DD226902A1 - METHOD FOR THE TARGETED INFLUENCE OF THE DRIVING OF MICROBIAL PROCEDURES - Google Patents

METHOD FOR THE TARGETED INFLUENCE OF THE DRIVING OF MICROBIAL PROCEDURES Download PDF

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Joachim Malzahn
Gisela Brandtstaedter
Hans-Frieder Listewnik
Klaus Sobek
Juergen Langner
Liebtraud Birke
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Akad Wissenschaften Ddr
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  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erarbeitung von Fuehrungsgroessen zum Betrieb von Verfahrensstufen zur Erzeugung und Aufarbeitung von Mikroorganismen. Ziel der Erfindung ist die gezielte Beeinflussung des technischen Prozesses in bezug auf die Erzeugung von Produkten mit bestimmten gewuenschten Eigenschaften, z. B. Proteingehalt, Extrahierbarkeit. Erfindungsgemaess wird dies dadurch erreicht, dass eine Saeure-Basen-Titration durchgefuehrt wird und aus der Titrationskurve die gewuenschten Groessen berechnet werden, die - bei Kenntnis der Beziehungen zu den Zielgroessen - selbst zur Fuehrungsgroesse werden bzw. in diese eingehen.The invention relates to a method for the preparation of Fuehrungsgroessen for the operation of process stages for the production and processing of microorganisms. The aim of the invention is the targeted influencing of the technical process with respect to the production of products with certain desired properties, eg. B. Protein content, extractability. According to the invention, this is achieved by carrying out an acid-base titration and calculating the desired sizes from the titration curve, which-if the relationships to the target quantities are known-themselves become the lead quantity or enter into it.

Description

-2- 670-2- 670

Ausführungsbeispielembodiment

Nach Korrektur der primären Meßdaten (pH-Wert, Verbrauch an Titrationslösung) wird aus der Meßwertfolge, die dem produktspezifischeo Titrationslösungsverbrauch entspricht, bei einem vorgegebenen pK-Wert die Zahl η der vorhandenen Reaktionspartner berechnet.After correcting the primary measurement data (pH value, consumption of titration solution), the number of η of the existing reaction partners is calculated from the sequence of measurements which corresponds to the product-specific titration solution consumption at a given pK value.

Tabelle 1 Abhängigkeit der Zahl der vorhandenen Reaktionspartner vom pH-Wert des Fermenters pH-Wert im Fermenter 4,1 4,3 4,4 4,7Table 1 Dependence of the Number of Reactants Available on the pH of the Fermenter pH in the fermenter 4.1 4.3 4.4 4.7

η in 10'° H3O+/Zelle 3,1 2,2 1,7 1,4η in 10 '° H 3 O + / cell 3.1 2.2 1.7 1.4

Wie Tabelle 1 zeigt, besteht eine Abhängigkeit zwischen Fermentations-pH und der gefundenen Zahl der Reaktionspartner, deren pK = 2,5 ist, auf der Zelloberfläche bzw. in oberflächennahen Bereichen. In erster Näherung ist also die Erzeugung von Mikroorganismen mit definierten Oberflächeneigenschaften, hierz. B. durch pH-Regelung erreichbar.As Table 1 shows, there is a dependency between fermentation pH and the number of reactants found, whose pK = 2.5, on the cell surface or in near-surface areas. In a first approximation, therefore, is the production of microorganisms with defined surface properties, hier. B. achievable by pH control.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, welche qualitativen Veränderungen bei wesentlichen Eingriffen beobachtet werden:Table 2 shows the qualitative changes observed during major procedures:

Tabelle 2 pK-Wert vor und nach Denaturierung im pH-Bereich von 2,2 bis 4,0 nativ pK= 2,7 ±0,1 3,3 + 0,1Table 2 pK value before and after denaturation in the pH range from 2.2 to 4.0 natively pK = 2.7 ± 0.1 3.3 + 0.1

denaturiert pK 2,3 + 0,1 2,7 + 0,1 3,3 ±0,1denatured pK 2.3 + 0.1 2.7 + 0.1 3.3 ± 0.1

Auch hier ermöglicht die Berechnung der Zahl der Reaktionspartner bei den pK-Werten eine Einschätzung und weiter die Steuerung des Eingriffs.Again, the calculation of the number of reaction partners in the pK values allows an assessment and further control of the procedure.

