cellulosehaltiger Suspension und Inoculum beschickt und eine Fermentation etwa 25 Stunden lang durchgeführt. Dann werden 10 % des fermentierten Produktes als Inoculum dem zweiten Fermenter zugeführt, welcher mit cellulosehaltiger Suspension aufgefüllt wird. Dann wird der zweite Fermenter 25 Stunden lang betrieben, und danach werden wieder 10 % des erhaltenen Fermentates dem dritten Fermenter zugeführt usw. Bei diesem System wird also in jedem der Fermenter nacheinander das Beimpfen, Entwickeln und die eigentliche Produktion durchgeführt.There is already known a method of this kind, wherein the development of the culture in a plurality of juxtaposed and. takes place together connected by lines fermenters. In this so-called "merry-go-round" system, the first fermenter is charged to 80 % of its total volume with cellulose-containing suspension and inoculum, and a fermentation is carried out for about 25 hours. Then, 10 % of the fermented product is fed as an inoculum to the second fermenter, which is filled up with cellulose-containing suspension. Then, the second fermenter is operated for 25 hours, and thereafter 10 % of the obtained fermentate is again supplied to the third fermenter, etc. In this system, sequential inoculation, development and actual production are carried out in each of the fermenters.

3QÄÜ£1982*03i7673QÄÜ £ 1,982 * 03i767

Der Nachteil dieses Prozesses, bei welchem in jedem Fermenter die Wachstums-, Anpassungs- und Produktionsphase nacheinander verlaufen, besteht darin, daß eine zeit- und arbeitsaufwendige Vorbereitung jedes einzelnen Fermenters, nämlich Sterilisieren, Beimpfen, Anzüchten, durchgeführt werden muß, wodurch die Produktionsausbeute vermindert wird. Auch ein erheblicher Kostenaufwand ist mit einem solchen Produktionssystem verbunden.The disadvantage of this process, in which the growth, adaptation and production phases take place successively in each fermenter, is that a time-consuming and labor-intensive preparation of each individual fermenter, namely sterilization, inoculation, culturing, must be carried out, thereby reducing the production yield becomes. Also, a significant cost is associated with such a production system.

Cellulase ist ein Enzym, welches zur Hydrolyse von cellulosehältigem Ausgangsmaterial verwendet werden kann, wobei die Cellulose bis zu Monosacchariden abgebaut wird ^Cellulase is an enzyme which can be used to hydrolyze cellulose-containing starting material, whereby the cellulose is degraded to monosaccharides

Es ist bekannt, daß verschiedene Mikroorganismen, wie aerobe und anaerobe Bakterien, Actinomycetes und 'Fungi Cellulase produzieren, wobei wichtige Vertreter der Gattung Trichoderma angehören. Insbesondere Trichoderma reesei-Stämme haben sich als geeignet erwiesen.It is known that various microorganisms, such as aerobic and anaerobic bacteria, produce actinomycetes and fungi cellulase, with important members of the genus Trichoderma belonging. In particular, Trichoderma reesei strains have been found to be suitable.

Die von den verschiedenen Mikroorganismen in das Substrat ausgeschiedenen Cellulasen unterscheiden'sich voneinander, in ihrer Zusammensetzung, u.zw. hinsichtlich C-1, C-x Enzymen und ß-Glucosidase. Man spricht von sogenannten unvollständigen und vollständigen Cellulasen, d.h. solchen, welche Cellulose nur bis zu bestimmten Bruchstücken, und solchen, welche Cellulose bis zu Monosacchariden abbauen können.The cellulases excreted from the various microorganisms into the substrate differ from each other in their composition, u.zw. with regard to C-1, C-x enzymes and ß-glucosidase. One speaks of so-called incomplete and complete cellulases, i. those which cellulose only up to certain fragments, and those which can degrade cellulose to monosaccharides.

Bisher wurde Cellulase auf mikrobiologischem Weg allerdings zumeist emers hergestellt, wobei die Züchtung der Mikroorganismen in Oberflächenkulturen, z.B. auf Weizenkleie, der fallweise Cellulosepulver zugesetzt wurde, unter Belüftung erfolgte. Ein solches Verfahren ist als Koji-Verfahren bekannt (Biotechnology and Bioengineering, Symposionsbericht 5.6 /T9 7§7, Verlag JohnHowever, so far cellulase has mostly been produced by microbiological means, whereby the growth of microorganisms in surface cultures, e.g. on wheat bran, to which cellulose powder was occasionally added, with ventilation. Such a method is known as Koji method (Biotechnology and Bioengineering, Symposium Report 5.6 / T9 7§7, John

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iViley & Sons).iViley & Sons).

