EP3194559A1 - Verfahren und anordnung zur fermentation - Google Patents

Verfahren und anordnung zur fermentation

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Publication number
EP3194559A1
EP3194559A1 EP15813707.5A EP15813707A EP3194559A1 EP 3194559 A1 EP3194559 A1 EP 3194559A1 EP 15813707 A EP15813707 A EP 15813707A EP 3194559 A1 EP3194559 A1 EP 3194559A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compartments
fermentation
type
dispersion medium
species
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15813707.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Gross
Michael KÖHLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Ilmenau
Original Assignee
Technische Universitaet Ilmenau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Ilmenau filed Critical Technische Universitaet Ilmenau
Publication of EP3194559A1 publication Critical patent/EP3194559A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/08—Chemical, biochemical or biological means, e.g. plasma jet, co-culture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/18—Apparatus specially designed for the use of free, immobilized or carrier-bound enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/01—Drops
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/16—Particles; Beads; Granular material; Encapsulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/38—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of metabolites or enzymes in the cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/10—Separation or concentration of fermentation products

Definitions

  • the present invention initially relates to a method for
  • the invention relates to an arrangement for
  • EP 1 203 811 A2 from US Pat. No. 9,034,632 B2, from the
  • EP 2 204 441 Bl and DE 10 2012 016 951 Al describe methods for fermentation in which starting materials or
  • Organisms are arranged separately.
  • Culture medium contained substances, so that usually only one species for each production step is used. On this basis, it is difficult to realize biotechnological syntheses that contain multi-step synthesis processes, as they occur in nature. Much of the naturally occurring microorganism is existentially dependent on metabolites of other coexisting organisms. The introduction of two or more organisms in a homogeneously operated fermenter is uncontrollable, so that a reproducible product generation is not possible.
  • the object of the present invention therefore, starting from the prior art is that known from nature
  • the inventive method is used for technical
  • a method step of the method according to the invention provides for compensating the agent providing the fermentation-exchangeable substance, whereby a plurality of
  • the fermentation-causing agent is also compacted, resulting in a plurality of compartments of a second type.
  • Compartments of the second kind are also closed volume elements according to the above explanations
  • the compartments of the first type and the compartments of the second type are arranged in a dispersion medium.
  • the dispersion medium is preferably liquid and is preferably located in an interior of a fermenter.
  • Dispersion medium preserves the compartments of the first kind and the compartments of the second kind, so that they do not dissolve and the separate volumes are preserved. Another property of the dispersion medium is that it can transport mass at least with the compartments of either species, i. H. allows mass transport into or out of the compartments of either species, with mass transfer through the dispersion medium or even directly between the compartments. In any case, the dispersion medium in the environment of the compartments offers conditions that the mass transport into or out of the compartments of at least one of the two species is possible. This may, for example, be an indirect or direct mass transport between the compartments of the first type and the compartments of the second type.
  • Compartments of the first kind or to act on a direct or indirect mass transfer between the dispersion medium and the compartments of the second kind.
  • Mass transport can be designed in both directions, so it is a mass transfer.
  • the mass transport made possible by the dispersion medium is an essential prerequisite for the course of the
  • the mass transfer includes at least the
  • the mass transfer is preferably carried out directly or indirectly between the compartments of the first kind and the compartments of the second kind.
  • Dispersion Medium Conditions for providing fermentation such that the fermentation-alterable material is converted to a fermentation product.
  • the conditions for allowing fermentation are in the dispersion medium
  • the conditions for granting fermentation are
  • Fermentation involves biological processes and / or chemical reactions and / or enzymatic reactions.
  • the fermentation takes place in the dispersion medium, which also contains the compartments of the first type in the dispersion medium and those in the dispersion medium
  • the fermentation takes place in the compartments of the first kind and / or in the compartments of the second kind.
  • the generated fermentation product is removed, for example, by removing it from the interior of the fermenter.
  • the removal can be done, for example, continuously or periodically.
  • the discharge of the generated fermentation product is removed, for example, by removing it from the interior of the fermenter.
  • Fermentation product is preferably formed by recovering the generated fermentation product or by isolating the generated fermentation product.
  • the Fermentation product is preferably from the dispersion medium or from the fermentation product containing
  • a particular advantage of the method according to the invention is that it is a biotechnical method
  • Method is the agent providing the fermentable material by a supply of the
  • Fermentation convertible substance formed formed.
  • the material convertible by fermentation is immediately provided and compartmentalized.
  • the method according to the invention is that the agent providing the fermentation-changeable substance is formed by microorganisms of a first kind which generate the substance convertible by fermentation.
  • the agent providing the fermentation-changeable substance is formed by microorganisms of a first kind which generate the substance convertible by fermentation.
  • Microorganisms of the first kind may be lysed.
  • the microorganisms of the first kind are preferably formed by living self-regenerating biocatalysts.
  • the fermentable material is preferred
  • the fermentable material can also be formed by plant components.
  • fermentable material can also be transformed by a other dispersible or soluble matter in the agent or in the dispersion medium,
  • the fermentation-causing agent is formed by an enzyme or by a catalyst.
  • the enzyme is preferably isolated.
  • the agent causing the fermentation can also be replaced by another starting material, such as. B. O 2 , CO 2 , H 2 S, CH 4 , C 2 H 4 or a solution of one of these substances may be formed.
  • the fermentation-causing agent is preferably formed by oxygen.
  • the method according to the invention is the fermentation
  • the causing agent formed by fermenting microorganisms of a second kind is formed, for example, by bacteria or by yeasts.
  • the fermentation-providing agent may also be formed by a lysate of microorganisms.
  • Microorganisms of the first kind and / or the microorganisms of the second kind are first propagated in the compartments, which can be done in particular before the realization of the fermentation.
  • the inventive Kompartimierung allows that the microorganisms of the first kind and / or the
  • Microorganisms of the second kind in the compartments multiplied can be prevented without undesirable interactions.
  • the fermentation is formed by enzymatic reactions and / or biological reactions. Such reactions allow chemoselective conversion of the by the
  • Fermentation convertible substance and a high concentration of the resulting fermentation product.
  • the fermentation is preferably formed by a hybrid synthesis, which takes place biocatalytically and chemocatalytically. It is an advantage of the method according to the invention that complex natural metabolic processes in one
  • Compartment medium of the second type of dispersion medium comprise all requirements of a chemical and physical nature which must be present at the end of the fermentation. These conditions are thus on the one hand preferably by physical quantities, such as. Temperature, gas saturation,
  • the conditions for allowing the fermentation in the dispersion medium and / or in the compartments of the first type and / or in the compartments of the second type are preferably formed by chemical parameters such as pH.
  • the material transport provided according to the invention, at least with the compartments of one of the two types, is preferably mediated by an extractive transport of ingredients via a dispersing carrier phase. This mass transport furthermore preferably takes place by means of a phase transfer process between the compartments of the first type and / or the
  • the process results in the fermentation before the formation of the fermentation product at least one intermediate product. It is a particular advantage of the method according to the invention that it is the technical realization of several stages
  • the intermediate product or the several intermediates are preferably transported into the compartments of the first type or into the compartments of the second type, whereby this transport can take place indirectly via the dispersion medium , Alternatively, the intermediate or the plurality of intermediates are preferably transported into the dispersion medium.
  • the intermediate or intermediates are preferably formed in the form of compartments of a third kind.
  • the intermediate or intermediates are preferably transported and enriched in compartments of a third type, which is indirectly via the dispersion medium
  • the compartments of the third kind thus provide means for collecting the intermediate or the
  • the several intermediates are preferably formed successively, ie in each case during successive intermediate steps, so that it is a cascade reaction that can be realized with the method according to the invention.
  • the compartments of the first type and / or the compartments of the second type are enveloped with a selective agent which controls the mass transfer between the first and second compartments
  • Dispersion medium and the compartments of the first type and / or the compartments of the second kind selectively conditional.
  • Envelopes are enveloped to selectively run off the desired fermentation, while undesirable reactions and
  • the selective agent is
  • the selective agent preferably has a selective one
  • Agent is preferably formed by a molecular weight, by a molecular size, by a polarity, by a lipophilicity or by a charge of the substance to be selected.
  • a selective transport such.
  • Detergent as preferably a phase transfer catalyst or a surfactant introduced.
  • the enveloping of the compartments of the first type and / or of the compartments of the second type with the selective means preferably takes place before arranging the
  • Process produces the fermentation product in the form of
  • Fermentation product can be converted indirectly via the dispersion medium to compartments of the fourth type and enriched, which by separating the
  • Fermentation product can be made from the dispersion medium.
  • the fermentation product is formed, for example, by an active substance or by an effect substance.
  • Fermentation product is preferred by a
  • Pharmaceutical agent formed by a dye, by a fragrance or flavor, by a lubricant, by a monomer, by a polymer, by a food or by an antibiotic. Insofar as a polymer than the
  • Steps proceed alternately in the compartments of the first kind, in the compartments of the second kind or in the compartments of another kind and the dispersion medium, which is preferably controlled by at least one catalyst.
  • the dispersion medium which is preferably controlled by at least one catalyst.
  • several stages of the cascade reaction are each controlled by one of the catalysts.
  • Fermentation product may also be formed by microorganisms.
  • the compartments of the first type and the compartments of the second type each have a volume which is preferably less than 1 cm 3 in size; more preferably less than 1 mm 3 is large.
  • the optionally formed compartments of the third type and the optionally formed compartments of the fourth type each have a volume, which is preferably less than 1 cm 3 is large; more preferably less than 1 mm 3 is large.
  • the compartments of the first type and the compartments of the second type are preferably each formed by a microstructure.
  • the optionally formed compartments of the third kind and the possibly formed compartments of the fourth kind are preferably each formed by a microstructure.
  • the compartments of the first type and the compartments of the second type are preferably each formed microfluidic, d. H. There are microfluidic methods and / or
  • the optionally formed compartments of the third kind, the optionally formed compartments of the fourth kind and the optionally formed compartments of the further type are preferably each formed microfluidic.
  • the compartments of the first type are preferably each by a particle, by a multiple emulsion, by a
  • Hollow sphere formed by a gas bubble, by a capsule or by a drop, in which or in which the fermentation-converting material providing means is arranged.
  • the compartments of the second type are preferably each by a particle, by a multiple emulsion, by a
  • Hollow sphere formed by a gas bubble, by a capsule or by a drop, in which or in which the fermentation-causing agent is arranged.