Claims (6)

1. Verfahren zur gezielten Beeinflussung der Fahrweise mikrobieller Verfahrensstufen bzw. der Aufarbeitung von Mikroorganismen, beispielsweise der Erzeugung mikrobieller Futtermittel, sowie zur Charakterisierung mikrobieller Produkte, vorzugsweise der Oberfläche von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Aufnahme und Auswertung der Säure-Basen-Titrationskurve einer aufbereiteten Probe eine qualitative und quantitative Charakterisierung der Probe erfolgt und diese Charakterisierungsgrößen, wegen ihrer Beziehung zu Zielparametern des Prozesses, als Führungsgrößen in Teilstufen bzw. Teilstufen mit vergleichbarer Aufgabe bzw. des Gesamtprozesses genutzt werden.1. A method for selectively influencing the procedure microbial process stages or the processing of microorganisms, such as the production of microbial feed, and for the characterization of microbial products, preferably the surface of microorganisms, characterized in that by recording and evaluation of the acid-base titration curve of a a qualitative and quantitative characterization of the sample is carried out and that these characterization variables, because of their relationship to the target parameters of the process, are used as reference variables in sub-stages or sub-stages with a comparable task or the overall process. -1- 670-1- 670 Erfindungsansprüche:Invention claims: 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakterisierung durch die pK-Werte, d. h. durch die Wendepunkte in der Titrationskurve erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the characterization by the pK values, d. H. through the turning points in the titration curve. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakterisierung durch die quantitative Auswertung der Titrationskurve erfolgt.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the characterization is carried out by the quantitative evaluation of the titration curve. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakterisierung durch Titration zwischen festgelegten pH-Werten erfolgt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the characterization is carried out by titration between predetermined pH values. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hin- und Rücktitrationskurve bzw. die aus beiden zu konstruierende Hysteresekurve zur Gewinnung der Führungsgröße genutzt wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the outward and Rücktitrationskurve or from both to be constructed hysteresis curve is used to obtain the reference variable. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titration in Form einer einmaligen Zugabe einer definierten Menge an Titrationsmittel erfolgt.6. The method according to claim 1, characterized in that the titration takes place in the form of a single addition of a defined amount of titrant. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Beeinflussung der Fahrweise mikrobieller Verfahrensstufen zur Erzeugung und Aufarbeitung von Mikroorganismen bis zum Endprodukt auf der Grundlage der Charakterisierung des jeweiligen Zustandes der Mikroorganismen bzw. des Produktes.The invention relates to a method for selectively influencing the mode of operation of microbial process stages for the production and processing of microorganisms up to the end product on the basis of the characterization of the respective state of the microorganisms or of the product. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Die bekannten Methoden zur Optimierung mikrobieller Verfahrensstufen beruhen auf der Erfassung schnell bestimmbarer Milieufaktoren, z. B. pH-Wert, pO2-Wert, Konzentration der Nährzusätze und Hilfsstoffe, der Abgasanalyse und dem daraus berechenbaren Stoffumsatz. Aus diesen Informationen wird die Dosierung der entsprechenden Stoffströme abgeleitet (Rotenburger Symposium 1978: Fermentationstechnik, Firma B. Braun, Melsungen AG, Vortrag L. Nyeste u. a., Seite 141; DD-10 006; DD-159 011; SU-791 771). Weitere Möglichkeiten, die für die Charakterisierung des Zustandes von Mikroorganismen genutzt werden, sind die Messung der elektrophoretischen Beweglichkeit (DE-OS-1 642 821; DD-160 012; GB-2 054 839; SU-911 294; Huber und Werner in vt „Verfahrenstechnik" 17 [1983] 1:19-22), die Fluoreszenz- und Lumineszenzanalyse nach erfolgter Adsorption geeigneter Stoffe an der Zelloberfläche (GB-2 116 712; GB-2 095 830; SU-951 112), die spektrophotometrische Untersuchung von Zellbestandteilen, z. B. Cytochrom (DD-154 449), Mikroorganismen-Nachweis über die Biolumineszenz von Adenosintriphosphat nach Zellzerstörung (GB-2 116 709), Proteinanteil (DE-AS-2 365796).The known methods for optimizing microbial process stages are based on the detection of quickly determinable environmental factors, eg. B. pH, pO 2 value, concentration of the nutrient additives and excipients, the exhaust gas analysis and the calculated from this material conversion. From this information, the dosage of the corresponding streams is derived (Rotenburger Symposium 1978: fermentation technology, B. Braun, Melsungen AG, lecture L. Nyeste et al., Page 141, DD-10 006, DD-159 011, SU-791 771). Further possibilities which are used for the characterization of the state of microorganisms are the measurement of the electrophoretic mobility (DE-OS-1 642 821, DD-160 012, GB-2 054 839, SU-911 294, Huber and Werner in vt "Verfahrenstechnik" 17 [1983] 1: 19-22), the fluorescence and luminescence analysis after adsorption of suitable substances on the cell surface (GB-2 116 712; GB-2 095 830; SU-951 112), the spectrophotometric examination of Cell components, eg cytochrome (DD-154 449), microorganism detection via the bioluminescence of adenosine triphosphate after cell destruction (GB-2 116 709), protein portion (DE-AS-2 365 79 6). Neben der schon genannten Untersuchungsmöglichkeit