DD215332A1

DD215332A1 - Verfahren zur quantitativen oder partiellen sedimentation von mikroorganismen

Info

Publication number: DD215332A1
Application number: DD25069383A
Authority: DD
Inventors: Heinz Boehm; Steffen Buerger; Frank Benkwitz
Original assignee: Paedagogische Hochschule Wolfg
Priority date: 1983-05-06
Filing date: 1983-05-06
Publication date: 1984-11-07

Abstract

Die Erfindung "Verfahren zur quantitativen oder partiellen Sedimentation von Mikroorganismen" bezieht sich auf die Biomasseproduktion schwer aus ihren Medien abtrennbarer Mikroorganismen der verschiedensten Anwendungsgebiete und ist damit ein Verfahren der Biotechnologie. Sie verfolgt das Ziel, fuer diese Mikroorganismen ein in jeder Dimension praktikables Sedimentationsverfahren zu empfehlen, das bei geringem Aufwand die quantitative oder aber partielle Abtrennung der Organismen von ihrem Medium erlaubt, ohne ihren organismischen Charakter einerseits und den Charakter des Mediums andererseits entscheidend zu veraendern. Die Erfindung basiert auf der Applikation von Kalziumionen bei pH-Werten ueber 6 bei solchen Organismensuspensionen, wobei die Organismen rasch aggregieren und als Organismenflocken dann sedimentieren. In Abhaengigkeit von der eingebrachten Menge an Kalziumionen laesst sich die Sedimentation quantitativ oder partiell realisieren.

Description

Verfahren zur quantitativen oder partiellen Sedimentation von Mikroorganismen '

Anwendungsgebiet der Erfindung

Mikrobielle Biomasseproduktion, Lebensmitteltechnologie, Brauwesen, Pharmazie, chemische, biochemische, biologische Laboratorien, Biotechnologie

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Mikroorganismen lassen sich zum Zwecke der Biomasseproduktion oder zur Gewinnung ihrer spezifischen Stoffwechselprodukte in wässrigen ein- oder mehrphasigen Flüssigkeitssystemen kultivieren· Im technologischen Prozeß ebenso wie im Laboratorium ist.ihre quantitative Abtrennung kontinuierlich oder diskontinuierlich erforderlich, um die gewünschte Biomasse zu erhalten bzw· das zu gewinnende Stoff-Wechselprodukt von seinem Produzenten' zu sondern· Zahlreiche Verfahren sind in der Lage, diese Aufgabe zu erfüllen· So lassen sich die Mikroorganismen über kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitende Zentrifugen vom Medium trennen, durch Filterung gewinnen, durch Flockung mit Aluminiumsulfat sedimentieren, durch Flotation aufschäumen, mittels Biohydrolysaten konzentrieren· Handelt es sich jedoch um sehr kleine Mikroorganismen, die sich

zudem noch als besonders produktiv erwiesen haben, so führen die genannten Verfahren in der Regel zu unbefriedigenden Ergebnissen bzw. versagen ganz· So lassen sich für coccale Grünalgen und für mittlere und'kleinste Bakterien keine Durchlaufzentrifugen mehr verwendet· Diskontinuierliches Zentrifugieren ist zwar möglich, erfordert aber höchste Umdrehungsgeschwindigkeiten und beschränkt sich dann auf kleine Suspensionsmengen· Daraus ergibt sich ein rapider Kostenanstieg bei wachsender Störanfälligkeit der hochbelasteten technischen Systeme·