  • compartments of the optionally formed third type are the compartments of the optionally formed third type.
  • emulsions through a hollow sphere, through a gas bubble, are formed by a capsule or by a drop, in which or in which the intermediate product is arranged.
  • the compartments of the possibly formed fourth type are the compartments of the possibly formed fourth type.
  • Multiple emulsion are formed by a hollow sphere, by a gas bubble, by a capsule or by a drop, in which or in which the fermentation product is arranged.
  • the compartments of the first type and the dispersion medium preferably form an emulsion. Also, the compartments of the second type and the dispersion medium preferably form an emulsion.
  • the droplets forming the compartments of one or more of the named species are preferably each
  • the droplets forming the compartments of one or more of the named species are preferably each surfactant-stabilized.
  • the surface of the droplets forming the compartments of one or more of the named types preferably consists of a medium which is not water-permeable, while the
  • Dispersion medium consists mainly of water.
  • the particles forming the compartments of one or more of the named species are preferably each by a
  • Gel particles formed by a polymer particle or by an inorganic particle are preferably each formed by a liquid drop, which is enveloped by a further agent, which contains a
  • the enveloping further agent is preferably liquid, solid or gel-like.
  • the individual compartments of at least two of the several species are arranged together in a compartment of a higher order, so that a hierarchical
  • Topology is formed.
  • the ⁇ is formed.
  • the ⁇ is formed.
  • Compartments of two of the several species can be formed by one drop, wherein the two drops are arranged together in a larger drop, so that a drop-in-drop arrangement is formed.
  • the compartments of one or more of the species are microfluidic
  • the dispersion medium allows for direct or indirect transport of a substance which is itself
  • the fermentation product to one of
  • Intermediates may be the fermentation-causing agent or the fermentation-alterable agent.
  • the substance may be dissolved or undissolved.
  • Transportation may be due to chemical reactions and / or based on physical processes.
  • the substance to be transported can, for. B. be formed by oxygen or carbon dioxide.
  • the dispersion medium further preferably allows one
  • Dispersion medium further preferably allows a
  • the inventive method preferably further comprises a step in which at least one further the
  • Fermentation causing agent is compartimated, creating a variety of compartments of a fifth species and possibly other species.
  • the compartments of the fifth type and optionally the compartments of the other species are arranged in the dispersion medium.
  • Dispersion medium also preserves the compartments of the fifth species and possibly the compartments of the other species.
  • Embodiments of the method according to the invention can in particular be carried out technically complex fermentations with, for example, in several stages of the fermentation required funds.
  • the further fermenting agent is preferably formed by an enzyme or by a catalyst.
  • an enzyme for example, two different types of
  • the further fermentation-causing agent is preferably formed by a gaseous substance, such as 0 2 , CO 2 , H 2 S, CH 4 , C 2 H 4 or a solution of one of these substances.
  • the further fermentation-causing agent is preferred by Formed oxygen.
  • the further fermentation-causing agent is alternatively preferred by a fermentation limiting agent, such as. B. by phosphate ions or by a phosphate ion releasing agent, such as. B. phytic acid formed.
  • the further fermenting agent is preferably constituted by microorganisms of a third kind which are required for culturing the microorganisms of the first kind and / or the microorganisms of the second kind. In this case, co-cultures are preferably formed.
  • Microorganisms of the third kind are preferably fermenting.
  • the microorganisms of the first kind and the microorganisms of the second kind are combined in the compartments of the first kind, in the compartments of the second kind or in the compartments of the third kind.
  • Dispersion medium controlled by a change in the temperature of the dispersion medium, by a photochemical influence of the dispersion medium or by acting on the dispersion medium electric field.
  • composition of the dispersion medium is preferably carried out by adding an emulsion breaker to the respective
  • microfluidic component To unite microorganisms.
  • the described combination of microorganisms of two of the several species in the compartments of one of the species is preferably controlled by a microfluidic component.
  • the dispersion medium is preferably formed by water or by a water-immiscible medium in which preferably at least one functional substance is contained.
  • the at least one functional substance preferably comprises at least one detergent.
  • the at least one detergent is preferably by a phase transfer catalyst, by a
  • the dispersion medium is preferably a mineral oil, a silicone oil, a fluorinated solvent, an oil
  • organic solvent formed by an aqueous phase, by a polymer solution or by a combination of said substances.
  • the method comprises the step of establishing conditions for granting the fermentation in the dispersion medium and / or in the compartments of the first type in the dispersion medium and / or in the dispersion medium in the compartments of the second type at least one substep, in which the conditions are changed as a function of time or as a function of a measured variable describing the course of the fermentation. This change is preferred by a change in the temperature in the
  • composition of the dispersion medium formed preferably leads to a control of the mass transfer, a control of phase transfer processes and / or of solvent-sensitive transfer processes
  • phase transfer catalysts and / or by mediators.
  • the size describing the course of the fermentation is preferably formed by an amount or a concentration of one of the possible starting substances or intermediates or by an amount or a concentration of the fermentation product.
  • the size describing the course of the fermentation is additionally or alternatively preferably formed by a physical quantity or by a chemical quantity.
  • physical size is preferably by a temperature of the dispersion medium, by a degree of saturation of a gas, by an osmotic pressure or by an im
  • Dispersion medium occurring electric field formed is preferably formed by a pH.
  • Dispersing medium arranged.
  • the sensory compartments convert the size describing the course of the fermentation into an optically measurable signal, so that the sequence of the Fermentation descriptive size from outside the dispersion medium is measurable.
  • a method comprises the step of establishing conditions for allowing fermentation in the dispersion medium
  • Fermentation descriptive size are added to the dispersion medium.
  • the procedural step of arranging the compartments of the first type in the dispersion medium is preferably carried out by continuously feeding the compartments of the first kind.
  • the procedural step of arranging the compartments of the second type in the dispersion medium is preferably carried out by continuously feeding the compartments of the second kind.
  • the continuous feeding of the compartments of the first type into the dispersion medium is preferably carried out depending on the time and / or depending on the measured the course of the
  • Fermentation descriptive size This can be certain
  • the continuous feeding of the compartments of the second type into the dispersion medium preferably also takes place as a function of time and / or depending on the measured flow of the
  • the procedural step of establishing conditions for granting the fermentation in the dispersion medium preferably comprises at least one partial step in which some of the compartments of the first type and / or some of the compartments of the second type are dependent on the time and / or the course of the Fermentation descriptive size divided into compartment parts, for example, to remove aliquots.
  • Fermentation product preferably comprises several substeps.
  • a removal of a portion of the dispersion medium takes place with the compartments therein of the at least two types and the therein
  • Fermentation product The removal of this part is preferably carried out depending on the measured the sequence of
  • Partial step is a selection of the fermentation product from the dispersion medium or from the compartments. The selection is preferably carried out depending on the measured
  • Another sub-step is the dispersion medium
  • Fermentation product preferably also a part of the compartments of the first kind and / or a part of the compartments of the second kind selected. This selection is preferably carried out depending on the measured size describing the course of the fermentation.
  • the fermentation product is preferably continuous
  • the removal and selection takes place preferably depends on the measured the course of the
  • the compartments of the first type and / or the compartments of the second type may lose their function during the course of the fermentation because, for example, the
  • Compartments of the second kind which no longer or no longer completely possess their function as the fermentation-causing agent.
  • the described selection of compartments of the first type and / or the second type preferably takes place continuously and preferably as a function of the measured variable describing the course of the fermentation.
  • Particular, preferred embodiments of the method according to the invention qualify it to simulate a natural system.
  • it includes further steps.
  • the number of further agents each providing a fermentation-alterable agent is equal to the number of other types of compartments and is preferably at least 10; more preferably at least 100.
  • there is a Kompartimieren further effecting the fermentation agent which in each case creates a plurality of compartments of other species.
  • each of the fermentation-changeable agent-providing agent and the fermentation-causing agent is selected and measured according to a natural system.
  • the prerequisites are created that the fermentation taking place in the natural system also proceeds in the process according to the invention.
  • the exact sequence of the fermentation in particular the intermediate steps and the interactions between the one by
  • Fermentation convertible agent-providing agent and the fermentation-causing agent may not be known.
  • arranging also takes place
  • Method that is designed to simulate a natural system can also be extended to study the natural system. For this purpose, some of the means occurring in the natural system are omitted in the compartiming of the further agents each providing a material that can be converted by fermentation. Likewise, when
  • the process is repeated, then omitting other of the naturally occurring fermentation-providing agent agents and / or other agents causing the fermentation. After the fermentation has been carried out again, it is measured which of the fermentation products were then produced. From the resulting fermentation products can
  • the dispersion medium is placed in an interior.
  • the interior is preferred by a
  • Rlickkessel by a device capable of fermentation, by a capillary gap or by an arrangement of
  • the arrangement according to the invention is used for fermentation and can therefore generally be referred to as a fermenter.
  • Arrangement comprises a means for generating compartments of a first type and a means for generating
  • Compartments of a second type further comprises an interior space for receiving a
  • the arrangement comprises means for establishing conditions for allowing fermentation in the interior dispersion medium in the interior space
  • Compartments of the first kind and / or in the interior compartments of the second kind so that the convertible by fermentation material is converted into a fermentation product.
  • Another component of the arrangement is formed by a discharge for discharging the fermentation product.
  • the arrangement according to the invention is preferably designed for carrying out the method according to the invention.
  • Arrangement according to the invention is preferred for carrying out one of the preferred embodiments of the invention Process trained. Moreover, the arrangement according to the invention also has such features that are specified in connection with the method according to the invention.
  • the means for generating compartments are preferred by microfluidic components for the production of droplets, of particles, of multiple emulsions, of hollow spheres, of
  • the means for establishing conditions for providing a fermentation preferably comprises a heating and / or a cooling for granting a certain temperature in the interior.
  • the means for establishing conditions for granting a fermentation preferably comprises a device with which a degree of saturation of a gas in the dispersion medium
  • Arrangement is the discharge for discharging the
  • Fermentation product further formed for discharging the dispersion medium located in the interior.
  • the dispersion medium to be removed are the dispersion medium to be removed.
  • Compartments of the first kind, the compartments of the second kind and the fermentation product further include an associated with the discharge
  • Separating unit for separating the fermentation product from
  • Dispersion medium wherein the separation is preferably carried out depending on a measured the course of the fermentation descriptive size.