Nachteile bei dieser emersen Produktion bestehen darin, daß man nur diskontinuierlich arbeiten kann, daß teure Hilfsstoffe, wie Pepton, Eiweißhydrolysate oder Emulgatoren sowie Spurenelemente eingesetzt werden müssen, daß die Aufarbeitung durch Auslaugen der Oberflächenkulturen aufwendig und langwierig ist und daß der Platzbedarf für entsprechende Anlagen groß ist.Disadvantages of this emersen production are that you can only work intermittently, that expensive excipients, such as peptone, protein hydrolysates or emulsifiers and trace elements must be used, that the work-up by leaching the surface cultures is complicated and tedious and that the space required for such plants large is.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Gewinnung von Cellulase, mit dem die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden.The aim of the invention is to provide an improved process for the production of cellulase, with which the disadvantages of the known processes are avoided.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches kontinuierlich durchgeführt werden kann, wobei in jedem Fermenter eine bestimmte Wachsturas- bzw. Produktionsphase unter Konstanthalten optimaler Bedingungen einfach und sicher eingestellt werden, können und wobei auch die Belüftung unter Vermeiden von Infektionen des Substrates durch Fremdorganismen leichter durchführbar ist.The invention has for its object to provide a method which can be carried out continuously, wherein in each fermenter a certain wachuras or production phase can be easily and safely adjusted while maintaining optimal conditions, and wherein the ventilation while avoiding infection of the Substrates by foreign organisms is easier to carry out.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe beineinem Verfahren der eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß die Entwicklung der beimpften Kultur in einer Mehrzahl von hintereinander geschalteten Hauptfermentern stufenweise erfolgt, wobei die Suspension unter Einhaltung einer konstanten Füllstandshöhe in allen Hauptfermentern durch alle Haupt-According to the invention, this object is achieved in a method of the type defined in the introduction in that the development of the inoculated culture is carried out in stages in a plurality of main fermenters connected one behind the other, the suspension being maintained in all the main fermenters by all main fermenters while maintaining a constant filling level.

τατα

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fermentationsstufen kontinuierlich durchgeführt wird und wobei von Stufe zu Stufe die Cellulasekonzentration zunimmt und die Cellulosekonzentration abnimmt.fermentation stages is carried out continuously and wherein the cellulase concentration increases from step to step and the cellulose concentration decreases.

Das cellulosehältige Ausgangsmaterial dient als Kohlenstoffquelle für die Mikroorganismen. Die Nährlösung wird aus handelsüblichen Mineraldüngern bereitet. Als Sticl^toffquelle kommen für das erfindungsgemäße Verfahren neben Harnstoff und Harnstoffderivaten beispielsweiseThe cellulose-containing starting material serves as a carbon source for the microorganisms. The nutrient solution is prepared from commercially available mineral fertilizers. As a fuel source for the process according to the invention, in addition to urea and urea derivatives, for example

- λ- - £. υ y y ι υ ι* - λ - - £. υ yy ι υ ι *

Ammonium enthaltende Stickstoffdünger, wie Ammoniumsulfat, -chlorid und -phosphat,- in Frage. Als Phophorguelle sind Phosphatdüngemittel, wie Superphosphat, : Doppelsuperphosphat, Triple-Phosphat und Hyperphosphat geeignet. Auf die Zugabe von üblichen Spurenelementen kann verzichtet werden, da diese in dem zur Herstellung der Nährlösung verwendeten gewöhnlichen Leitungswasser sowie in den zugesetzten Düngemitteln als. Begleitsubstanzen enthalten sindAmmonium-containing nitrogen fertilizers, such as ammonium sulfate, chloride and phosphate, - in question. Phosphorus fertilizers such as superphosphate, double superphosphate, triple phosphate and hyperphosphate are suitable as phosphorous sources. On the addition of common trace elements can be omitted, since these in the ordinary tap water used to prepare the nutrient solution and in the added fertilizers as. Accompanying substances are included

10 10

Da die meisten Cellulase produzierenden Mikroorganismen aerobe Bedingungen benötigen, wird das Kulturmedium vorzugsweise belüftet.Since most cellulase producing microorganisms require aerobic conditions, the culture medium is preferably aerated.

Zweckmäßig kann das cellulosehältige Ausgangsmaterial mit Nährsalzen und Frischwasser, vorteilhaft ozonisiertem Frischwasser, versetzt und die Suspension mechanisch aufgeschlagen sowie sterilisiert werden, bevor sie beimpft wird.Appropriately, the cellulosic starting material with nutrient salts and fresh water, preferably ozonated fresh water, added and the suspension is mechanically opened and sterilized before being inoculated.

.,

Zur Sterilisation kann Dampf, Ozon oder ein Bioeid wie Pentachlorphenol-^Natrium eingesetzt werden.For sterilization, steam, ozone or a biolide such as pentachlorophenol sodium can be used.

In jedem einzelnen Fermenter können die für die jeweilige Entwicklungsphase der Kultur optimalen Voraussetzungen hinsichtlich pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffgehalt, · Stoffdichte und Nährmedium eingestellt werden.In each fermenter, the optimal conditions for the respective development phase of the culture with regard to pH, temperature, oxygen content, · consistency and nutrient medium can be adjusted.

Der pH-Wert wird im Verlauf der Entwicklung der Kultur in den hintereinander angeordneten Hauptfermentern stufenweise zweckmäßig zwischen 5,5 bis 6 und 3,5 variiert, wobei der pH-Wert insbesondere mit Ammoniak eingestellt wird. Ammoniak kann von den Mikroorganismen gleichzeitig auch als Stickstoffträger verwertet werden. 35The pH is gradually suitably varied gradually between 5.5 to 6 and 3.5 in the course of the development of the culture in the main fermenters arranged one behind the other, the pH being adjusted in particular with ammonia. Ammonia can also be utilized by the microorganisms as nitrogen carriers. 35

Nach' einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungs-According to an advantageous embodiment of the invention

gemäßen Verfahrens erfolgt das Beimpfen der Suspension außerhalb der Haupt fermentations stuf en in Vorfermentern", wobei das in der Vorfermentation erhaltene Inoculum dem ersten Hauptfermenter lediglich zu Beginn des kontinuierlichen Produktionsprozesses zugeführt wird.In accordance with the method, the inoculation of the suspension takes place outside the main fermentation stages in pre-fermenters ", the inoculum obtained in the pre-fermentation being supplied to the first main fermenter only at the beginning of the continuous production process.

