DD250721A1 - Verfahren zur mikrobiellen herstellung von xanthan - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur mikrobiellen Herstellung von Xanthan durch nitratutilisierende Staemme von Xanthomonas campestris. Bekannterweise scheiden diese Staemme bei Verwendung von Hexosen oder Hexosen bildenden Kohlehydrate bei 30C unter Ruehrung und Belueftung bei einem p H-Wert von 7,5 Xanthan in das Medium aus. Die ingenieurtechnische Beherrschung dieser bekannten Verfahren bereitet aber, auf Grund der hohen Viskositaet des Fermentationsmediums grosse Schwierigkeiten. Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man bei kurzen Fermentationszeiten und einem geringen Energieeintrag hohe Ausbeuten an Xanthan gewinnt. Aufgabe der Erfindung ist es eine Messgroesse zu ermitteln, mit der es moeglich ist, die Energieeintragsleistung zu steuern. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass als Messgroesse der aktuelle p H-Wert verwendet wird und ueber eine Standard p H-Regelung, die mit einer Impulssteuerung gekoppelt ist, eine Veraenderung der Ruehrerdrehzahl bewirkt wird. Durch diese Massnahme steigt der p H-Wert wieder in den vorgegebenen Bereich und man erzielt einen optimalen Verlauf der Fermentation mit kurzen Produktionszeiten und hohen Ausbeuten an Xanthan.
Description
Das Exopolysaccharid Xanthan wird in bekannterweise durch eine aerobe, sterile Fermentation in Bioreaktoren hergestellt, wobei eine intensive Rührung, eine gute Durchmischung und ein ausreichender Sauerstoffeintrag ermöglicht werden muß. (Magarites, A. und Zajic, J.E., Biotechnol. Bioeng. 1978, XX, 939-1001).
Bewährt hat sich die satzweise Fermentation. Kontinuierliche Verfahren bereiten durch die Aufspaltung der Kultur bei längerem Betrieb oft Schwierigkeiten (Silman und Rogovin, P., Biotechnol. Bioeng. 1972,14, 23-31), wenngleich Bemühungen bekannt geworden sind, stabile Stämme zu selektieren (US 4418145).
Bekannterweise werden Stämme von Xanthomonas cempestris eingesetzt, die bei Verwendung von Hexosen oder Hexosen bildenden Kohlehydraten bei 3O0C unter Rührung und Belüftung bei einem pH = 7,5 Xanthan in das Medium ausscheiden. Dabei werden Ausbeuten von 60 bis 75% erreicht (DD-PS 121 954).
Die ingenieurtechnische Beherrschung dieser bekannten Verfahren bereitet jedoch durch die hohe Viskosität der Fermentationslösung große Schwierigkeiten. Mit steigender Viskosität treten in Bioreaktoren nahezu unvermeidbare stehende Zonen auf, in denen andere pH-Verhältnisse und Gelöstsauerstoffkonzentrationen herrschen als in den bewegten Zonen des Reaktors. Diesen Nachteil kann man durch eine Steigerung des Energieeintrages, indem man die Rührerdrehzahl erhöht, zum Teil umgehen. Eine Steuerung der Energieeintragsleistung kann aber nur empirisch erfolgen, da eine spezielle Meßgröße bisher nicht bekannt ist. Das führt dazu, daß entweder ein zu niedriger oder ein zu hoher Energieeintrag erfolgt, was besonders im letzterem Falle die Neigung des Mediums zum Schäumen unterstützt (DD-PS 147531).
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man bei kurzen Fermentationszeiten und einem geringen Energieeintrag hohe Ausbeuten an Xanthan erzielen kann.
Um einen optimalen Verlauf der Fermentation mit kurzen Produktionszeiten und hohen Ausbeuten zu realisieren, ist es erforderlich, einen konstanten pH-Wert von etwa 7,5 und eine Gelöstsauerstoffkonzentration von 20% der Luftsättigung einzuhalten.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Meßgröße zu ermitteln, mit der es möglich ist, die Energieeintragsleistung zu steuern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der aktuelle pH-Wert als Meßgröße verwendet wird und über eine Standard-pH-Regelung, die mit einer Impulssteuerung gekoppelt ist, die Rührerdrehzahl verändert wird. Bei jedem Absinken des pH-Wertes vom vorgegebenen Wert, wird durch einen Steuerimpuls die Rührerdrehzahl um einen festen Betrag erhöht, wobei durch eine Verzögerungsschaltung die Trägheit des Systems berücksichtigt wird. Bei dem von uns verwendeten optimierten Medium steigt durch diese Maßnahme der pH-Wert wieder in den vorgegebenen Bereich und man erzielt einen optimalen Verlauf der Fermentation mit kurzen Produktionszeiten und hohen Ausbeuten an Xanthan.