formale Filter vermögen Partikelchen mit Pur σ hme Eiseipn unter 15/WUiCbI; web* »Wptfofcft^iaiteb· Spezialfilter, wie" · _; z· B· Membranfilter, eignen sich dazu, sind jedoch entsprechend teuer, anspruchsvoll in der Handhabung und auf kleine Suspensionsmengen beschränkte Die Plockung mit Aluminiumsalzen sedimentiert kleinste Partikelchen nicht mehr quantitativ· Zudem ist die so ausgeflockte Biomasse mit einem hohen Salzanteil belastet· Er laßt sich zwar durch Säurebehandlung des Sediments herauslösen, was jedoch zusätzliche Arbeitsgänge und einschneidende Veränderungen des biologischen Materials zur Folge hät_o Die Flotation gestattet zwar das Aufschäumen kleinster Partikelchen, arbeitet aber ebenfalls nicht quantitativ und bringt das biologische Material verfahrensbedingt mit hydrophoben Chemikalien und Detergentien für die Schaumbildung in Kontakte Durch die in den Patentschriften DD 129 622, DD 145 279 und DE-OS 2 Ο63939 vorgeschlagenen Verfahren lassen sich suspendierte Teilchen zwar sedimentieren, jedoch stets bei Einsatz von 2 oder mehreren Substanzen und einer dazu erforderlichen pH-Regulierung durch weitere Agenzien· Offensichtlich ist also, daß für die Separation kleinster Organismen mit Zelldurchmessern unter 15/un und mit einem spezifischen Gewicht, das dem des Wassers ähnlich ist, quanti-

tativ arbeitende Verfahren zu ihrer Abtrennung vom umgebenden Medium, die nur eine Wirkkomponente besitzen, nicht verfügbar sind·

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, für solche Mikroorganismen, die sich mit herkömmlichen Verfahren nur unter hohen Aufwendungen oder bei Beeinträchtigung ihrer Biomasse vom umgebenden Medium abtrennen lassen, eine Verfahrensweise zu empfehlen, die bei geringstem Aufwand eine quantitative Sedimentation des biologischen Materials ermöglicht, das Material bis hin zu seiner organismischen Natur nicht belastet, verfälscht oder verändert und das von den Mikroorganismen zu trennende Medium nur unwesentlich und deshalb leicht korrigierbar beeinflußt·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzustellen, das bei Einsatz einer geringen Chemikaliendosis einer einzigen Substanz unter definierten Bedingungen eine quantitative oder.partielle Sedimentation ansonsten schwer abtrennbarer Mikroorganismen bewirkt, ohne deren biologische Aktivität einschneidend zu beeinträchtigen, ihre organiamische Natur zu verändern, ihre stoffliche Zusammensetzung zu verfälschen und das im Überstand des Sediments verbleibende Medium irreversibel zu belasten« Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in wässrige Organismensuspensionen Kalziumionen eingebracht werden, deren Anteil maximal 5% der zu fällenden Biomasse beträgt·

Bei pH-Werten über pH 6, Normaldruck, Unterdruck oder Überdruck und Temperaturen der behandelten Suspension zwischen 5 ° und 50 ⁰C aggregieren die Zellen der Mikroorganismen-Suspension unter dem Einfluß der Kalziumionen in großer Zahl, so daß flockige Gebilde entstehen, die rasch zu Boden sinken und schließlich ein vom Medium scharf abgegrenztes Sediment bilden, das ausschließlich aus den aggregierten Organismen besteht, also keinen vom Fällungsmittel herrührenden kristallinen Sübstanzanteil enthält« Turbulenz verkleinert die entstandenen Organismenflocken zunächst, ohne sie jedoch aufzulösen· Wird die Turbulenz unterbunden, formieren sich die Flocken erneut zu großen Einheiten, deren Durchmesser mehrere Millimeter erreichen kann» Diese Flocken lassen sich sofort, aber auch nach Stunden oder sogar Tagen als Organismenschlamm abziehen oder vom überstehenden Medium über Filter geringen Anspruchs, mittels feinmaschiger Siebe oder durch langsames Zentrifugieren kontinuierlich oder diskontinuierlich abtrennen und bis zu pastöser Konsistenz konzentrieren· Der überstand ist nach Regeneration der im Kultivationsprozeß verbrauchten Nährstoffe und nach damit verbundener Korrekut des pH-Wertes erneut als Nährmedium für eine weitere Organismengeneration verwendbar·

Ausführungsbeispiele

1· Ausführungsbeispiel

Ein Unterwasser-Lichtfermentor wird zur autotrophen Kulti-νation entwicklungssynchronen Zellmaterials der Species Chlorella vulgaris, Stamm BÖHM/BORNS, 1972/1 verwendet« Nach 8 Stunden Lichtzeit und 4 Stunden Dunkelzeit enthält er 1000 1 einer vollsynchronen Autosporensuspension mit einem Trockenmassegehalt von 1 g/l und einer Autosporen-