Auch die Vorfermentation zum Anzüchten der Mikroorganismen kann mehrstufig durchgeführt werden, wobei die Volumsverhältnisse der Vorfermenter in den einzelnen Stufen jeweils etwa 1 : 10 betragen. Wird die Vorfermentation beispielsweise dreistufig durchgeführt, verhalten sich die Volumina der Vorfermenter und des ersten Hauptfermenters zueinander vorzugsweise wie 1 : 20 : 200 : 5000.The pre-fermentation for culturing the microorganisms can also be carried out in several stages, the volumetric ratios of the pre-fermenters in the individual stages being in each case about 1:10. If the pre-fermentation is carried out in three stages, for example, the volumes of the pre-fermenter and of the first main fermenter preferably behave to each other as 1: 20: 200: 5000.

Eine Vorfermentation erwies sich zur Anreicherung der Zellen des Mikroorganismus als besonders günstig. Die Hauptfermenter können etwa gleichen Rauminhalt aufweisen.A Vorfermentation proved to enrich the cells of the microorganism as particularly favorable. The main fermenters can have approximately the same volume.

Bei. mesophilen Mikroorganismen wird zweckmäßig in der Vorfermentation und-in den Hauptfermentationsstufen eine Temperatur von 25 bis 50 C eingehalten. Die Ausgangs-Konzentration an cellulosehaltigen! Material in der Suspension wird vorzugsweise bei 1 bis 10 % Masse gehalten.In. Mesophilic microorganisms is suitably maintained in the pre-fermentation and in the Hauptfermentationsstufen a temperature of 25 to 50 C. The initial concentration of cellulose-containing! Material in the suspension is preferably maintained at 1 to 10% mass.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach Abtrennung der Feststoffe aus der cellulasehältigen Lösung der letzten Hauptfermentationsstufe die Feststoffe hydrolysiert und das Hydrolysat als Nährsalzlösung der Ausgangsmischung zugefügt. So wird einer Überalterung des Mycels ständig entgegengearbeitet, u.zw. dadurch, daß aus dem ersten Hauptfermenter ständig neues Mycel in die nächsten Stufen geführt wird. Durch Rückführung des HydrolysatesAccording to a further preferred embodiment of the process according to the invention, after separation of the solids from the cellulase-containing solution of the last main fermentation stage, the solids are hydrolyzed and the hydrolyzate is added as nutrient salt solution to the starting mixture. Thus, an aging of the mycelium is constantly counteracted, u.zw. in that from the first main fermenter constantly new mycelium is led into the next stages. By recycling the hydrolyzate

-JcT--JcT-

werden wichtige Wuchsstoffe wieder in den Prozeß eingebracht.important growth substances are reintroduced into the process.

Vorteilhaft wird- die cellulasehältige Lösung aus der letzten. Hauptfermentationsstufe hinsichtlich ihres Cellulasegehaltes durch Ultrafiltration aufkonzentriert und die Cellulase aus dem Konzentrat mittels polarer Lösungsmittel ausgefällt. Als polares Lösungsmittel ist beispielsweise Aceton geeignet. Auf diese Weise werden Cellulase-Präparate in trockener Form erhalten.The cellulase-containing solution from the last one becomes advantageous. Hauptfermentationsstufe concentrated in terms of their cellulase content by ultrafiltration and precipitated the cellulase from the concentrate by means of polar solvents. As the polar solvent, for example, acetone is suitable. In this way, cellulase preparations are obtained in dry form.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird aus den Hauptfermentern abgezogenes Kulturfiltrat hinsichtlich, seines Cellulasegehaltes durch ültrafiltration aufkonzentriert und das Permeat. zu den Fermentern rückgeführt..Mit steigender Cellulasekonzentration erniedrigt sich nämlich die Bildungsgeschwindigkeit von Cellulase, so daß eine laufende'Entfernung von Cellulase günstig für den" Prozeßablauf ist. Das rückgeführte. Permeat enthält noch Nährstoffe für die Mikroorganismen.According to a particularly advantageous embodiment, the culture filtrate withdrawn from the main fermenters is concentrated with respect to its cellulase content by ultrafiltration and the permeate. In fact, as the concentration of cellulase increases, the rate of cellulase formation slows down, so that a continuous removal of cellulase is beneficial to the process, and the recirculated permeate still contains nutrients for the microorganisms.

Eine erfindungsgemäße Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß hintereinander angeordnet., sind: ein mit Rührwerk ausgestatteter Aufschlagbehälter zur Herstellung einer Cellulose und Nährsalze enthaltenden wässerigen Suspension, mindestens· ein mit Rührwerken ausgestatteter Sterilisierbehälter, welchem ein Mischer mit einer Zuführung für Sterilisationsmittel vorgeschaltet ist, eine Vorfermentationseinrichtung, welche vorteilhaft eine Mehrzahl von Vorfermentern aufweist, die eine um jeweils etwa das 10-fache gegenüber dem vorangehenden Fermenter vergrößerte Aufnahmefähigkeit besitzen, und eine Hauptfermentationseinrichtung, die vorteilhaft eine Mehrzahl von Fermentern aufweist, wobei die Vor- und Hauptfermenter Zuführungseinrichtungen für sauer-A plant according to the invention is characterized in that arranged one after the other are: a whipping container equipped with agitator for producing an aqueous suspension containing cellulose and nutrient salts, at least one sterilizing container equipped with stirrers, which is preceded by a mixer with a supply for sterilizing agent, a pre-fermentation device which advantageously has a plurality of pre-fermenters having a capacity increased by about 10 times compared to the preceding fermenter, and a main fermenting device, which advantageously has a plurality of fermenters, wherein the pre-and main fermenter feed devices for acidic