  • the separating device is preferably equipped with a sensory unit with which this size can be measured.
  • the sensory unit can alternatively or additionally also for the immediate evaluation of the
  • Dispersion medium and / or the compartments of one of the species be educated. Another component of this
  • the separation unit is preferably further designed to be those of the compartments of the first type and / or
  • Disperse dispersion medium which no longer completely have their function as a fermentation-converting agent providing agent or a fermentation-causing agent.
  • the arrangement according to the invention preferably comprises a metering unit connected to the return, which is designed to meter ingredients into the recirculated compartments.
  • Fig. 1 a schematic diagram of an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cascade reaction in a preferred embodiment of a
  • Fig. 3 a schematic representation of a stimulation at
  • Fig. 5 a schematic representation of a hybrid synthesis at
  • inventive method is a schematic representation of a targeted colaence in a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 7 a schematic representation of an enclosure at a
  • Fig. 8 a schematic diagram of a use of a
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the cascade reaction in a further preferred embodiment of a method according to the invention
  • Fig. 11 a preferred embodiment of a
  • Fig. 12 a modified embodiment of
  • Inventive arrangement for fermentation. 1 shows a schematic diagram of a dispersion medium oil according to the invention provided with compartments of a first type 02 and located therein
  • the compartments of the first species 02 contain a culture of a type 1.
  • Compartments of the second kind 03 contain a culture of a type 2.
  • Compartments of the first kind 02 and the compartments of the second kind 03 allows.
  • microorganisms 06 shown in Fig. 2 are cultured.
  • Compartments of the first type 02 and the compartments of the second type 03 are designed such that the microorganisms 06 can not pass or leave a respective compartment surface 04, which in each case represents a phase boundary.
  • Second type 03 compartments may also be loaded with isolated enzymes, lysed microorganisms, conditioned media or chemical catalysts.
  • isolated enzymes lysed microorganisms, conditioned media or chemical catalysts.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a cascade reaction in a preferred embodiment of the invention
  • Dispersion medium 01 (shown in Fig. 1) not shown.
  • Dispersion medium 01 shown in Fig. 1 not shown.
  • the compartments of the first type 02 are
  • compartments of a third species 07 are microorganisms of a third kind
  • Microorganisms of a fourth type 11 By the individual compartmentalization of the involved microorganisms 06, 08, 11 of the fermentation process, comprising stages A, B, C and D, controllable.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a stimulation in preferred embodiments of the invention
  • Microorganisms of a fifth kind 13 are
  • Microorganisms of the sixth species 14 and the seventh species 16 may share in compartments of a sixth species 17 or separately in compartments of a seventh species 18 and in
  • Compartments of an eighth type 19 may be arranged.
  • Compartments of a tenth type 23 may be arranged.
  • the Microorganisms of the sixth type 14 and the seventh type 16 excrete messengers 24, with which the microorganisms of the fifth type 13 are stimulated.
  • 4 shows a schematic diagram of a product separation in a further preferred embodiment of the invention
  • Ninth-type microorganisms 26 metabolize from stage A to stage B during a fermentation.
  • the metabolized stage B is selectively bound and / or enriched in compartments of an eleventh species 27 and thereby separated.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a hybrid synthesis in a further preferred embodiment of the invention
  • Type 29 metabolizes during a fermentation from a level A over a level B to a level C, where the
  • Transition from stage B to stage C is controlled by catalysts (not shown) in compartments of a twelfth type 31.
  • the compartimized catalysts allow a hybrid synthesis, which is chemocatalytically from stage A to stage B by enzymes biocatalytically and from stage B to stage C by chemical catalysts.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a targeted organotamic compound
  • Microorganisms of an eleventh species 33 initially multiply in compartments of a thirteenth species 34.
  • Microorganisms of a twelfth species 36 initially multiply in compartments of a fourteenth species 37. Thereafter, a targeted coalescence of the microorganisms of the eleventh species 33 and the microorganisms of the twelfth species 36 by these are timed to each other and
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a sheath 39 using the example of the compartments of the first type 02 at a
  • the envelope 39 consists of a selective
  • Fig. 8 shows a schematic representation of a reaction cascade using a catalyst in a preferred
  • Embodiment of the method according to the invention is a fermentation process, comprising stages A, B, C, starting, by way of example, in the compartments of the first type 02.
  • the reaction step from B to C is carried out using the catalyst.
  • This may be placed, for example, in the fluorinated dispersion medium 01 (shown in Fig. 1) where it selectively effects a reaction step.
  • Fig. 9 shows a schematic representation of a reaction cascade to form a polymer in a preferred
  • Embodiment of the method according to the invention is a fermentation process comprising stages A, B, C, D, E, and F, exemplified in the compartments of the first kind
  • Step F represents the polymer
  • Reaction step from B to C and the reaction step from E to F are each carried out using a catalyst.
  • the reaction cascade comprising stages A, B, C, D, E and F alternately runs in the compartments of the first type 02 and in the dispersion medium 01 (shown in Fig. 1).
  • Compartment 02 and the dispersion medium 01 (shown in Fig. 1) or another compartment run off.
  • a macromolecule is built up.
  • the exemplary process from stage A to stage F represents only an exemplary part of the repetitive one
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the cascade reaction in a further preferred embodiment of a
  • the dispersion medium 01 (shown in Fig. 1) is used in this embodiment only for the preservation of
  • Fig. 11 shows a preferred embodiment of a
  • the arrangement comprises a stirred tank 41 forming an internal space.
  • the arrangement furthermore comprises a means (not shown) for producing the compartments of the first type 02 of type A, which can be guided into the stirred tank 41 via a feed 42.
  • the stirred tank 41 is the dispersion medium 01, in which already the compartments of the second type 03 type C are introduced.
  • the compartments of the second type 03 have catalytic or stimulatory properties, so that there is a fermentation of the substance contained in the compartments of the first type 02, whereby a
  • Fermentation product of type B is produced, which in
  • Compartments of a fourth type 43 is included.
  • the Arrangement also includes a device 44, with which the dispersion medium oil with the therein contained compartments of the first, second and fourth type 02, 03, 43 can be mixed.
  • the arrangement further comprises a discharge 46, with which the compartments of the first, second and fourth types 02, 03, 43 and the dispersion medium 01 can be removed from the stirred tank 41.
  • the discharge 46 opens into a sensory unit 47, which serves to measure a size describing the course of the fermentation, and then into a separation unit 48, in which the
  • Compartments of the fourth type 43 are separated from the compartments of the first and second species 02, 03. In this way, the type B fermentation product can be selected and
  • Dispersion medium 01 can be passed in a stirred tank.
  • the compartments of the first and second types 02, 03 are preferably transported in the feed medium 42, in the discharge 46 and in the return 49 in the dispersion medium 01.
  • Fig. 12 shows a modified embodiment of
  • the embodiment shown here comprises a graduation unit 50 comprising a sensor (not shown) to which is returned
  • Compartments of the fourth type 43 of type B can be divided, resulting in Sectionkompartimente 51 arise.
  • Some of the Detailkompartimente 51 are filled with a metering unit 52 to the volume before selection and fed together with the previously discharged compartments of the first type 02 via the return 49 back to the stirred tank 41. With the embodiment shown here it is possible to selectively select compartments, aliquots of these too
  • Microorganisms 06, 08, 11 (shown in Fig. 2) and their growth as well as their metabolic conversion changes the composition of the compartments 02, 03 (shown in Fig. 1).
  • the starting composition of compartments 02, 03 (shown in
  • Fig. 1) must be based on the living conditions of the microorganisms 06, 08, 11 (shown in Fig. 2), which u. a. the maximum concentration of media components, the osmotic pressure and the pH. Thus, growth processes or metabolic production processes are due to the initial one
  • composition of the compartments 02, 03 (shown in Fig. 1) limited.
  • Type A compartments with type B compartments containing media components at a concentration outside of the living conditions of the microorganism allow, with sufficient mass transfer between them
  • Type A and B compartments improved long term culturing. If the pH changes during the
  • Type A compartments preferably added a buffer.
  • Buffer capacity in the compartments of type A is limited, since too high a salt concentration for the
  • Microorganism has a toxic or growth-inhibiting effect.
  • the osmotic pressure limits the salt concentration in media. If a compartmented mixed population is used in which the second compartment class contains a buffer system in very high concentration and to a large
  • Conditioned media can thus create the situation that a medium which is responsible for organisms of type A
  • compartmentalized approach according to the invention can be two classes of compartments in one
  • Dispersion medium can be generated.
  • Substance exchanges by addition of suitable surfactants, phase transfer catalysts or solvents to the separation phase co-culture conditions can be created, which allow a material communication between the compartments, without toxic effects of the first
  • Dispersion medium on the organisms of type B act.
  • Another non-illustrated embodiment of the invention provides a screening of multi-organism systems and a direct transfer into the inventive arrangement. It is known from genome analyzes that microorganisms have the genetic makeup, hitherto unknown
  • Embodiment of the invention for example, 100 different organisms kompartimiert and three each
  • Compartments n Ki + m K j + o K k generated in the dispersion medium are set in the same ratio as in the mixture selected in the screening.
  • the concentration in the Class A compartments is kept below the required threshold.
  • the limiting factor may also be contained in a depot form in the compartments of type B.
  • phytic acid as a phosphate source, and transported in this form in the compartments of type A.
  • Invention provides an aeration during fermentation.
  • oxygen or a metabolic gas such as CO 2 is provided in physically bound solutions.
  • the oxygen supply of fermentative processes can be realized by injecting sterile air into the fermenter.
  • z As perfluorinated liquids used, which have a high physical oxygen binding capacity.
  • the oxygen content in the separation phase is preferably controlled to be a
  • Production organism contains and a class B, a solution containing the required gas from a chemical and / or
  • the invention provides an extraction strategy according to which the extractability into the dispersion medium is ensured by an enzymatic transfer of hydrophobic components to a substrate.
  • a problem with biotechnological Production process is the isolation of the product.
  • a bacteriological production step is combined with an enzymatic reaction which alters the product in its polarity so that products are selectively enriched in a compartment class or in the carrier phase.
