DD206684A3 - Verfahren zur zuechtung von mikroorganismen - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR KONTINUIERLICHEN ZUECHTUNG PARTIELL SYNCHRONISIERTER MIKROORGANISMEN. SIE KANN UEBERALL DORT ANGEWENDET WERDEN, WO MIKROORGANISMEN ZUM ZWECKE DER BIOMASSEGEWINNUNG, VORWIEGEND ZUR EINZELLERPROTEINGEWINNUNG, GEZUECHTET WERDEN. DAS ZIEL DER ERFINDUNG BESTEHT DARIN, DIE QUALITAET UND QUANTITAET DER PRODUKTSTROEME AUSZUGLEICHEN, SCHWANKUNGEN IN DER HERANFUEHRUNG DER ROH- UND HILFSSTOFFE UND VERARBEITUNG DER PRODUKTE ZU VERMEIDEN, SO DASS DIE FERMENTOREN STAENDIG UNTER BIOLOGISCH UND TECHNISCH OEKONOMISCH GUENSTIGEN PARAMETERN ARBEITEN. DIE ZUECHTUNG WIRD IN MINDESTENS ZWEI FERMENTOREN GLEICHZEITIG DURCHGEFUEHRT, WOBEI DIE MASSNAHMEN ZUR PARTIELLEN SYNCHRONISATION IN DEN EINZELNEN FERMENTOREN ZEITLICH GESTEUERT WERDEN, DAS DIE AUS DEM SYNCHRONISATIONSEFFEKT RESULTIERENDEN OSZILLATIONEN DER ZELLWACHSTUMSPHASEN IN JEWEILS ZWEI FERMENTOREN UM EINE HALBE WELLENLAENGE VERSCHOBEN SIND UND/ODER DASS SICH JEWEILS MINDESTENS ZWEI FERMENTOREN ENTGEGENGESETZT ENTWEDER IM MINIMUMANGEBOT AN KOHLENSTOFFQUELLE ODER KOHLENSTOFFQUELLENANGEBOTSUEBERSCHUSS BEFINDEN.

Description

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Titel der Erfindung Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen

IPK: O 12 W Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung partiell synchronisierter Mikroorganismen· Die erfindungsgemäße Lösung kann überall dort angewendet werden, wo Mikroorganismen zum Zwecke der Biomassegewinnung, vorwiegend zur Einzellerproteingewinnung, gezüchtet werden· Die Erfindung gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen..

Es sind zahlreiche Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen zum Zwecke der Biomassegewinnung, insbesondere der Einzellerproteingewinnung, bekannt« Bei industriell angewendeten Verfahren werden dabei aus ökonomischen Gründen hohe Umsatzraten der eingesetzten Kohlenstoffquelle zur Biomasse sowie allgemein günstige Qualitäts- und Verbrauchskennziffern gefordert.

Gemäß Patentschrift DD 140 150 wird diese Zielstellung erreicht, indem die Versorgungszyklen mit Kohlenstoffquelle den Phasen des Zellwachstums bei kontinuierlicher Züchtung alternierend angepaßt werden·

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Dieses Verfahren setzt ein möglichst synchrones Zellwachstum im kontinuierlich arbeitenden Permentor voraus»

Um signifikante synchrone Zellwachstumsphasen im kontinuierlich arbeitenden Permentor zu erreichen, müssen vorher alle Zellen wachstumssynchronisierenden Einwirkungen unterworfen werden· Diese Einwirkung kann in Form von pH-Wert-Erniedrigungen, Einstellung der SauerstoffVersorgung, Temperaturerhöhung Uos,We erfolgen·

Diese technische Lösung weist eine Reihe von Besonderheiten auf, die insbesondere bei der Überführung in die industrielle Großproduktion ungünstig in Erscheinung treten.