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g AP C 12 N/238 375/2 g AP C 12 N / 238 375/2

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stoffhältige Gase, Rühr- bzw. Mischorgane, Entlüftungseinrichtungen, Regeleinrichtungen für Temperatur und pH-Wert und gegebenenfalls Schaumbrecher aufweisen, sowie weiter Einrichtungen zum Abtrennen der Feststoffe von der cellulasehältigen Lösung, welche vorteilhaft Klärbehälter und Zentrifuge umfassen, gegebenenfalls eine Ultrafiltrationsanlage zum Konzentrieren der cellulasehältigen Lösung sowie ein Behälter zur Fällung der Cellulase.fabric-containing gases, mixing or mixing organs, venting devices, temperature and pH control devices and possibly foam breakers, and further means for separating the solids from the cellulase-containing solution, which advantageously comprise clarifier and centrifuge, optionally an ultrafiltration unit for concentrating the cellulase-containing solution and a container for precipitating the cellulase.

Ausf ühruncfsbeispielEmbodiment Example

Die Erfindung wird im folgenden an einem Beispiel näher erläutert. Die beiliegende Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail below by way of example. The enclosed drawing shows:

Ein Verfahrensschema einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage.A process scheme of an embodiment of the system according to the invention.

Zellstoff bzw. cellulösehältiges Material wird zunächst trocken vorgemahlen und sodann durch die Zuführung 1 in einen Aufschlagbehälter 2 eingebracht. Nährsalze werden über die Zuführung 3 zugesetzt. Frischwasser gelangt durch die Leitung 4, in welche ein Ozonisator 5 zum Entkeimen des Wassers eingebaut ist, in den Aufschlagbehälter, worin mittels eines Rührwerkes eine Suspension hergestellt wird. Aus dem Aufschlagbehälter wird die Suspension einer Mühle zugeführt, in welcher Defibrierung und Fibrillierung des Materials stattfinden. Anschließend gelangt die Suspension in einen Mischer 7, in welchem sie mit einem Sterilisations· mittel aus der Zuführung 8 vermengt wird. Dem Mischer sind mit Entlüftungseinrichtungen 9 und Rührwerk ausgestattete Sterilisierbehälter 10 nachgeschaltet, in denen die Suspension während einer vorgegebenen Verweilzeit entkeimt wird.Pulp or cellulösehältiges material is first dry pre-ground and then introduced through the feed 1 in a Aufschlagbehälter 2. Nutrient salts are added via the feed 3. Fresh water passes through the line 4, in which an ozonizer 5 is installed for sterilizing the water, in the impact vessel, wherein a suspension is prepared by means of a stirrer. From the impact container, the suspension is fed to a mill in which defibration and fibrillation of the material take place. Subsequently, the suspension passes into a mixer 7, in which it is mixed with a sterilizing agent from the feed 8. The mixer is equipped with deaerators 9 and agitator equipped sterilizing container 10, in which the suspension is sterilized during a predetermined residence time.

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Die sterilisierte Suspension wird sodann zu Vorfermentern bzw. zu Hauptfermentern gepumpt· Die Fermentationseinheit besteht in der dargestellten Ausführungsform ausThe sterilized suspension is then pumped to pre-fermenters or to main fermenters. The fermentation unit consists in the illustrated embodiment

4040

drei Vorfermentern 11, 12, 13 und vier jeweils mit 14 bezeichneten, hintereinander geschalteten Hauptfermentern. Alle Fermenter sind mit Rühr- bzw. Mischorganen ausgerüstet, weiters mit Regeleinheiten für Temperatur und pH-Wert sowie mit Systemen zur Schaumbekämpfung. Weiters sind jeweils Belüftungen mit Sterilluft vorgesehen. Die aus den Fermentern tretende Abluft wird ebenfalls gefiltert.three Vorfermentern 11, 12, 13 and four each designated 14, one behind the other main fermenters. All fermenters are equipped with stirrers or mixers, as well as temperature and pH control units and anti-foam systems. Furthermore, each venting with sterile air are provided. The exhaust air from the fermenters is also filtered.

Die Hauptfermenter werden mit konstanter Füllstandshöhe gefahren. Dem Vorfermenter 11 wird über die Zuführung 15 das Inoculum zugesetzt. Alle Fermenter sind über sterilisierbare Leitungen miteinander verbunden, wobei die Verbindungen zwischen den Hauptfermentern so angeordnet sind, daß sowohl ein diskontinuierlicher als auch ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Sollte es aufgrund einer verminderten Wachstumsrate des Mikroorganismus notwendig sein, so können weitere Hauptfermenter in prinzipiell gleicher Weise'zugeschaltet wer-The main fermenters are driven at a constant filling level. The pre-fermenter 11 is added via the feed 15, the inoculum. All fermenters are connected to each other via sterilizable lines, the connections between the main fermenters being arranged so as to permit both discontinuous and continuous operation. Should it be necessary due to a reduced growth rate of the microorganism, then further main fermenters can be switched on in basically the same way.

den. the.