  • the composition of the dispersion phase is preferably timed to selectively extract products from the compartments.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Fermentation. Bei einem Schritt des Verfahrens wird ein einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellendes Mittel kompartimiert, wodurch eine Vielzahl an Kompartimenten einer ersten Art (02) entsteht. Weiterhin wird ein die Fermentation bewirkendes Mittel kompartimiert, wodurch eine Vielzahl an Kompartimenten einer zweiten Art (03) entsteht. Die Kompartimente der ersten Art (02) und die Kompartimente der zweiten Art (03) werden in einem Dispersionsmedium (01) angeordnet, welches die Kompartimente der ersten Art (02) und die Kompartimente der zweiten Art (03) bewahrt und einen Stofftransport zumindest mit den Kompartimenten der ersten Art (02) oder mit den Kompartimenten der zweiten Art (03) ermöglicht. Es werden Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation im Dispersionsmedium (01), in den Kompartimenten der ersten Art (02) und/oder in den Kompartimenten der zweiten Art (03) hergestellt, sodass der durch Fermentation wandelbare Stoff zu einem Fermentationsprodukt gewandelt wird.

Description

Verfahren und Anordnung zur Fermentation
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur
Fermentation, bei welchem ein durch Fermentation wandelbarer Stoff zu einem Fermentationsprodukt gewandelt wird. Im
Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur
Fermentation eines durch Fermentation wandelbaren Stoffes.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur
Ko-Kultivierung von Mikroorganismen unterschiedlicher Genera bekannt, z. B. aus der DE 11 2012 002 557 T5, aus der
EP 1 203 811 A2, aus der US 9,034,632 B2, aus der
DE 35 86 346 T2, aus der DE 102 08 311 AI und aus der
DE 44 10 136 AI.
Die US 2008/0241877 AI, die DE 20 2005 009 425 Ul, die
DE 10 2007 034 580 AI, die DE 297 24 255 Ul, die
DE 696 33 189 T2 und die DE 10 2014 103 213 Ul zeigen
Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen in
abgeschlossenen Volumina, die teilweise als Kompartimente angesehen werden können. Die US 2002/0164797 AI, die DE 10 2013 018 242 AI, die
DE 10 2013 114 855 AI, die WO 03/005023 A2, die
EP 2 204 441 Bl und die DE 10 2012 016 951 AI beschreiben Verfahren zur Fermentation, bei denen Ausgangsstoffe bzw.
Organismen getrennt angeordnet werden.
Weitere Verfahren zur Fermentation sind in der Dissertation von Friedrich, Andrea Sandra: „Untersuchungen zu Kultivierung, Transformation und Fermentation von Wolffia spec", Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität zu Bonn, 2005, aufgezeigt. In den Dissertationen von Hauptmann, Ulla: „Kontinuierliche Co-Kultur von Tetrahymena thermophila und Pseudomonas putida in einem Bioreaktor" Justus-Liebig-Universität Gießen, 2000 und von Schmidt, Dorothea Susanne: „Molekulare Analyse des probiotischen Stamms Escherichia coli Nissle 1917" Technische Universität Dresden, 2009 werden Verfahren zur Ko-Kultivierung verschiedener Genera in einem Flüssigfermenter vorgestellt. In dem wissensschatlichen Artikel von Yang, Hengquan et al . :
„Compartmentalization of Incompatible Reagents within
Pickering Emulsion Droplets for One-Pot Cascade Reactions" in Journal of the American Chemical Society 2015, 137, Seiten 1362-1371, ist ein Verfahren zur Realisierung von chemischen Kaskaden-Reaktionen beschrieben, bei welchem inkompatible
Ausgangsstoffe in Kompartimenten angeordnet werden;
beispielsweise in feststoffstabilisierten Tropfen, Öl-inWasser-Emulsionen oder Wasser-in-Öl-Emulsionen .
Bei den bekannten Verfahren zur Fermentation herrschen im Fermenter annähernd einheitliche Bedingungen. Alle beteiligten Mikroorganismen erfahren zu einem Zeitpunkt gleiche
Umgebungsbedingungen und gleiche Konzentrationen der im
Kulturmedium enthaltenen Substanzen, sodass zumeist nur jeweils eine Spezies für jeden Produktionsschritt zum Einsatz kommt. Auf dieser Basis ist es schwierig, biotechnologische Synthesen zu realisieren, die mehrstufige Syntheseprozesse enthalten, wie sie jedoch in der Natur vorkommen. Ein Großteil der natürlich vorkommenden Mikroorganismen hängt existenziell von Metaboliten anderer koexistierender Organismen ab. Das Einbringen von zwei oder mehreren Organismen in einen homogen betriebenen Fermenter ist aber unkontrollierbar, sodass eine reproduzierbare Produktgenerierung nicht möglich ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher ausgehend vom Stand der Technik darin, die aus der Natur bekannten
Abläufe bei einer Fermentation in einem höheren Maße technisch nachbilden zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 14.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur technischen
Durchführung einer Fermentation, wodurch insbesondere
organische Stoffe umgewandelt werden. Es ist daher mindestens ein durch Fermentation wandelbarer Stoff bereitzustellen, wofür erfindungsgemäß ein entsprechendes Mittel dient, welches diesen Stoff beispielsweise kontinuierlich bereitstellt. Ein Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel zu kompartimieren, wodurch eine Vielzahl an
Kompartimenten einer ersten Art entsteht. Bei den
Kompartimenten handelt es sich um abgeschlossene
Volumenelemente, die auch bei gegenseitigem Kontakt nicht unkontrolliert koaleszieren, sodass das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel die
Kompartimentsoberfläche, d. h. die Phasengrenze nicht
passieren kann.
Weiterhin wird ein die Fermentation bewirkendes Mittel
benötigt, um den durch Fermentation wandelbaren Stoff zu fermentieren. Erfindungsgemäß wird auch das die Fermentation bewirkende Mittel kompartimiert , wodurch eine Vielzahl an Kompartimenten einer zweiten Art entsteht. Bei den
Kompartimenten der zweiten Art handelt es sich ebenso um abgeschlossene Volumenelemente gemäß den obigen Erläuterungen In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kompartimente der ersten Art und die Kompartimente der zweiten Art in einem Dispersionsmedium angeordnet. Das Dispersionsmedium ist bevorzugt flüssig und befindet sich bevorzugt in einem Innenraum eines Fermenters. Das
Dispersionsmedium bewahrt die Kompartimente der ersten Art und die Kompartimente der zweiten Art, sodass sich diese nicht auflösen und die getrennten Volumina erhalten bleiben. Eine weitere Eigenschaft des Dispersionsmediums besteht darin, dass es einen Stofftransport zumindest mit den Kompartimenten einer der beiden Arten, d. h. einen Stofftransport in oder aus den Kompartimenten einer der beiden Arten ermöglicht, wobei der Stofftransport durch das Dispersionsmedium hindurch oder auch unmittelbar zwischen den Kompartimenten erfolgen kann. Das Dispersionsmedium als Umgebung der Kompartimente bietet jedenfalls Bedingungen, dass der Stofftransport in oder aus den Kompartimenten zumindest einer der beiden Arten ermöglicht ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen mittelbaren oder unmittelbaren Stofftransport zwischen den Kompartimenten der ersten Art und den Kompartimenten der zweiten Art handeln.
Es kann sich aber auch um einen mittelbaren oder unmittelbaren Stofftransport zwischen dem Dispersionsmedium und den
Kompartimenten der ersten Art oder um einen mittelbaren oder unmittelbaren Stofftransport zwischen dem Dispersionsmedium und den Kompartimenten der zweiten Art handeln. Der
Stofftransport kann in beide Richtungen ausgebildet sein, sodass es sich um einen Stoffaustausch handelt. Jedenfalls ist der durch das Dispersionsmedium ermöglichte Stofftransport eine wesentliche Voraussetzung für den Ablauf der
Fermentation. Der Stofftransport umfasst zumindest den
Transport einer der enthaltenen Komponenten der Kompartimente der ersten Art oder zumindest den Transport einer der
enthaltenen Komponenten der Kompartimente der zweiten Art. Der Stofftransport erfolgt bevorzugt mittelbar oder unmittelbar zwischen den Kompartimenten der ersten Art und den Kompartimenten der zweiten Art.
Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt werden im
Dispersionsmedium Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation hergestellt, sodass der durch Fermentation wandelbare Stoff zu einem Fermentationsprodukt gewandelt wird. Die Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation sind im Dispersionsmedium
herzustellen, was die Kompartimente der ersten Art und die Kompartimente der zweiten Art einschließt, da diese sich im Dispersionsmedium befinden. Je nach Ausführungsform sind die Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation im
Dispersionsmedium und/oder in den im Dispersionsmedium
befindlichen Kompartimenten der ersten Art und/oder in den im Dispersionsmedium befindlichen Kompartimenten der zweiten Art zu gewähren. Bei der Fermentation laufen biologische Prozesse und/oder chemische Reaktionen und/oder enzymatische Reaktionen ab. Die Fermentation erfolgt im Dispersionsmedium, welches auch die im Dispersionsmedium befindlichen Kompartimente der ersten Art und die im Dispersionsmedium befindlichen
Kompartimente der zweiten Art umfasst. Somit läuft die
Fermentation im Dispersionsmedium als solches und/oder in den Kompartimenten der ersten Art und/oder in den Kompartimenten der zweiten Art ab. Bevorzugt läuft die Fermentation in den Kompartimenten der ersten Art und/oder in den Kompartimenten der zweiten Art ab.
Das generierte Fermentationsprodukt wird abgeführt, indem es beispielsweise aus dem Innenraum des Fermenters entnommen wird. Das Abführen kann beispielsweise kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Das Abführen des generierten
Fermentationsproduktes ist bevorzugt durch ein Gewinnen des generierten Fermentationsproduktes oder durch ein Isolieren des generierten Fermentationsproduktes gebildet. Das Fermentationsprodukt wird bevorzugt aus dem Dispersionsmedium oder aus den das Fermentationsprodukt enthaltenden
Kompartimenten der ersten Art bzw. der zweiten Art abgeführt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es als biotechnisches Verfahren eine
Kultivierung unter analogen Bedingungen wie in räumlich getrennt organisierten natürlichen Systemen mit einer
kooperativen metabolischen Aktivität in unterschiedlich angepassten lokalen Milieus ermöglicht.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel durch einen Vorrat des durch
Fermentation wandelbaren Stoffes gebildet. Somit wird der durch Fermentation wandelbare Stoff unmittelbar bereitgestellt und kompartimiert .