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zahl von 10 Zellen pro cm φ Der pH-Wert des anorganisch zusammengesetzten Nährmediums beträgt 6,9, die Kultivationstemperatur 37 ⁰C* Es wird unter Normaldruck gearbeitet und mit Luft begast, die 2% CO₂ enthält. Um eine quantitative Sedimentation des Zellmaterials zu erreichen, wird der Permentor mit 50 g Kalziumionen beschickt und weiterhin belüftet· Nach 10 Minuten wird die Belüftung unterbrochen, die Sedimentation der zu Flocken aggregierten Autosporen beginnt· 20 Minuten danach bilden die ausgeflockten Zellen eine vom Medium scharf abgegrenzte Schicht im Basisteil des Permentors, die sich als Organismenschlamm gut vom Nahrmedium abtrennen läßt_e Das Nährmedium bleibt im Permentor, wird regeneriert und mit HNOo, die gleichzeitig als N-Quel-Ie dient, auf einen Start-pH-Wert von 5,4 gebracht· Der Organismenschlamm kann durch Filtern über technischem Filterpapier für grobe Niederschläge, z· B<> mit Papier der Sorte 6 MN des VEB SpezialPapierfabrik Niederschlag, DDR, oder Sorte 1406 der Firma "Schleicher und Schüll, BRD, bzw» durch Zentrifugation bei niedriger Geschwindigkeit weiter konzentriert werden, oder aber direkt durch Mischung mit kohlenhydrathaltigen Mehlen und nachfolgendem Extrudieren für Pütterungsexperimente verwendet werden· Teile des Organismenschlamms lassen sich durch Ansäuern auf einen unter 5,8 liegenden pH-Wert völlig entflocken, so daß sie erneut für KuItivationszwecke als Inokulum einsetzbar sind«

2· Ausführungsbeispiel

Zellmaterial der Species Chlorella fusca, Varietät vacuolata, wird im Unterwasser-Lichtfermentor wie im 1· Ausführungsbeiepiel synchron kultiviert, wobei jedoch die Kultivationstemperatur nur 33 ⁰C beträgt· Um während der Dunkelzeit

Atmungsverluste zu vermeiden, werden am Ende der Lichtzeit die reifen Mutterzellen, die 2 g Trockenmasse pro Liter

Zellsuspensiön erbringen, mittels Kalziumionen zur Flockung gebracht und sedimentiert· Bei einem Fermentorvolumen von 1 nr* sind dafür 100 g Ca-Ionen erforderlich. Da die Kultur einen pH-Wert von 5»7 aufweist, wird mit CaCl₂ gearbeitet «· und mittels konzentrierter NaOH der für die Flockung erforderliche pH-Wert von 7,0 eingestellt. Das geflockte und sedimentierte Zellmaterial wird wie im 1, Ausführungsbeispiel entweder konzentriert weiterverarbeitet oder aber als Organismenschi ämm unmittelbar verwendet· Damit die Regeneration der Kultur gesichert ist, wird ein entsprechender Anteil des Organismenschlamms unverändert in den Fermentor zurückgeführt und dort nach Einstellen des pH-Wertes auf 6,0 mittels HNO^ im Dunkeln wie üblich zur Sporulation gebrecht, so daß am Ende der Kultivationszeit eine intakte Autosporensuspension vorliegt, mit der ein neuer Kultivationszyklus initiiert werden kann* ·^ν ·

3β Ausführungsb.eispiel

In einem'Sonnenlicht-Kunstlichtfermentor wird die Species Scenedesmus quadricauda kontinuierlich kultiviert, wobei die optische Dichte der Zellsuspension als Leitparameter für eine dem Trockenmassezuwachs adäquate Verdünnung dient» Die quasikontinuierliche Ernte der Organismensuspension erfolgt im Rhythmus der Verdünnungsschritte und entspricht nach dem Überlaufprinzip der Menge der zur Verdünnung zugeführten nährlösung«. Da die Zellsuspension des kontinuierlich anfallenden Erntegutes einen pH-Wert von 5,7 hat, erfolgt die Flockung des Zellmaterials durch automatische Zuführung von gesättigter Kalziumlauge, die bei 20 ⁰C 1,7 g Ca(OH)₂ pro ι Liter enthält und den pH-Wert der Zellsuspension bei 10%igem Anteil in den basischen Bereich verschiebt, so daß die Flokkung des Zellmaterials sich augenblicklich vollzieht« Das ;

geflockte Erntegut kann wie in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 weiter konzentriert oder aber als lOrganismenschlamm unmittelbar verwendet werden·