Bei kontinuierlichem Betrieb wird vom letzten Fermenter dessen gesamter Inhalt, nämlich Biomasse und Enzymlö- ) sung, abgezogen und in einen Klärbehälter 16 übergeführt. Hier erfolgt eine Vortrennung von enzymhältiger Lösung und Biomasse, beispielsweise Pilzmycel. Die Biomasse kann zur Gänze oder teilweise zur Erhöhung der Zellkonzentration in die Hauptfermenter 14 zurückgeführt werden. Ein anderer Teil der Biomasse sowie die vorgeklärte Enzymlösung werden in einer Trenneinrichtung, beispielsweise einer Zentrifuge 17, in Festanteile und KuIturfiltrat aufgetrennt, und das Filtrat wird in einen mit Rühr- und Kühleinrichtung ausgestatteten Lagerbehälter 18 geleitet. Die abgetrennte Biomasse kann anschließend aus der Anlage zu beliebiger Weiterverwendung abgezogen werden, sie kann aber auch in un-In continuous operation is from the last fermenter the entire contents, namely biomass and Enzymlö-) solution, withdrawn and transferred to a settling tank sixteenth Here is a pre-separation of enzyme-containing solution and biomass, such as mushroom mycelia. The biomass can be recycled wholly or partially to increase the cell concentration in the main fermenter 14. Another part of the biomass and the pre-clarified enzyme solution are separated in a separator, such as a centrifuge 17, in solid fractions and KuIturfiltrat, and the filtrate is passed into a equipped with stirring and cooling storage container 18. The separated biomass can then be removed from the plant for any further use, but it can also be used in

-ί- ίύΰύΙΌ L -ί- ίύΰύΙΌ L

behandelter Form durch die Zuführung 19 zum Aufschlagbehälter 2 als Nährsalzträger rückgeführt werden. Die. anfallende Biomasse ist eiweißhaltig und kann daher als . Futtermittelzusatz, als Substratzusatz für andere mikrobiologische Prozesse aber auch als stickstoffhaltiges Düngemittel verwendet werden. Es ist jedoch vorzuziehen, die Biomasse in einem Autoklaven 20 mit Zuführungen für Dampf und Säure einer Vorhydrolyse zu unterwerfen. Die erhaltene Hydrolysatlösung wird - beispielsweise mittels ' Zentrifuge 21 - vom verbleibenden Feststoff abgetrennt und als Nährsalzlösung über die Leitung 22 rückgeführt. Durch Rückführung der Biomasse in unveränderter plasmolysierter Form oder Rückführung des Hydrolysates·ist es nicht notwendig, zusätzliche Hilfsstoffe, wie Pepton, Eiweißhydrolysate oder Emulgatoren, wie etwa Polyoxyäthylenderivate von Sorbitanhydriden, die teilweise mit Fettsäure verestert sind, zu verwenden. Der über den Austrag 23. aus der Anlage entfernte Restfeststoff kann zur. Gewinnung von Wärmeenergie verbrannt werden.treated form can be recycled by the feeder 19 to the impact container 2 as Nährsalzträger. The. accumulating biomass is protein-containing and can therefore as. Feed additive, as a substrate additive for other microbiological processes but also be used as a nitrogenous fertilizer. However, it is preferable to subject the biomass to prehydrolysis in an autoclave 20 with steam and acid feeds. The resulting hydrolyzate solution is separated from the remaining solid, for example by means of a centrifuge 21, and recycled as nutrient salt solution via line 22. By recycling the biomass in an unchanged plasmolysed form or recycling the hydrolyzate it is not necessary to use additional auxiliaries, such as peptone, protein hydrolysates or emulsifiers, such as polyoxyethylene derivatives of sorbitan anhydrides, which are partially esterified with fatty acid. The over the discharge 23. From the plant removed residual solids can for. Extraction of heat energy to be burned.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen. Anlage ist weiters eine Ultrafiltrationsanlage 24 vorgesehen, mittels welcher das gegebenenfalls aus den einzelnen Fermentern 14 über die Sammelleitung 25 abgezogene Kulturfiltr'at hinsichtlich seines Cellulasegehaltes aufkonzentriert werden kann. Das Enzymkonzentrat wird über die- Leitung 2 6 mit dem Kulturfiltrat aus dem Klärbehälter 16 vereinigt und der Zentrifuge 17 zugeführt, da sich im Konzentrat noch lebende Zellen befinden können, welche vor dem Lagerbehälter 18 abgetrennt werden müssen. Das Permeat wird durch die Leitung 27 wieder den Fermentern 14 zugesetzt. Durch diese Vorgangsweise erhöht sich die Zellkonzentration in den Fermentern 14, und gleichzeitig wird die Produktion von Cellulase beschleunigt.In the illustrated embodiment of the invention. An ultrafiltration plant 24 is further provided, by means of which the Kulturfiltr'at optionally withdrawn from the individual fermenters 14 via the manifold 25 can be concentrated in terms of its cellulase content. The enzyme concentrate is combined via the line 2 6 with the culture filtrate from the clarifier 16 and fed to the centrifuge 17, since there may still be living cells in the concentrate, which must be separated before the storage container 18. The permeate is added back to the fermenters 14 through line 27. By doing so, the cell concentration in the fermenters 14 increases, and at the same time, the production of cellulase is accelerated.