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel durch Mikroorganismen einer ersten Art gebildet ist, welche den durch Fermentation wandelbaren Stoff generieren. Somit kommt es insbesondere zu einer laufenden Produktion des durch Fermentation wandelbaren Stoffes in den Kompartimenten der ersten Art. Die
Mikroorganismen der ersten Art können lysiert vorliegen. Die Mikroorganismen der ersten Art sind bevorzugt durch lebende selbstregenerierende Biokatalysatoren gebildet. Der durch Fermentation wandelbare Stoff ist bevorzugt
natürlichen Ursprungs und umfasst bevorzugt Stärke und/oder Saccharose. Der durch Fermentation wandelbare Stoff kann auch durch Pflanzenbestandteile gebildet sein. Der durch
Fermentation wandelbare Stoff kann aber auch durch einen anderen im bereitstellenden Mittel oder im Dispersionsmedium dispergierbaren oder löslichen Stoff gebildet sein,
insbesondere durch einen Naturstoff, durch eine organische Verbindung, durch eine anorganische Verbindung, durch eine Pflanze, durch ein Tier, durch einen Pilz, durch ein Mineral oder durch Bestandteile oder Kombinationen der genannten
Beispiele .
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist das die Fermentation bewirkende Mittel durch ein Enzym oder durch einen Katalysator gebildet. Das Enzym ist bevorzugt isoliert. Das die Fermentation bewirkende Mittel kann aber auch durch einen weiteren Ausgangsstoff, wie z. B. O2, CO2, H2S, CH4, C2H4 oder eine Lösung eines dieser Stoffe gebildet sein. Das die Fermentation bewirkende Mittel ist bevorzugt durch Sauerstoff gebildet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist das die Fermentation
bewirkende Mittel durch fermentierende Mikroorganismen einer zweiten Art gebildet. Die Mikroorganismen der zweiten Art sind beispielsweise durch Bakterien oder durch Hefepilze gebildet. Das die Fermentation bereitstellende Mittel kann aber auch durch ein Lysat von Mikroorganismen gebildet sein.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen Verfahrensschritt, bei welchem die
Mikroorganismen der ersten Art und/oder die Mikroorganismen der zweiten Art zunächst in den Kompartimenten vermehrt werden, was insbesondere vor der Realisierung der Fermentation erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Kompartimierung erlaubt es, dass die Mikroorganismen der ersten Art und/oder die
Mikroorganismen der zweiten Art in den Kompartimenten vermehrt werden können, ohne dass diese durch ungewünschte Wechselwirkungen daran gehindert werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist die Fermentation durch enzymatische Reaktionen und/oder biologische Reaktionen gebildet. Derartige Reaktionen ermöglichen eine chemoselektive Umwandlung des durch die
Fermentation wandelbaren Stoffes und eine hohe Konzentration des entstehenden Fermentationsproduktes.
Die Fermentation ist bevorzugt durch eine Hybridsynthese gebildet, die biokatalytisch und chemokatalytisch erfolgt. Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass komplexe natürliche Stoffwechselprozesse in einem
Fermentationsprozess in Kombination mit chemisch katalytischen
Reaktionsschritten technisch nachgebildet werden können.
Die Bedingungen zum Gewähren der Fermentation im
Dispersionsmedium und/oder in den im Dispersionsmedium
befindlichen Kompartimenten der ersten Art und/oder in den im
Dispersionsmedium befindlichen Kompartimenten der zweiten Art umfassen alle Voraussetzungen chemischer und physikalischer Art, welche zum Ablauf der Fermentation gegeben sein müssen. Diese Bedingungen sind somit einerseits bevorzugt durch physikalische Größen, wie z. B. Temperatur, Gassättigung,
Strahlungsleistung und Druck oder insbesondere ein osmotischer Druck gebildet. Die Bedingungen zum Gewähren der Fermentation im Dispersionsmedium und/oder in den im Dispersionsmedium befindlichen Kompartimenten der ersten Art und/oder in den im Dispersionsmedium befindlichen Kompartimenten der zweiten Art sind andererseits bevorzugt durch chemische Größen, wie beispielsweise der pH-Wert gebildet. Der erfindungsgemäß vorgesehene Stofftransport zumindest mit den Kompartimenten einer der beiden Arten wird bevorzugt durch einen extraktiven Transport von Inhaltsstoffen über eine dispergierende Trägerphase vermittelt. Dieser Stofftransport erfolgt weiterhin bevorzugt durch einen Phasentransferprozess zwischen den Kompartimenten der ersten Art und/oder den
Kompartimenten der zweiten Art.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens entsteht bei der Fermentation vor der Entstehung des Fermentationsproduktes mindestens ein Zwischenprodukt. Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass es die technische Realisierung mehrstufiger
Fermentationsprozesse ermöglicht .
Das Zwischenprodukt bzw. die mehreren Zwischenprodukte
entstehen bevorzugt in den Kompartimenten der ersten Art oder in den Kompartimenten der zweiten Art. Das Zwischenprodukt bzw. die mehreren Zwischenprodukte werden bevorzugt in die Kompartimente der ersten Art bzw. in die Kompartimente der zweiten Art transportiert, wobei dieser Transport mittelbar über das Dispersionsmedium erfolgen kann. Das Zwischenprodukt bzw. die mehreren Zwischenprodukte werden alternativ bevorzugt in das Dispersionsmedium transportiert.
Das Zwischenprodukt bzw. die Zwischenprodukte entstehen bevorzugt in Form von Kompartimenten einer dritten Art. Das Zwischenprodukt bzw. die Zwischenprodukte werden alternativ bevorzugt in Kompartimente einer dritten Art transportiert und angereichert, was mittelbar über das Dispersionsmedium
erfolgen kann. Die Kompartimente der dritten Art stellen somit Mittel zum Sammeln des Zwischenproduktes bzw. der
Zwischenprodukte dar. Die mehreren Zwischenprodukte entstehen bevorzugt nacheinander, d. h. jeweils während nacheinander ablaufender Zwischenschritte, sodass es sich um eine Kaskaden-Reaktion handelt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbar ist .
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Kompartimente der ersten Art und/oder die Kompartimente der zweiten Art mit einem selektiven Mittel umhüllt, welches den Stofftransport zwischen dem
Dispersionsmedium und den Kompartimenten der ersten Art und/oder den Kompartimenten der zweiten Art selektiv bedingt. Somit kann eine Steuerung des Stofftransportes dadurch
vorgenommen werden, dass die Kompartimente der ersten Art und/oder die Kompartimente der zweiten Art mit dem selektiven
Mittel umhüllt werden, um die gewünschte Fermentation gezielt ablaufen zu lassen, während unerwünschte Reaktionen und
Vorgänge unterdrückt werden. Das selektive Mittel ist
bevorzugt durch ein Polymer oder durch eine Flüssigkeit gebildet. Das selektive Mittel weist bevorzugt eine selektive
Permeabilität gegenüber dem durch Fermentation wandelbaren Stoff auf. Ein Kriterium der Selektivität des selektiven
Mittels ist bevorzugt durch eine Molekülmasse, durch eine Molekülgröße, durch eine Polarität, durch eine Lipophilie oder durch eine Ladung des zu selektierenden Stoffes gebildet. In das umhüllende selektive Mittel wird bevorzugt ein selektives Transportmittel, wie z. B. ein Transportenzym oder ein
Detergens, wie bevorzugt ein Phasentransferkatalysator oder ein Tensid, eingebracht. Das Umhüllen der Kompartimente der ersten Art und/oder der Kompartimente der zweiten Art mit dem selektiven Mittel erfolgt bevorzugt vor dem Anordnen der
Kompartimente der ersten Art und der Kompartimente der zweiten Art in dem Dispersionsmedium. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens entsteht das Fermentationsprodukt in Form von
Kompartimenten einer vierten Art, wobei das
Fermentationsprodukt mittelbar über das Dispersionsmedium zu Kompartimenten der vierten Art überführt und angereichert werden kann, was durch eine Abtrennung des
Fermentationsproduktes aus dem Dispersionsmedium erfolgen kann .
Das Fermentationsprodukt ist beispielsweise durch einen Wirk¬ oder durch einen Effektstoff gebildet. Das
Fermentationsprodukt ist bevorzugt durch einen
Pharmawirkstoff, durch einen Farbstoff, durch einen Duft- oder Geschmacksstoff, durch einen Schmierstoff, durch ein Monomer, durch ein Polymer, durch ein Nahrungsmittel oder durch ein Antibiotikum gebildet. Insofern ein Polymer als das
Fermentationsprodukt gewonnen werden soll, so wird der
Fermentationsprozess bevorzugt als eine mehrstufige
Kaskadenreaktion durchgeführt, bei welcher die einzelnen
Stufen alternierend in den Kompartimenten der ersten Art, in den Kompartimenten der zweiten Art oder in den Kompartimenten einer weiteren Art und dem Dispersionsmedium ablaufen, was bevorzugt durch mindestens einen Katalysator gesteuert wird. Bevorzugt werden mehrere Stufen der Kaskadenreaktion jeweils durch einen der Katalysatoren gesteuert. Das
Fermentationsprodukt kann auch durch Mikroorganismen gebildet sein .
Die Kompartimente der ersten Art und die Kompartimente der zweiten Art weisen jeweils ein Volumen auf, welches bevorzugt weniger als 1 cm3 groß ist; besonders bevorzugt weniger als 1 mm3 groß ist. Auch die ggf. gebildeten Kompartimente der dritten Art und die ggf. gebildeten Kompartimente der vierten Art weisen jeweils ein Volumen auf, welches bevorzugt weniger als 1 cm3 groß ist; besonders bevorzugt weniger als 1 mm3 groß ist .
Die Kompartimente der ersten Art und die Kompartimente der zweiten Art sind bevorzugt jeweils durch eine Mikrostruktur gebildet. Auch die ggf. gebildeten Kompartimente der dritten Art und die ggf. gebildeten Kompartimente der vierten Art sind bevorzugt jeweils durch eine Mikrostruktur gebildet. Die Kompartimente der ersten Art und die Kompartimente der zweiten Art sind bevorzugt jeweils mikrofluidisch ausgebildet, d. h. es werden mikrofluidische Verfahren und/oder
mikrofluidische Bauelemente zu deren Herstellung eingesetzt. Auch die ggf. gebildeten Kompartimente der dritten Art, die ggf- gebildeten Kompartimente der vierten Art und die ggf. gebildeten Kompartimente der weiteren Art sind bevorzugt jeweils mikrofluidisch ausgebildet.