- Die Synchronisationsauslösenden Einwirkungen schaffen über beachtliche Zeiträume im gesamten Permentor extreme Bedingungen, die in der Zeit der Beeinflussung das Zellwachstum hemmen und damit Produktionsminderungen bewirken·

- Mit der Auslösung des synchronisierten Zellwachstums verläßt den Permentor ein Produktstrom, der in Analogie zu der Zeilwachstumsphase unterschiedliche Qualität hinsichtlich wesentlicher Paktoren wie Nukleinsäure-, Rohprotein- oder Rohfasergehalt, aufweist.

- Der oszillierende Charakter der Qualitätsmerkmale betrifft neben dem Hauptprodukt vor allem die Nebenprodukte oder biologisch behandelten Produkte, wie den Biolipidextrakt und das behandelte Erdöldestillat im Falle der PS DD 140 150·

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- Die Zufuhr von allen Nährstoffkomponenten erfolgt alternierend bzw· den Zeilwachstumsphasen angepaßt, do ho dynamisch oszillierend«

- Die den Permentor verlassende Biomassemenge schwankt his zu + 20 % um einen Mittelwerte Dieser Umstand hat zur Folge, daß die gesamten Nacharbeitungsstufen im gleichen Rhytmus betrieben werden müßten· In diesem Fall kann es zeitweise bis zu einer ca. 40 %igen Nichtausnutzung investierter Grundmittel kommen·

Zur Vermeidung der genannten Nachteile hinsichtlich der oszillierenden Produktcharakteristika und der Produktmengen wäre die Installation unverhältnismäßig großer Puffer- und Mischeinrichtungen erforderlich. Damit wären jedoch noch nicht die zeitweiligen produktmindernden Nachteile, die aus den extremen Maßnahmen zur Synchronisation des Zellwachstums resultieren, beseitigt.

Außerdem ist dieses Verfahren in den Möglichkeiten der s.ynchronisationsauslösenden Effekte eingeschränkt, da bei vorgegebenen technischen Fermentationssystemen die Anwendung aller relevanten Maßnahmen nur unter erheblichem Aufwand zu erreichen ist oder nicht erfolgen kann.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Qualität und Quantität der Produktströme auszugleichen, Schwankungen in der Heranführung der Roh- und Hilfsstoffe und Verarbeitung der Produkte zu vermeiden, so daß die Fermentoren ständig unter biologisch und technisch ökonomisch günstigen Parametern arbeiten.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein technisch und ökonomisch günstiges Verfahren zur Zellenzüchtung unter den Bedingungen einer partiellen Synchronisation des Zellenwachstums zu entwickeln· Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß die Zellenzüchtung gleichzeitig in mindestens 2 vollständig eigenständigen Fermentoreinheiten erfolgt, wobei die Maßnahmen zur partiellen Synchronisation in den einzelnen Permentoren zeitlich so gesteuert werden, daß die Oszillationen des Zellenwachstums in jeweils zwei Permentoren um eine halbe Wellenlänge verschoben sind oder daß sich jeweils mindestens zwei Permentoren entgegengesetzt entweder im Kohlenstoffquellenminimum- oder - normalangebot befinden, daß dabei mindestens zwischen zwei Permentoren Biomassesuspension ausgetauscht wird und die Synchronisationsauslösenden oder verstärkenden Einwirkungen auf dem Weg von einem zum anderen Permentor erfolgen und die ausgetauschte Menge zwischen Null und dem vollständigen Austausch variiert werden kann* Die synchronisationsbewirkenden Maßnahmen können nahezu uneingeschränkt ausgeschöpft werden_e

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

In einer halbtechnischen Fermentationsanlage bestehend aus zwei 500 1-Rührkesselfermentoreinheiten wurde Hefe der Gattung Lodderomyces elongisporus kontinuierlich auf n-paraffinhaltigern Erdöldestillat gezüchtet«

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Die Züchtungsbedingungen entsprachen den aus der Literatur bekannten optimalen Milieu« und Technologieparametern hinsichtlich pH-Wert, Temperatur, Verweilzeit, Sauerstoff- und Erdöldestillatangebot sowie auch hinsichtlich Zugabe der lebensnotwendigen übrigen Nähr- und Spurenelemente· Jede Fermentoreinheit wurde eigenständig versorgt und bilanziert« Bei einer Verweilzeit von 4»1 - 4,15 stellte sich in beiden Fermentoren eine Biomassekonzentration von 21 - 22 g/l HTS ein· Die kontinuierlich aus dem Fermentor abgezogene Suspensionsmenge betrug 50 -51 kg/h«