szsz

238376 2238376 2

Die Enzymlösung im Lagerbehälter 18 wird über die Leitung 28 abgezogen und kann entweder direkt weiter verwendet oder einer Ultrafiltrationsanlage 29 zugeführt werden. Das Konzentrat aus (29) kann als solches über die Leitung 30 seinem Einsatzort zugeführt werden oder in einem mit Rührer und Zuleitung 31 für ein Fällungsmittel ausgerüsteten Behälter 32 mit Fällungsmittel versetzt werden. Die Konzentrierung der Enzymlösung kann alternativ auch z.B. mittels Dünnschichtverdampfung vorgenommen werden. Das ausgefällte Enzym wird, nachdem es mittels einer Zentrifuge 33 oder eines Filters abgetrennt wurde, in eine Trocknungsanlage 34 übergeführt.The enzyme solution in the storage container 18 is withdrawn via line 28 and can either continue to be used directly or fed to an ultrafiltration unit 29. The concentrate from (29) can be supplied as such via line 30 to its place of use or mixed in a equipped with a stirrer and feed line 31 for a precipitant container 32 with precipitant. The concentration of the enzyme solution may alternatively also be e.g. be made by thin film evaporation. The precipitated enzyme, after being separated by means of a centrifuge 33 or a filter, is transferred to a drying plant 34.

Die Lösung aus der Zentrifuge 33 wird gemeinsam mit den kondensierten Dämpfen aus der Trocknungsanlage 34 in einer Destillationsanlage 35 aufgearbeitet. Das wiedergewonnene Fällungsmittel wird über die Zuleitung 31 abgezogen, der wässerige Rückstand wird zusammen mit dem Permeat aus der Ultrafiltrationsanlage 29 über die Leitung 3 6 wieder dem Aufschlagbehälter 2 zugeführt, wodurch der Bedarf an Frischwasser erheblich eingeschränkt wird. Die Trocknungsanlage 34 kann beispielsweise als Sprühverdampfungs- oder Dünnschichtverdampfungsanlage ausgeführt sein. Im.Anschluß an die Trocknung erfolgt die Einstellung der Aktivität des hergestellten Enzymtrockenpräparates durch Zugabe von Inertmaterial oder,Milchzucker in einem Mischer 37. Erfindungsgemäß hergestellte Trockenpräparate weisen volle Cellulasealctivität auf.The solution from the centrifuge 33 is worked up together with the condensed vapors from the drying plant 34 in a distillation unit 35. The recovered precipitant is withdrawn via the supply line 31, the aqueous residue is fed together with the permeate from the ultrafiltration unit 29 via the line 3 6 again the Aufschlagbehälter 2, whereby the need for fresh water is considerably reduced. The drying plant 34 can be designed, for example, as a spray evaporation or thin-film evaporation plant. Im.Anschluss to the drying, the adjustment of the activity of the enzyme dry preparation prepared by the addition of inert material or lactose in a mixer 37. Dry preparations prepared according to the invention have full Cellulasealctivität on.

Beispiel:Example:

In den Aufschlagbehälter der voranstehend beschriebenen Anlage werden 30 kg Zellstoff, 1,5 kg Mycel von Trichoderma reesei aus der laufenden Produktion, 0,7 kg KH2PO4 30 kg of pulp, 1.5 kg of mycelium from Trichoderma reesei from the current production, 0.7 kg of KH 2 PO 4 are placed in the impact vessel of the plant described above

35- und 1,5 kg (NH4J2SO4 eingebracht und die Mischung durch Zusatz von ozonisiertem Wasser auf ein Volumen von35- and 1.5 kg (NH 4 J 2 SO 4 introduced and the mixture by addition of ozonated water to a volume of

3 ^ Ö ΰ I O L 3 ^ Ö ΰ I O L

-3-T--3-T-

1000-· 1 eingestellt. Nach Defibrieren, Fibrillieren und Sterilisation der Suspension während 20 Minuten bei 120 C wird dieser Ansatz im ersten. Hauptfermenter mit . frischer Pilzmasse von Trichoderma reesei aus dem Vorfermenter 13 versetzt.1000- · 1 set. After defibrillation, fibrillation and sterilization of the suspension for 20 minutes at 120 C, this approach is the first. Main fermenter with. fresh mushroom mass of Trichoderma reesei has been added from Prefermenter 13.

Die Verweilzeit in den hintereinander geschalteten Hauptfermentern beträgt jeweils 36 Stunden, die pH-Werte betragen :The residence time in the main fermentors connected in series is in each case 36 hours, the pH values are:

erster Hauptfermenter: 5,5 - 6 zweiter. Hauptfermenter: 3,5 dritter Hauptfermenter: 3,5 vierter Hauptfermenter: 4,8, der Temperaturverlauf ist folgender:first main fermenter: 5.5 - 6 second. Main fermenter: 3.5 third main fermenter: 3.5 fourth main fermenter: 4,8, the temperature profile is the following:

erster Hauptfermenter: 30°Cfirst main fermenter: 30 ° C

zweiter Hauptfermenter: 29°Csecond main fermenter: 29 ° C

dritter und vierter Hauptfermenter: 28°C, zugeführte Luftmengen: erster Hauptfermenter: 0,2 1/1 Substanz-minthird and fourth main fermenter: 28 ° C, supplied air volumes: first main fermenter: 0.2 1/1 substance min

zweiter Hauptfermenter: 0,25 1/1 Substanz-minsecond main fermenter: 0.25 1/1 substance min

dritter und vierter Hauptfermenter: 0,35 1/1 Substanz-minthird and fourth main fermenter: 0.35 1/1 substance min

Der Feststoffgehalt in den Fermentern sinkt von 3 % auf 2,9 %, 1,8 % und schließlich 1 %.The solids content in the fermenters drops from 3% to 2.9%, 1.8% and finally 1%.