Die Kompartimente der ersten Art sind bevorzugt jeweils durch einen Partikel, durch eine Mehrfachemulsion, durch eine
Hohlkugel, durch eine Gasblase, durch eine Kapsel oder durch einen Tropfen gebildet, in welchem bzw. in welcher das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel angeordnet ist.
Die Kompartimente der zweiten Art sind bevorzugt jeweils durch einen Partikel, durch eine Mehrfachemulsion, durch eine
Hohlkugel, durch eine Gasblase, durch eine Kapsel oder durch einen Tropfen gebildet, in welchem bzw. in welcher das die Fermentation bewirkende Mittel angeordnet ist.
Die Kompartimente der ggf. gebildeten dritten Art sind
bevorzugt jeweils durch einen Partikel, durch eine
Mehrfachemulsion, durch eine Hohlkugel, durch eine Gasblase, durch eine Kapsel oder durch einen Tropfen gebildet sind, in welchem bzw. in welcher das Zwischenprodukt angeordnet ist.
Die Kompartimente der ggf. gebildeten vierten Art sind
bevorzugt jeweils durch einen Partikel, durch eine
Mehrfachemulsion, durch eine Hohlkugel, durch eine Gasblase, durch eine Kapsel oder durch einen Tropfen gebildet sind, in welchem bzw. in welcher das Fermentationsprodukt angeordnet ist .
Die Kompartimente der ersten Art und das Dispersionsmedium bilden bevorzugt eine Emulsion aus. Auch die Kompartimente der zweiten Art und das Dispersionsmedium bilden bevorzugt eine Emulsion aus.
Die die Kompartimente einer oder mehrerer der genannten Arten bildenden Tropfen sind bevorzugt jeweils
feststoffstabilisiert , sodass sie mit dem Dispersionsmedium eine so genannte Pickering-Emulsion ausbilden.
Die die Kompartimente einer oder mehrerer der genannten Arten bildenden Tropfen sind bevorzugt jeweils tensidstabilisiert .
Die Oberfläche der die Kompartimente einer oder mehrerer der genannten Arten bildenden Tropfen bestehen bevorzugt aus einem nicht mit Wasser michbaren Medium, während das
Dispersionsmedium überwiegend aus Wasser besteht.
Die Oberfläche der die Kompartimente einer oder mehrerer der genannten Arten bildenden Tropfen bestehen alternativ
bevorzugt aus Wasser, während das Dispersionsmedium
überwiegend aus einem nicht mit Wasser michbaren Medium besteht . Die die Kompartimente einer oder mehrerer der genannten Arten bildenden Partikel sind bevorzugt jeweils durch einen
Gelpartikel, durch einen Polymerpartikel oder durch einen anorganischen Partikel gebildet. Die die Kompartimente einer oder mehrerer der genannten Arten bildenden Partikel sind bevorzugt jeweils durch einen flüssigen Tropfen gebildet, der mit einem weiteren Mittel umhüllt ist, welches einen
selektiven Stofftransport aus oder in den flüssigen Tropfen gewährleistet. Das umhüllende weitere Mittel ist vorzugsweise flüssig, fest oder gelartig.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind die einzelnen Kompartimente mindestens zweier der mehreren Arten gemeinsam in einem Kompartiment einer höheren Ordnung angeordnet, sodass eine hierarchische
Topologie ausgebildet ist. Beispielsweise können die
Kompartimente zweier der mehreren Arten durch jeweils einen Tropfen gebildet sein, wobei die beiden Tropfen gemeinsam in einem größeren Tropfen angeordnet sind, sodass eine Tropfen- in-Tropfen-Anordnung ausgebildet ist.
Bei einem weiteren bevorzugt durchzuführenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kompartimente einer oder mehrerer der Arten mithilfe eines mikrofluidischen
Bauelementes manipuliert, um Einfluss auf den Inhalt der einzelnen Kompartimente zu nehmen.
Das Dispersionsmedium ermöglicht einen mittelbaren oder unmittelbaren Transport eines Stoffes, bei dem es sich
beispielsweise um das Fermentationsprodukt, um eines der
Zwischenprodukte, um das die Fermentation bewirkende Mittel oder um den durch Fermentation wandelbaren Stoff handeln kann. Der Stoff kann dabei gelöst oder ungelöst vorliegen. Der
Transport kann auf chemischen Reaktionen und/oder physikalischen Vorgängen beruhen. Der zu transportierende Stoff kann z. B. durch Sauerstoff oder Kohlendioxid gebildet sein . Das Dispersionsmedium ermöglicht weiterhin bevorzugt einen
Energietransport von bzw. zu den Kompartimenten der ersten Art und/oder den Kompartimenten der zweiten Art. Das
Dispersionsmedium ermöglicht weiterhin bevorzugt einen
Energietransport zwischen den Kompartimenten der ersten Art und den Kompartimenten der zweiten Art.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst bevorzugt weiterhin einen Schritt, bei welchem mindestens ein weiteres die
Fermentation bewirkenden Mittel kompartimiert wird, wodurch eine Vielzahl an Kompartimenten einer fünften Art und ggf. weiterer Arten entstehen. In einem weiteren Schritt werden die Kompartimente der fünften Art und ggf. die Kompartimente der weiterer Arten im Dispersionsmedium angeordnet. Das
Dispersionsmedium bewahrt auch die Kompartimente der fünften Art und ggf. die Kompartimente der weiterer Arten. Durch diese
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können insbesondere komplexe Fermentationen mit beispielsweise in mehreren Stufen der Fermentation benötigten Mitteln technisch durchgeführt werden.
Das weitere die Fermentation bewirkende Mittel ist bevorzugt durch ein Enzym oder durch einen Katalysator gebildet. Es können somit beispielsweise zwei verschiedene Arten von
Enzymen zur Anwendung kommen.
Das weitere die Fermentation bewirkende Mittel ist bevorzugt durch einen gasförmigen Stoff gebildet, wie beispielsweise 02, CO2, H2S, CH4, C2H4 oder eine Lösung eines dieser Stoffe. Das weitere die Fermentation bewirkende Mittel ist bevorzugt durch Sauerstoff gebildet. Das weitere die Fermentation bewirkende Mittel ist alternativ bevorzugt durch ein die Fermentation limitierendes Mittel, wie z. B. durch Phosphationen oder durch ein Phosphationen freisetzendes Mittel, wie z. B. Phytinsäure gebildet. Das weitere die Fermentation bewirkende Mittel ist bevorzugt durch Mikroorganismen einer dritten Art gebildet, welche zur Kultivierung der Mikroorganismen der ersten Art und/oder der Mikroorganismen der zweiten Art erforderlich sind. Dabei werden bevorzugt Ko-Kulturen gebildet. Die
Mikroorganismen der dritten Art sind bevorzugt fermentierend.
Bei einem weiteren bevorzugt durchzuführenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Mikroorganismen der ersten Art und die Mikroorganismen der zweiten Art in den Kompartimenten der ersten Art, in den Kompartimenten der zweiten Art oder in den in den Kompartimenten der dritten Art vereinigt .
Bei einem weiteren bevorzugt durchzuführenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Mikroorganismen der ersten Art und die Mikroorganismen der dritten Art in den Kompartimenten der ersten Art, in den Kompartimenten der zweiten Art, in den in den Kompartimenten der dritten Art oder in den Kompartimenten der fünften Art vereinigt.
Bei einem weiteren bevorzugt durchzuführenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Mikroorganismen der zweiten Art und die Mikroorganismen der dritten Art in den Kompartimenten der ersten Art, in den Kompartimenten der zweiten Art, in den in den Kompartimenten der dritten Art oder in den in den Kompartimenten der fünften Art vereinigt.
Das beschriebene Vereinigen von Mikroorganismen zweier der mehreren Arten in den Kompartimenten einer der Arten wird bevorzugt durch eine Änderung der Zusammensetzung des
Dispersionsmediums, durch eine Änderung der Temperatur des Dispersionsmediums, durch eine fotochemische Beeinflussung des Dispersionsmediums oder durch ein auf das Dispersionsmedium wirkendes elektrisches Feld gesteuert. Die Änderung der
Zusammensetzung des Dispersionsmediums erfolgt bevorzugt durch Zusetzen eines Emulsionsbrechers, um die jeweiligen
Mikroorganismen zu vereinigen. Das beschriebene Vereinigen von Mikroorganismen zweier der mehreren Arten in den Kompartimenten einer der Arten wird bevorzugt durch ein mikrofluidisches Bauelement gesteuert.
Das Dispersionsmedium ist bevorzugt durch Wasser oder durch ein nicht Wasser mischbares Medium gebildet, in welchem bevorzugt mindestens ein Funktionsstoff enthalten ist. Der mindestens eine Funktionsstoff umfasst bevorzugt mindestens ein Detergens . Das mindestens eine Detergens ist bevorzugt durch einen Phasentransferkatalysator, durch einen
Komplexbilder, durch ein Enzym, insbesondere durch ein
Transportenzym; durch ein Tensid, durch ein Lösungsmittel und/oder durch eine Emulsion gebildet. Das Dispersionsmedium ist bevorzugt durch ein Mineralöl, durch ein Silikonöl, durch ein fluoriertes Lösungsmittel, durch ein Öl, durch ein
organisches Lösungsmittel, durch eine wässrige Phase, durch eine Polymerlösung oder durch eine Kombination der genannten Stoffe gebildet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfasst der Schritt des Herstellens von Bedingungen zum Gewähren der Fermentation im Dispersionsmedium und/oder in den im Dispersionsmedium befindlichen Kompartimenten der ersten Art und/oder in den im Dispersionsmedium befindlichen Kompartimenten der zweiten Art mindestens einen Teilschritt, bei welchem die Bedingungen abhängig von der Zeit oder abhängig von einer gemessenen den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe geändert werden. Diese Änderung ist bevorzugt durch eine Änderung der Temperatur im
Dispersionsmedium und/oder in den Kompartimenten mindestens einer der mehreren Arten oder durch eine Änderung der
Zusammensetzung des Dispersionsmediums gebildet. Durch die beschriebene Änderung erfolgt bevorzugt eine Steuerung des Stofftransports , eine Steuerung von Phasentransferprozessen und/oder von lösungsmittelsensitiven Transferprozessen
und/oder eine Steuerung durch Phasentransferkatalysatoren und/oder durch Mediatoren.