Durch die Anpassung der Rührerdrehzahl an den Zustand des Wachstums der Kultur wird ein gleichförmiges Wachstum mit gleichzeitiger Produktionsbildung erreicht, sowie ein Schäumen der Fermentationsflüssigkeit weitestgehend vermieden.
Gleichzeitig werden erhebliche Mengen an Neutralisationsmitteln, die bei den bekannten Verfahren erforderlich sind, eingespart.
Darüber hinaus ist eine wesentliche Einsparung an Elektroenergie zu verzeichnen, da durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise nur die unbedingt notwendige Elektroenergie für die Rührung aufgewendet wird. Die Qualität des Xanthans wird durch den geringeren Salzgehalt im Medium positiv beeinflußt.
In den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert:
Der Stamm Xanthomonas campestris 2 P wurde auf einem Medium folgender Zusammensetzung kultiviert: 2,0g Glucose in 100ml destilliertem Wasser lösen (Lösung 1) 2g NaNO3
2g Hefeautolysat „BRAMSCH" 6-6,5% N 0,5g MgSO4 0,1gKCI 1,OgKH2PO4 und
0,01 g FeSO4in ca. 500ml Leitungswasser lösen (Lösung 2).
Beide Lösungen werden getrennt sterilisiert, danach vereinigt und auf 1 000ml aufgefüllt.
Die Vorkultür wurde auf diesem Medium aus Abimpfungen vom Schrägagarröhrchen in 500 ml gezahnten Schüttelkolben, gefüllt mit 100ml Medium durchgeführt (Rotationsschüttler 190U min"1). Die Fermentation erfolgte mit dem gleichen Medium. Lösung I enthielt jedoch 3,0 g Zucker in 100 ml. Verwendet wurde ein 161 Fermentor mit einem großflächigen Flug el rührer, der mit 101 Medium gefüllt wurde. Die Animpfung erfolgte mit vereinigten Schüttelkolben im Verhältnis 1:20. Die Animpfkolben hatten einenTitervon 2-4 x 101cZellen ml"1.
Der pH-Wert der Lösung betrug pH = 8,0. Die Rührung war auf η = 600U min"1 eingestellt.
Nach ungefähr 6 Stunden begann das Wachstum, das sich durch einen Abfall des pH-Wertes bemerkbar machte. Die pH-Messung regulierte die Steigerung der Rührerdrehzahl. Nach jeder Drehzahlerhöhung verschob sich der pH-Wert wieder auf den für die Fermentation vorgewählten Wert von 7,5.
Nach 18 Stunden setzte die Xanthanbildung ein, nach 34 Stunden betrug die Rührerdrehzahl 1 600UmIn"1 und war damit an die systembedingte ,Grenze angelangt. Die Viskosität betrug zu diesem Zeitpunkt 6000 mPas die acetonfällbare Substanz 1,7%, die Zuckerkonzentration 1,3%. Daraus errechnet sich eine Ausbeute von 75%. Nach einer Gesamtfermentationszeit von 50 Stunden war gleichzeitig das Biomassewachstum beendet und der Zucker ausgezehrt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Endviskosität 10100mPas (D = 3,0s"1). Die acetonfällbare Substanz wurde zu 2,12% bestimmt. Es errechnete sich eine substratbezogene Gesamtausbeute von 67%
Die notwendige Elektroenergie für die Gesamtzeit der Fermentation wurde im verwendeten System zu 1,7 kW gemessen.
Entsprechend dem Beispiel 1 wurde mit gleichen Medien und im gleichen Fermentor jedoch ohne die Einrichtung zum Regulieren der Drehzahl gemessen. Diese betrug zum Beginn der Fermentation gleichfalls 600U min"1, wurde jedoch von Hand und nach den Erfahrungen gesteigert. Es kam zu Säuerungsperioden, bei denen 120 ml Lauge (20% NaOH) zur Aufrechterhaltung des pH-Wertes verbraucht wurden.
Die Fermentation wurde nach der Auszehrung des Zuckers beendet, dieser Zeitpunkt wurde nach 67 Stunden erreicht. Die Endviskosität betrug 9650mPas (D = 3,0 s"·1). Es errechnete sich eine Ausbeute von 59% aus einer acetonfällbaren Substanz von 1,9%. Die für den Versuchszeitraum verwendete Elektroenergie wurde zu 2,4kW gemessen.
Claims (1)
- Verfahren zur mikrobiellen Herstellung von Xanthan unter Verwendung von Hexosen oder hexosenbildenden Kohlehydraten als Kohlenstoffquelle unter Rührung und Belüftung, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für die Steuerung der Rührerdrehzahl, der aktuelle pH-Wert verwendet wird und die Steuerungüber eine Impulssteuerung durch eine Standard-pH-Regelung erfolgt.Anwendungsgebiet der ErfindungDie Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiellen Polysaccharidbildung und bezieht sich auf die Herstellung des - Exopolysaccharids Xanthan durch nitratutilisierende Stämme von Xanthomonas campestries.
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