: # ·: # ·

Im ersten Hauptfermenter liegt als Feststoff Cellulose vor., im vierten Hauptfermenter ist nur mehr Pilzmycel vorhanden, da die Cellulose durch das Zellwachstum verbraucht wird.In the first main fermenter is present as a solid cellulose, in the fourth main fermenter is only more mushroom mycelium present, since the cellulose is consumed by cell growth.

,.

Im letzten (vierten) Hauptfermenter resultieren dann 1.000 1 Lösung mit 2,8 FPU (Filterpapiereinheiten (früher FPD-activity-units; nach N. Toyama, Advances in Enzyme Hydrolysis of Cellulose and Related Materials, E.T. Reese, Ed. Pergamon Press, London 19 63, Seite 235))' pro ml entsprechend 5,6mg Protein/ml. Die Ge-The final (fourth) main fermenter is then followed by 1,000 1 of FPU (filter unit units, formerly FPD activity units, by N. Toyama, Advances in Enzymes Hydrolysis of Cellulose and Related Materials, ET Reese, Ed., Pergamon Press, London 19 63, page 235)) 'per ml corresponding to 5.6 mg protein / ml. The GE-

-νί--νί-

238376 Z238376 Z

samtlösung enthält somit 2,8 χ 10 FPU (5,6 kg Protein; und 9,6 kg Trichoderma-Mycelüberschuß.total solution thus contains 2.8 × 10 FPU (5.6 kg protein, and 9.6 kg Trichoderma mycelium excess.

Zum Aufkonzentrieren der Enzymlösung wurde die Ultrafiltration herangezogen. Verwendet wurde eine Kunststoff membrane mit einer Ausschlußgrenze von 10.000. Es resultierte dabei ein Konzentrat mit einem Volumen von 50 1 und einem Gehalt von 56 χ 10 FPU. Dieses Konzentrat wurde bei Raumtemperatur mit 100 1 Aceton versetzt und anschließend das ausgefällte Enzym abzentrifugiert und im Luftstrom getrocknet. Das Resultat waren 5 kg Protein in Form eines läse enthielt.For concentration of the enzyme solution, the ultrafiltration was used. A plastic membrane with an exclusion limit of 10,000 was used. This resulted in a concentrate with a volume of 50 1 and a content of 56 χ 10 FPU. This concentrate was treated at room temperature with 100 1 acetone and then the precipitated enzyme was removed by centrifugation and dried in a stream of air. The result was 5 kg of protein in the form of a cheese.

in Form eines weißen Pulvers, das 2,5 χ 10 FPU Cellu-in the form of a white powder containing 2.5 χ 10 FPU Cellu-

Claims (2)