Die Produktionskapazität jedes Fermentors betrug 1- 1,12 kg Hefetrockensubstanz pro Stunde· Die Temperatur betrug in der Produktionsphase 32 i 1 ⁰C der pH-Wert 4,1 ~ 4,2, die Erdöldestillatkonzentration 13 % mit 16 % n-Paraffin· Die erforderliche partielle Synchronisation in der Startphase wurde durch Temperaturerhöhung auf 37 ⁰O, über 5 Minuten, Abstellung der Luftzufuhr und gleichzeitige Senkung des pH-Wertes über 15 Minuten auf 2,4 erreichte

Nach dieser Phase wurde auf Normalbedingungen eingestellt und die Erdöldestillat-Dosierung um 30 % erhöht« Diese Erhöhung der Kohlenstoffsubstratangebote wurde über 5 Stunden beibehaltene

Die Biomassekonzentration erreicht im Verlauf dieser 5 Stunden einen Maximalwert von 25 g/l« Zu diesem Zeitpunkt wurde mit dem Fermentor 2 analog zum Fermentor 1 verfahren und auf die gleiche Weise die Synchronisation und die anschließende Erdöldestillat-Überdosierung eingeleitet«

Während der Überdosierung im Fermentor 1 wurde im letzten Abschnitt der Sproßminimumphase etwa 60 kg

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Biomasse susp en s ion aus dem Produkt ions st rom. in ein gesondertes Gefäß geleitet, in dem der pH-Wert auf 2,2 eingestellt wird und der nicht belüftet ist» Die in diesem Gefäß gelagerte Biomasse wurde unmittelbar nach Beginn der Überdosierungsphase in den Permentor 2 gepumpt. Nach Erreichung des Biomas semaximums im Permentor 1 (5h nach Start aus dem Synchronisatxohszustand) wird entsprechend der statistisch überwiegend vorliegenden Alterungsphase der Zellen die Erdöldestillatzufuhr, d. h. das Kohlenstoffquellenangebot, auf 20 % unter dem Normalwert gesenkt· Gleichzeitig wurden die übrigen Nähr- und Spurenelemente entsprechend des sich einstellenden geringeren Verbrauches reduziert« Die C-Quellenmangelphase wurde ebenfalls über etwa 5 h beibehalten bis die Biomassekonzentration einen Wert von 17 g/l erreichte· Beim Erreichen des Minimums im Permentor 1 wird im Permentor 2 die Endphase der Überdosierung erreicht· Zu diesem·Zeitpunkt wurden wie vorher beim Permentor

60 1 Biomassesuspension aus dem Produktstrom eingelagert und gleichzeitig mit der Umstellung auf eine erneute Überschußphase im Permentor 1 in diesen Permentor gepumpt·

Auf diese Weise wurde rhythmisch im Wechsel eine sofortige hohe Biomassekpnzentration bei Umstellung auf die Überschußphasei bei erhöhtem Synchronisationsgrad erreicht und eine optimale Nutzung der angebotenen C- und anderer Nährstoffquellen erreicht· Die Aufbereitung und Zufuhr der Nähr- und Spurensalzlösungen sowie der übrigen Roh- und Hilfsstoffströme konnte kontinuierlich über beide Dosierstrecken erfolgen«

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Eine Dosieretrecke arbeitete ständig entsprechend dem Bedarf in der Mangelphase, die zweite Dosierstrecke wurde auf den erhöhten Bedarf in der Uberachußphase des C-Quellenangebotes eingestellt· In den Umstellungsphasen wurde lediglich die Ventilstellung automatisch zwischen Dosierung zum Permentor 1 bzw· Permentor 2 gewechselte

Beispiel 2

Im 2ο Ausführungsbeispiel des Verfahrens wurde die im ersten Beispiel beschriebene Versuchsanlage wie folgt betrieben:

Es wurde wiederum Lodderomyces elongisporus zur Gewinnung von Einzellerprotein auf Erdöldestillatbasis gezüchtet· Die Ausgangsbedingungen entsprachen denen im Beispiel 1. Die beiden Permentoren wurden jedoch über eine Ringleitung mit zwischengeschaltetem Gefäß zur pH- und Temperaturbeeinflussung kurzgeschlossen· In die Ringleitung wurde eine leistungsstarke Pumpe installiert, mit deren Hilfe die Permentorinhalte der beiden Permentoren innerhalb 15 min vollständig gegeneinander ausgetauscht werden konnten« Nach einer Hstündigen Startphase der beiden Permentoren im Normalbetrieb wurde der Inhalt des Permentors 1 über das Zwischengefäß, in dem die Suspension auf einen pH-Wert von 2,0 und eine Temperatur von 38,5 ⁰C eingestellt wurde, in den Permentor 2 gepumpte Die mittlere Verweilzeit in dem Zwischengefäß betrug 8,5 min· Gleichzeitig wurde der Inhalt des Permentors 2 über die Rücklaufleitung in den Permentor 1 gepumpt, so daß beide Permentoren jederzeit den gleichen Masseinhalt hatten»

Der Austauschvorgang wurde innerhalb 24 min· abgeschlossene Im Permentor 2 wurde nunmehr das C-Quellenangebot

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und die Versorgung mit den übrigen Nähr- und Spurensalzen um 30 % erhöht und im Fermentor 1 um 20 % erniedrigt» In dieser Dosierhöhe wurde im folgenden nur noch gearbeitet· Es erfolgte keine weitere Umstellung der Dosiermengen mehr« Alle 5 »5 Stunden wurde der oben beschriebene Austauschvorgang sowie die Temperatur- und pH-Beeinflussung im Zwischengefäß wiederholt» Auf diese Weise wurden gute Synchronisationsgrade mit positiven technisch-ökonomischen Ergebnissen in der Verfahrensführung erreichte

In beiden Beispielen wurde unabhängig von der Betriebsweise ständig aus beiden Permentoren kontinuierlich Produktstrom entnommen und vereinigt· Auf diese V/eise wurden trotz stark unterschiedlicher Prozeßführung in den beiden Permentoren nahezu konstante Produktmengen und -qualitäten erhalten·

Die Lösung bietet jedoch auch den Vorteil, daß bei getrennter ProduktStromaufarbeitung gezielt unterschiedliche Produktqualitäten erhalten werden können·

Die erzielten Verbesserungen in der spezifischen Kohlenstoffnutzung und in der biologischen Leistungsfähigkeit lagen in der Größenordnung zwischen 4 und 8 %·

Claims (1)

1. 23U29

   Erfindungsanapruch

   Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung partiell a.ynchroniaierter Mikroorganismenkulturen, dadurch gekennzeichnet, daß die Züchtung in mindestens zwei Permentoren gleichzeitig durchgeführt wird, wobei die Maßnahmen zur partiellen Synchronisation in den einzelnen Permentoren zeitlich gesteuert werden, daß die aus dem Synchronisationseffekt resultierenden Oszillationen der Zellwachstumsphasen in jeweils zwei Permentoren um eine halbe Wellenlänge verschoben sind und/oder daß sich jeweils mindestens zwei Permentoren entgegengesetzt entweder im Minimumangebot an Kohlenstoffquelle oder Kohlenstoffquellenangebotüberschuß befinden, daß dabei mindestens zwei Permentoren im Austausch an Mikroorganismensuspensionen stehen können, wobei die s.ynchronisationaaualöaenden oder - verstärkenden Einwirkungen auf dem Weg der Mikroorganismensuspension von einem zum anderen Fermentor.vorgenommen bzw. durch den Austausch ausgelöat werden und die Menge an zwischen den Permentoren ausgetauschter Mikroorganismensuspension zwischen Null und dem vollständigen Austausch variiert werden kann·