mittels Lichtmikroskop, ergänzt durch spezifische Anfärbereaktionen, sind weiterhin die verschiedenen elektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden bekannt, die derzeit die ergiebigste Informationsquelle über den Zustand eines Mikroorganismus darstellen, aber auch sehr aufwendig sind.In addition to the already mentioned investigation possibility by means of light microscope, supplemented by specific staining reactions, the various electron microscopic examination methods are still known, which currently represent the most fertile source of information about the state of a microorganism, but are also very expensive. Zu den bekannten Untersuchungsmethoden von Struktureinheiten der Mikroorganismen zählen die Aussagen über die Zellmembran nach erfolgter Adsorption und Fluoreszenz (SU-1 010 126). Bekannt sind auch die Titration von Zellen ohne weiterreichende Auswertung und Nutzung der Ergebnisse (DD-137 149), ergänzbar durch spektrofotometrische Einrichtungen/Untersuchungen (SU-924 566; SU-951 112).Among the known methods of investigation of structural units of microorganisms include the statements about the cell membrane after adsorption and fluorescence (SU-1 010 126). Also known are the titration of cells without further evaluation and use of the results (DD-137149), supplemented by spectrophotometric devices / investigations (SU-924 566, SU-951 112). Des weiteren sind auch die Zusammenhänge zwischen der Titrationskurve einer Hefekultur und dem physiologischen Zustand der Hefeprobe bekannt. Da als Titrationsmittel Ammoniaklösung, die gleichzeitig Substratfunktion besitzt, eingesetzt wird, sind diese Aussagen komplexer Natur. Eine Prozeßsteuerung auf dieser Grundlage wird nicht durchgeführt (C. A.-Zitat 100/1/4767m nach Gidroliz. Lesokhim. Prom-st. 1983 (6) 5-7).Furthermore, the relationships between the titration curve of a yeast culture and the physiological state of the yeast sample are known. Since ammonia solution, which simultaneously has substrate function, is used as the titration agent, these statements are complex in nature. Process control on this basis is not performed (C.A., cit., 100/1 / 4767m after Gidroliz, Lesokhim, Prom. 1983 (6) 5-7). Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das die Bestimmung charakteristischer Größen, vorzugsweise Oberflächeneigenschaften, von Mikroorganismen bzw. der aus ihnen im Verlauf des Verarbeitungsprozesses entstehenden Produkte sowie die Nutzung dieser Charakterisierungsgrößen als Führungsgröße für die Prozeßsteuerung nach Korrelation mit Produkt-Zielparametern ermöglicht.The aim of the invention is a method which allows the determination of characteristic quantities, preferably surface properties, of microorganisms or the products resulting therefrom in the course of the processing and the use of these characterization variables as a reference variable for the process control after correlation with product target parameters. Aufgabe der ErfindungObject of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zur Bestimmung von Charakterisierungsgrößen zu entwickeln, die wesentliche Eigenschaften des Untersuchungsobjektes erfaßt.The invention has for its object to develop a method for the determination of characterization parameters, which detects essential properties of the examination object. Merkmale der ErfindungFeatures of the invention Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die das Untersuchungsobjekt, vorzugsweise Mikroorganismen, wie Hefen, enthaltende Probe einer Trennoperation unterzogen wird und, gegebenenfalls nach einer objektabhängigen Reinigung, in CO2-freiem Wasser in standardisierten Mengenverhältnissen suspendiert und nachfolgend einer Säure-Basen-Titration unterzogen wird. Die erhaltene Titrationskurve liefert die gewünschten Charakterisierungsgrößen, wie die pK-Werte der titrierten funktionellen Gruppen, die Zahl der pro Gruppe vorhandenen Reaktionspartner und weitere aus der mathematischen Behandlung/Abteilung/Integration der Titrationskurve/n gewinnbare Größen, z. B. Flächen der Hysteresekurve. Zweckmäßigerweise kann die Charakterisierung durch eine quantitative Auswertung der Titrationskurve bzw. durch eine Titration zwischen festgelegten pH-Werten erfolgen. Auch die Titration in Form einer einmaligen Zugabe einer definierten Menge an Titrationsmittel ist möglich.According to the invention this is achieved in that the sample containing the object to be examined, preferably microorganisms, such as yeast, subjected to a separation operation and, optionally after an object-dependent purification, suspended in CO 2 -free water in standardized proportions and subsequently subjected to acid-base titration becomes. The obtained titration curve provides the desired characterization quantities, such as the pK values of the titrated functional groups, the number of reactants present per group and further quantities obtainable from the mathematical treatment / division / integration of the titration curve (s), eg. B. areas of the hysteresis curve. Conveniently, the characterization can be carried out by a quantitative evaluation of the titration curve or by a titration between fixed pH values. Titration in the form of a single addition of a defined amount of titration agent is also possible. Diese Charakterisierungsgrößen erhalten, in Verbindung mit den Zielgrößen des Teil- bzw. Gesamtprozesses, die Eigenschaft von Führungsgrößen/Zielgrößen für die Steuerung des technologischen Prozesses auf einer qualitativ höheren Stufe.These characterization variables, in conjunction with the target variables of the partial or overall process, obtain the property of reference variables / target variables for controlling the technological process at a qualitatively higher level.
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