Die den Ablauf der Fermentation beschreibende Größe ist bevorzugt durch eine Menge bzw. eine Konzentration eines der möglichen Ausgangsstoffe oder Zwischenprodukte oder durch eine Menge bzw. eine Konzentration des Fermentationsproduktes gebildet . Die den Ablauf der Fermentation beschreibende Größe ist ergänzend oder alternativ bevorzugt durch eine physikalische Größe oder durch eine chemische Größe gebildet. Die
physikalische Größe ist bevorzugt durch eine Temperatur des Dispersionsmediums, durch einen Sättigungsgrad eines Gases, durch einen osmotischen Druck oder durch ein im
Dispersionsmedium auftretendes elektrisches Feld gebildet. Die chemische Größe ist bevorzugt durch einen pH-Wert gebildet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden sensorische Kompartimente im
Dispersionsmedium angeordnet. Die sensorischen Kompartimente wandeln die den Ablauf der Fermentation beschreibende Größe in ein optisch messbares Signal, sodass die den Ablauf der Fermentation beschreibende Größe von außerhalb des Dispersionsmediums messbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfasst der Schritt des Herstellens von Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation im Dispersionsmedium
mindestens einen Teilschritt, in welchem weitere Stoffe, und/oder weitere der Kompartimente der ersten Art und/oder weitere der Kompartimente der zweiten Art, weitere
Kompartimente einer der weiteren Arten abhängig von der Zeit und/oder abhängig von der gemessenen den Ablauf der
Fermentation beschreibenden Größe in das Dispersionsmedium gegeben werden. Der verfahrensgemäße Schritt des Anordnens der Kompartimente der ersten Art im Dispersionsmedium erfolgt bevorzugt durch ein laufendes Zuführen der Kompartimente der ersten Art. Der verfahrensgemäße Schritt des Anordnens der Kompartimente der zweiten Art im Dispersionsmedium erfolgt bevorzugt durch ein laufendes Zuführen der Kompartimente der zweiten Art.
Das laufende Zuführen der Kompartimente der ersten Art in das Dispersionsmedium erfolgt bevorzugt abhängig von der Zeit und/oder abhängig von der gemessenen den Ablauf der
Fermentation beschreibenden Größe. Hierdurch können bestimmte
Gleichgewichte im Dispersionsmedium gewährleistet werden.
Das laufende Zuführen der Kompartimente der zweiten Art in das Dispersionsmedium erfolgt bevorzugt ebenfalls abhängig von der Zeit und/oder abhängig von der gemessenen den Ablauf der
Fermentation beschreibenden Größe. Hierdurch können bestimmte Gleichgewichte im Dispersionsmedium gewährleistet werden. Der verfahrensgemäße Schritt des Herstellens von Bedingungen zum Gewähren der Fermentation im Dispersionsmedium umfasst bevorzugt mindestens einen Teilschritt, in welchem einige der Kompartimente der ersten Art und/oder einige der Kompartimente der zweiten Art abhängig von der Zeit und/oder abhängig von der gemessenen den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe in Kompartimentteile geteilt werden, um beispielsweise Aliquote zu entnehmen. Der verfahrensgemäße Schritt des Abführens des
Fermentationsproduktes umfasst bevorzugt mehrere Teilschritte. In einem Teilschritt erfolgt ein Abführen eines Teiles des Dispersionsmediums mit den darin befindlichen Kompartimenten der mindestens zwei Arten und dem darin befindlichen
Fermentationsprodukt. Das Abführen dieses Teiles erfolgt bevorzugt abhängig von der gemessenen den Ablauf der
Fermentation beschreibenden Größe. In einem weiteren
Teilschritt erfolgt ein Selektieren des Fermentationsproduktes aus dem Dispersionsmedium oder aus den Kompartimenten. Das Selektieren erfolgt bevorzugt abhängig von der gemessenen den
Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe. In einem
weiteren Teilschritt wird das Dispersionsmedium,
zurückgeführt; insbesondere in den Innenraum eines Fermenters. Das beschriebene Selektieren wird bevorzugt nicht auf das
Fermentationsprodukt beschränkt. Daher wird neben dem
Fermentationsprodukt bevorzugt auch ein Teil der Kompartimente der ersten Art und/oder ein Teil der Kompartimente der zweiten Art selektiert. Auch dieses Selektieren erfolgt bevorzugt abhängig von der gemessenen den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe.
Das Fermentationsprodukt wird bevorzugt kontinuierlich
abgeführt und selektiert. Das Abführen und Selektieren erfolgt bevorzugt abhängig von der gemessenen den Ablauf der
Fermentation beschreibenden Größe.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird berücksichtigt, dass die Kompartimente der ersten Art und/oder die Kompartimente der zweiten Art während des Ablaufes der Fermentation ihre Funktion verlieren können, weil beispielsweise die
entsprechenden Vorräte aufgebraucht werden oder die
entsprechenden Mikroorganismen absterben. Daher werden
diejenigen der Kompartimente der ersten Art, die ihre Funktion als das den durch Fermentation wandelbaren Stoff
bereitstellende Mittel nicht mehr oder nicht mehr vollständig besitzen, selektiert. Ebenso werden diejenigen der
Kompartimente der zweiten Art, die ihre Funktion als das die Fermentation bewirkende Mittel nicht mehr oder nicht mehr vollständig besitzen, selektiert. Das beschriebene Selektieren von Kompartimenten der ersten Art und/oder der zweiten Art erfolgt bevorzugt kontinuierlich und bevorzugt abhängig von der gemessenen den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe.
Besondere, bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens qualifizieren es zur Nachbildung eines natürlichen Systems. Hierfür umfasst es weitere Schritte. Bei einem der weiteren Schritte erfolgt ein Kompartimieren weiterer jeweils einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellender Mittel, wodurch jeweils eine Vielzahl an Kompartimenten weiterer Arten entsteht. Die Anzahl der weiteren jeweils einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellender Mittel ist gleich der Anzahl der weiteren Arten an Kompartimenten und beträgt bevorzugt mindestens 10; weiter bevorzugt mindestens 100. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Kompartimieren weiterer die Fermentation bewirkender Mittel, wodurch jeweils eine Vielzahl an Kompartimenten weiterer Arten entsteht. Dabei sind die jeweils einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellenden Mittel und die die Fermentation bewirkenden Mittel gemäß einem natürlichen System ausgewählt und bemessen. Es werden somit die Voraussetzungen geschaffen, dass die in dem natürlichen System ablaufende Fermentation auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abläuft. Dabei muss der genaue Ablauf der Fermentation, insbesondere die Zwischenschritte und die Wechselwirkungen zwischen den jeweils einen durch
Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellenden Mittel und den die Fermentation bewirkenden Mittel nicht bekannt sein. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Anordnen auch der
Kompartimente der weiteren Arten im Dispersionsmedium, welches ebenso die Kompartimente der weiteren Arten bewahrt. Die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, welche zur Nachbildung eines natürlichen Systems ausgebildet ist, kann auch zur Untersuchung des natürlichen Systems erweitert werden. Hierfür werden beim Kompartimieren der weiteren jeweils einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellender Mittel einige der im natürlichen System vorkommenden Mittel weggelassen. Ebenso werden beim
Kompartimieren der weiteren die Fermentation bewirkender
Mittel einige der im natürlichen System vorkommenden Mittel weggelassen. Nach der Durchführung der Fermentation wird gemessen, welche der Fermentationsprodukte entstanden sind.
Das Verfahren wird erneut durchgeführt, wobei dann andere der im natürlichen System vorkommenden einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellenden Mittel und/oder andere der die Fermentation bewirkenden Mittel weggelassen werden. Nach der erneuten Durchführung der Fermentation wird gemessen, welche der Fermentationsprodukte dann entstanden sind. Aus den jeweils entstandenen Fermentationsprodukten können
Rückschlüsse gezogen werden, welche der einen durch
Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellenden Mittel und/oder der die Fermentation bewirkenden Mittel des
natürlichen Systems zu welchem der Fermentationsprodukte führen .
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Dispersionsmedium in einem Innenraum angeordnet. Der Innenraum ist bevorzugt durch einen
Rührkessel, durch eine zur Fermentation befähigte Vorrichtung, durch einen Kapillarspalt oder durch eine Anordnung von
Mikrokanälen gebildet.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Fermentation und kann daher allgemein als ein Fermenter bezeichnet werden. Die
Anordnung umfasst ein Mittel zum Erzeugen von Kompartimenten einer ersten Art und ein Mittel zum Erzeugen von
Kompartimenten einer zweiten Art. Die Anordnung umfasst weiterhin einen Innenraum zur Aufnahme eines
Dispersionsmediums und mindestens eine Zuführung zum Innenraum zum Zuführen der Kompartimente der ersten Art und der
Kompartimente der zweiten Art in den Innenraum. Zudem umfasst die Anordnung ein Mittel zum Herstellen von Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation in dem im Innenraum befindlichen Dispersionsmedium, in den im Innenraum befindlichen
Kompartimenten der ersten Art und/oder in den im Innenraum befindlichen Kompartimenten der zweiten Art, sodass der durch Fermentation wandelbare Stoff zu einem Fermentationsprodukt gewandelt wird. Eine weitere Komponente der Anordnung ist durch eine Abführung zum Abführen des Fermentationsproduktes gebildet .
Die erfindungsgemäße Anordnung ist bevorzugt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Die
erfindungsgemäße Anordnung ist bevorzugt zur Ausführung einer der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Im Übrigen weist die erfindungsgemäße Anordnung auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben sind.
Die Mittel zum Erzeugen von Kompartimenten sind bevorzugt durch mikrofluidische Bauteile zur Erzeugung von Tropfen, von Partikel, von Mehrfachemulsionen, von Hohlkugeln, von
Gasblasen oder von Kapseln gebildet.