27.8.1982 AP C 12 N/238 376/2 - 13* - 60 585/18 Erfindungsanspruch27.8.1982 AP C 12 N / 238 376/2 - 13 * - 60 585/18 Claim for invention 1. Verfahren zur Gewinnung von Cellulase durch Züchten von Cellulase produzierenden Mikroorganismen auf cellulosehaltigen! Kulturmedium in Gegenwart von Nährsalzen, wobei eine Suspension des zerkleinerten cellulosehaltigen Ausgangsmaterials in wäßriger Lösung mit den Mikroorganismen beimpft» die Kultur subraers, vorzugsweise unter Belüftung, in Fermentern entwickelt, die Feststoffe aus der Kultur abgetrennt und die verbleibende cellulasehältige Lösung gegebenenfalls konzentriert wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Entwicklung der beimpften Kultur in einer Mehrzahl von hintereinander geschalteten Hauptfermentern stufenweise erfolgt, wobei die Suspension unter Einhaltung einer konstanten Füllstandshöhe in allen Hauptfermentern durch alle Hauptfertnsntationsstufen kontinuierlich durchgeführt wird und wobei von Stufe zu Stufe die Cellulasekonzentration zunimmt und die Cellulosekonzentration abnimmt»1. A method for obtaining cellulase by culturing cellulase-producing microorganisms on cellulose-containing! Culture medium in the presence of nutrient salts, wherein a suspension of the comminuted cellulosic starting material in aqueous solution with the microorganisms inoculated »the culture subraers, preferably with aeration, developed in fermenters, the solids are separated from the culture and the remaining cellulase-containing solution is optionally concentrated, characterized in that the development of the inoculated culture is carried out stepwise in a plurality of main fermenters connected one behind the other, the suspension being continuously carried out by maintaining all the main fermenters in a constant level in all major fermentation stages and increasing the cellulase concentration from step to step and decreasing the cellulose concentration » 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der pH-Wert im Verlauf der Entwicklung der Kultur in den hintereinander angeordneten Hauptfermentern zwischen 5,5 bis 6 und 3,5 gehalten wird.2. The method according to item 1, characterized in that the pH is maintained in the course of development of the culture in the successively arranged main fermenter between 5.5 to 6 and 3.5. 3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der pH-Wert mit Ammoniak eingestellt wird.3. The method according to item 2, characterized in that the pH is adjusted with ammonia. 4. Verfahren nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Beimpfen der Suspension außerhalb der Hauptfermentationsstufen in Vorfermentern erfolgt, wobei das in der Vorfermentation erhaltene Inoculum dem ersten4. The method according to points 1 to 3, characterized in that the inoculation of the suspension takes place outside the main fermentation stages in Vorfermentern, wherein the inoculum obtained in the Vorfermentation the first 27.8.198208/27/1982 AP C 12 N/238 375/2AP C 12 N / 238 375/2 60 585/1860 585/18 Hauptfermenter lediglich zu Beginn des kontinuierlicher. Produktionsprozesses zugeführt wird»Main fermenter only at the beginning of continuous. Production process is fed » 5» Verfahren nach den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß in der Vorfermentation und in den Hauptfermentationsstufen eine Temperatur von 25 bis 50 0C eingehalten wird.5 »Method according to points 1 to 4, characterized in that in the pre-fermentation and in the main fermentation stages a temperature of 25 to 50 0 C is maintained. 6. Verfahren nach den Punkten 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausgangs-Konzentration an cellulosehaltigen Material in der Suspension bei 1 bis 10 % Masse gehalten wird·6. The method according to points 1 to 5, characterized in that the starting concentration of cellulose-containing material in the suspension is maintained at 1 to 10 % by mass 7. Verfahren nach den Punkten 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß nach Abtrennung der Feststoffe aus der cellulasehältigen Lösung der letzten Hauptfermentations« stufe die Feststoffe hydrolysiert wertlen und das
Hydrolysat als Nährsalzlösung der Ausgangsmischung zugefügt wird»
7. The method according to points 1 to 6, characterized in that after separation of the solids from the cellulase-containing solution of the last Hauptfermentations «stage hydrolyzed the solids and the
Hydrolyzate is added as a nutrient solution to the starting mixture »
8. Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die cellulasehältige Lösung durch Ultrafiltration hinsichtlich ihres Cellulasegehaltes aufkonzentriert8. The method according to item 7, characterized in that the cellulase-containing solution by ultrafiltration concentrated in terms of their cellulase content und die Cellulase aus dem Konzentrat mittels polarer Lösungsmittel ausgefällt wird.and the cellulase is precipitated from the concentrate by means of polar solvents. 9» Verfahren nach den Punkten 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß aus den Hauptfermentern abgezogenes KuI-turfiltrat hinsichtlich seines Cellulasegehaltes durch Ultrafiltration aufkonzentriert und das Permeat zu den Fermentern rückgeführt wird.9 »method according to the points 1 to 8, characterized in that from the main fermenter withdrawn KuI turfiltrat concentrated in terms of its cellulase content by ultrafiltration and the permeate is recycled to the fermenters. 27.8.198208/27/1982 AP C 12 N/238 37S/2AP C 12 N / 238 37S / 2 50 585/1350 585/13 ΙΟ. Anlage zur DurchführungΙΟ. Plant for implementation Inlll !' 9e!<enn2eichnet ^durch, daß hintereinander angeordnet sind: ein mit Rührwerk ausgestatteter Auf ec lagbehaXter (2) zur Herstellung einer OeIlZsT • und Nahrsalze enthaltenden wäßrigen Suspensioni ^ Inlll ! ' 9e), by arranging in succession: an agitator equipped with agitator (2) for the preparation of an aqueous suspension containing oil and nutritive salts des ens ein mlt Rührwerken ausgestatteter Sterilisier behalter (10) t welchem Qin M±echer -rxlxsxer-ens of a mlt agitators equipped sterilization container (10) t where M ± Qin echer -rxlxsxer- führung '-* --leadership '- * - i !TorΓi! TorΓ I lOr h farlTWimSeinriChtm3' Wel0he vorteilhaft ne Mehrzahl von Vorfer.entern (11; 12; 13, aufw.I l Or h far WimSeinriChtm3 lT 'Wel0he advantageous ne plurality of Vorfer.entern (1 1; 12; 13, asc. d« exne um jeweils etwa das lOfache gegenüber den vorangehenden ,er.entsr vergärte Aufnahm L LitEach one was about 10 times that of the preceding one, the latter being fermented L lit eine V^' T ''"' H°^°™»^tionseinrichtung di «n. h.hr»hl von Festem (14, fa V ^ 'T''''H ° ^ ° ™ »^ tion device di" nhhr »hl (solid 14 f ichtung dithe di von Festem (14, aufweist, wob d Vor- und Hauptfer^enter Zufuhrungseinrichtungen für sauerstoffhaltig. Gase, «uhr- b„. „techorB.^, Ept.of solid (14, which wove d advantages and Hauptfer ^ enter Zufuhrungseinrichtungen for oxygenated. gases "clock b". "techorB. ^, Ept. u "r:Hn;iChtUn9Sn· ^««Einrichtungen f0'r Temperatur und pH-wert und gegebenenfalls Schauabrecher auf-u "r: H n; iChtUn9Sn · ^« «facilities f0 'r Te mper ature and pH value and possibly up Schauabrecher ithl eithl e ITrTTZ ich^9*" -»Abtrennen ITrTTZ i ^ 9 * "-» Disconnect der Feststoffe von der cellulasehältigen Läsung,the solids from the Cellul ase häl term Läsung, vorteilhaft KlärbehäUer (I6, und Zentrifuge ^IZ fa-en, gegebenenfalls eine UItrafiltrationsa la e (29) advantageous K lä rbehäUer (I 6, and centrifuge ^ IZ fa-en, e g ge appropriate, a UItrafiltrationsa la e (29)
2 Tz^^:^T 2 Tz ^^: ^ T Llll der Cellulase.the cellulase. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
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