4· Ausführungsbeispiel

In einem diskontinuierlich arbeitenden Permentor werden bei optimaler Sauerstoffzufuhr mittels eingestrahlter Luft Hefezellen der Species Saccharomyces cervisia bei 30 ⁰C und einem pH-Wert von 3,8 kultivierte Als Kohlenstoffquelle dient Zuckerrübenmelasse»Uach entsprechender Kultivationszeit liefern die Organismen 10 g !Trockenmasse pro Liter Zellsuspension· Durch Zuführen von 0,5 g Ca-Ionen pro Liter Zellsuspension und Modifizieren des pH-Wertes zum Neutralbereich über die verwendete Kalziumverbindung selbst oder Zusatzbehandlung mit UaOH bzw. KOH erfolgt unmittelbar die Flockung der Hefezellen und ihre rasche Sedimentation, wenn die Belüftung eingestellt ist. Die Abtrennung des Zellmaterials als Organismenschlamm und seine Weiterverarbeitung kann ähnlich erfolgen wie in den vorher skizzierten Ausführungsbeispielen·

5. Ausführungsbeispiel

Eine bei 34 ⁰C? und einem pH-Wert von 3_t 0 mit Glukose als Kohlenstoffquelle betriebene Bakterienkultur der Gattung Micrococcus wird im Dunkeln energisch belüftet, so daß nach 16 Stunden sich die Zellzahl auf 5.10^ Zellen pro cm^ erhöht hat und der Gehalt an Trockenmasse 3»4 g pro Liter beträgt· Da Micrococcus-Arten sehr kleinzellig sind und meist nur Zelldurchmesser um oder unter 1yum erreichen, lassen sie sich schlecht zentrifugieren und nur mit Membranfiltern vom Medium trennen· Deshalb wird die Zellsuspension zum

Erntetermin mit 100 ml Kalziumlauge pro Liter versetzte Dadurch erreicht die Suspension pH-Werte um 7, und die Bakterienzellen aggregieren zu Flocken, so daß sie mit geringen Drehzahlen quantitativ abzentrifugiert oder aber über weiche oder mittlere Papierfilter vom Medium abgetrennt werden können« Ihre Verwendung als Organismenschlamm ist ebenfalle möglich«

Claims

Erfind mageans prüche

Ι« Verfahren zur quantitativen Sedimentation von Mikroorganismen, gekennzeichnet dadurch, daß in wässrigen Medien suspendierte Mikroorganismen durch die Zugabe von Kalziumionen und einem pH-Wert über 6,0 zur Aggregation veranlaßt werden und auf diese Weise Flocken bilden, die dann sedimentieren, so daß man die Organismen vom umgebenden Medium entweder unmittelbar als Organismen-Schlamm oder durch Anwendung solcher Trennverfahren, die ohne dieser Vorbehandlung versagen, quantitativ abzusondern vermag, ohne ihre organismische Natur einerseits und den Charakter ihres Mediums andererseits entscheidend zu verändern·
2· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kalziumionen durch Einsatz jeder beliebigen Kalziumverbindung in gelöster, suspendierter oder fester Form verfügbar gemacht werden.
3· Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß durch Zuführung eines Bruchteils der zur quantitativen Sedimentierung von Mikroorganismen erforderlichen Kalziumionen eine partielle Sedimentation realisiert wird·
4· Verfahren nach Punkt 1, 2 und 3» gekennzeichnet dadurch, %^:f daß man den zur Sedimentation erforderlichen pH-Wert entweder durch geeignete Kalziumverbindungen allein oder durch ihre.Kombination mit basisch reagierenden flüssigen, gasförmigen oder festen Substanzen realisiert·
5· Verfahren nach Punkt 1, 2, 3 und 4_f gekennzeichnet dadurch, daß man durch entsprechende pH-Variation die von Kalzium-: ionen bewirkte Sedimentation von Mikroorganismen einmal oder wiederholt aufhebt oder praktiziert.