Das Mittel zum Herstellen von Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation umfasst bevorzugt eine Heizung und/oder eine Kühlung zum Gewähren einer bestimmten Temperatur im Innenraum. Das Mittel zum Herstellen von Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation umfasst bevorzugt eine Vorrichtung, mit welcher ein Sättigungsgrad eines Gases im Dispersionsmedium
einstellbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Anordnung ist die Abführung zum Abführen des
Fermentationsproduktes weiterhin zum Abführen des im Innenraum befindlichen Dispersionsmediums ausgebildet. In dem
abzuführenden Dispersionsmedium befinden sich die
Kompartimente der ersten Art, die Kompartimente der zweiten Art und das Fermentationsprodukt. Diese Ausführungsformen umfassen weiterhin eine mit der Abführung verbundene
Trenneinheit zum Trennen des Fermentationsproduktes vom
Dispersionsmedium, wobei das Trennen bevorzugt abhängig von einer gemessenen den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe erfolgt. Zum Erfassen der den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe ist die Trennvorrichtung bevorzugt mit einer sensorischen Einheit ausgestattet, mit welcher diese Größe messbar ist. Die sensorische Einheit kann alternativ oder ergänzend auch zur unmittelbaren Bewertung des
Dispersionsmediums und/oder der Kompartimente einer der Arten ausgebildet sein. Eine weitere Komponente dieser
Ausführungsformen ist durch eine mit der Trenneinheit
verbundene Rückführung zum Rückführen des Dispersionsmediums und/oder der Kompartimente zum Innenraum gebildet.
Die Trenneinheit ist bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, diejenigen der Kompartimente der ersten Art und/oder
diejenigen der Kompartimente der zweiten Art vom
Dispersionsmedium zu trennen, die ihre Funktion als eines einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellendes Mittels bzw. eines die Fermentation bewirkenden Mittels nicht mehr vollständig besitzen.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt einer mit der Rückführung verbundene Dosiereinheit, welche dazu ausgebildet ist, Inhaltsstoffe in die zurückgeführten Kompartimente zu dosieren .
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1: eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß
bereitgestellten Dispersionsmediums mit darin befindlichen Kompartimenten;
Fig. 2: eine Prinzipdarstellung einer Kaskaden-Reaktion bei einer bevorzugten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3: eine Prinzipdarstellung einer Stimulation bei
bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 4: eine Prinzipdarstellung einer Produktabtrennung bei einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5: eine Prinzipdarstellung einer Hybridsynthese bei
einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 6: eine Prinzipdarstellung einer gezielten Kolaeszenz bei einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7: eine Prinzipdarstellung einer Umhüllung bei einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ;
Fig. 8: eine Prinzipdarstellung einer Verwendung von einem
Katalysator bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 9: eine Prinzipdarstellung einer Reaktionskaskade zur
Bildung eines Polymers bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 10: eine Prinzipdarstellung der Kaskaden-Reaktion bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 11: eine bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Anordnung zur Fermentation; und
Fig. 12: eine abgewandelte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anordnung zur Fermentation. Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß bereitgestellten Dispersionsmediums Ol mit darin befindlichen Kompartimenten einer ersten Art 02 und mit darin befindlichen
Kompartimenten einer zweiten Art 03. Die Kompartimente der ersten Art 02 enthalten eine Kultur von einem Typ 1. Die
Kompartimente der zweiten Art 03 enthalten eine Kultur von einem Typ 2. Die Kompartimente der ersten Art 02 und die
Kompartimente der zweiten Art 03 sind in dem Separationsmedium
01 dispergiert, welches einen Stoffaustauch zwischen den
Kompartimenten der ersten Art 02 und den Kompartimenten der zweiten Art 03 ermöglicht. In den Kompartimenten der ersten Art 02 und in den Kompartimenten der zweiten Art 03 werden Mikroorganismen 06 (gezeigt in Fig. 2) kultiviert. Die
Kompartimente der ersten Art 02 und die Kompartimente der zweiten Art 03 sind derart gestaltet, dass die Mikroorganismen 06 eine jeweilige Kompartimentoberfläche 04, welche jeweils eine Phasengrenze darstellt, nicht passieren bzw. verlassen können. Die Kompartimente der ersten Art 02 und die
Kompartimente der zweiten Art 03 können auch mit isolierten Enzymen, lysierten Mikroorganismen, konditionierten Medien oder chemischen Katalysatoren beladen sein. Die erfindungsgemäße Anordnung der Kompartimente der ersten
Art 02 und der Kompartimente der zweiten Art 03 im flüssigen Dispersionsmedium 01 erlaubt eine parallele Ko-Kultivierung von Mikroorganismen in Kompartimenten mit unterschiedlicher Start- bzw. Medienzusammensetzung zur Durchführung einer Fermentation.
Aufgrund des realisierten Stofftransportes kann eine in den Kompartimenten der ersten Art 02 erzeugte Substanz (vgl. Fig. 2) in die Kompartimente der zweiten Art 03 transportiert werden und dort weiter metabolisiert werden.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Kaskaden-Reaktion bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. In dieser Prinzipdarstellung ist das
Dispersionsmedium 01 (gezeigt in Fig. 1) nicht dargestellt. In den Kompartimenten der ersten Art 02 befinden sich
Mikroorganismen einer ersten Art 06. In Kompartimenten einer dritten Art 07 befinden sich Mikroorganismen einer dritten Art
08. In Kompartimenten einer vierten Art 09 befinden sich
Mikroorganismen einer vierten Art 11. Durch die individuelle Kompartimentierung der involvierten Mikroorganismen 06, 08, 11 ist der Fermentationsprozess , umfassend die Stufen A, B, C und D, kontrollierbar.
Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Stimulation bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Mikroorganismen einer fünften Art 13 sind
existentiell von Metaboliten koexistierender Mikroorganismen einer sechsten Art 14 und einer siebenten Art 16 abhängig und lassen sich nur in Anwesenheit dieser kultivieren oder
metabolisch stimulieren, um einen durch Fermentation
wandelbaren Stoff A zu einer Stufe B zu wandeln. Die
Mikroorganismen der sechsten Art 14 und der siebenten Art 16 können gemeinsam in Kompartimenten einer sechsten Art 17 oder getrennt in Kompartimenten einer siebenten Art 18 und in
Kompartimenten einer achten Art 19 angeordnet sein. Alternativ können die Mikroorganismen der sechsten Art 14 in ihren
Kompartimenten der siebenten Art 18, die Mikroorganismen der siebenten Art 16 in ihren Kompartimenten der achten Art 19 sowie Mikroorganismen einer achten Art 21 in Kompartimenten einer neunten Art 22 gruppenweise in übergeordneten
Kompartimenten einer zehnten Art 23 angeordnet sein. Die Mikroorganismen der sechsten Art 14 und der siebenten Art 16 scheiden Botenstoffe 24 aus, mit denen die Mikroorganismen der fünften Art 13 stimuliert werden. Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Produktabtrennung bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Mikroorganismen einer neunten Art 26 metabolisieren während einer Fermentation von einer Stufe A zu einer Stufe B. Die metabolisierte Stufe B wird in Kompartimenten einer elften Art 27 selektiv gebunden und/oder angereichert und dadurch abgetrennt.
Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Hybridsynthese bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Mikroorganismen einer zehnten
Art 29 metabolisieren während einer Fermentation von einer Stufe A über einer Stufe B zu einer Stufe C, wobei der
Übergang von der Stufe B zu der Stufe C durch Katalysatoren (nicht dargestellt) in Kompartimenten einer zwölften Art 31 gesteuert wird. Die kompartimierten Katalysatoren erlauben eine Hybridsynthese, welche von der Stufe A zu der Stufe B durch Enzyme biokatalytisch und von der Stufe B zu der Stufe C durch chemische Katalysatoren chemokatalytisch erfolgt. Fig. 6 zeigt eine Prinzipdarstellung einer gezielten
Kolaeszenz bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mikroorganismen einer elften Art 33 vermehren sich zunächst in Kompartimenten einer dreizehnten Art 34. Mikroorganismen einer zwölften Art 36 vermehren sich zunächst in Kompartimenten einer vierzehnten Art 37. Danach erfolgt eine gezielte Koaleszenz der Mikroorganismen der elften Art 33 und der Mikroorganismen der zwölften Art 36, indem diese zeitgesteuert zueinander geführt werden und
Kompartimenten einer fünfzehnten Art 38 erzeugt werden. Fig. 7 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Umhüllung 39 am Beispiel der Kompartimente der ersten Art 02 bei einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Umhüllung 39 besteht aus einem selektiven
Mittel, welches eine Komponente A, aber nicht eine Komponente B passieren lässt. Die Umhüllung 39 umgibt die Kompartimente der ersten Art 02 vollständig. Fig. 8 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Reaktionskaskade unter Anwendung eines Katalysators bei einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist wiederum ein Fermentationsprozess , umfassend die Stufen A, B, C gezeigt, der beispielhaft in den Kompartimenten der ersten Art 02 beginnt. Der Reaktionsschritt von B nach C erfolgt unter Verwendung des Katalysators. Dieser kann beispielsweise in dem fluorierten Dispersionsmedium 01 (gezeigt in Fig. 1) angeordnet werden, wo er einen Reaktionsschritt selektiv bewirkt .
Fig. 9 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Reaktionskaskade zur Bildung eines Polymers bei einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist ein Fermentationsprozess, umfassend die Stufen A, B, C, D, E und F gezeigt, der beispielhaft in den Kompartimenten den ersten Art
02 beginnt. Die Stufe F stellt das Polymer dar. Der
Reaktionsschritt von B nach C und der Reaktionsschritt von E nach F erfolgen jeweils unter Verwendung eines Katalysators. Die Reaktionskaskade, umfassend die Stufen A, B, C, D, E und F läuft alternierend in den Kompartimenten den ersten Art 02 und im Dispersionsmedium 01 (gezeigt in Fig. 1) ab. Die
Polymerisationsreaktion kommt durch alternierende
Reaktionsschritte zustande, die sequentiell jeweils im
Kompartiment 02 und dem Dispersionsmedium 01 (gezeigt in Fig. 1) oder einem anderen Kompartiment ablaufen. Dabei wird ein Makromolekül aufgebaut. Der beispielhaft dargestellte Prozess von der Stufe A bis zur Stufe F stellt nur einen exemplarischen Teil der sich wiederholenden
Polymerisationsreaktion dar.
Fig. 10 zeigt eine Prinzipdarstellung der Kaskaden-Reaktion bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die
Kompartimente der ersten Art 02, die Kompartimente der dritten Art 07 und die Kompartimente der vieren Art 09 kontaktierend angeordnet, sodass der Stofftransport in den Stufen B und C unmittelbar zwischen den Kompartimenten 02, 07, 09 und nicht mittelbar über Dispersionsmedium 01 (gezeigt in Fig. 1) erfolgt. Das Dispersionsmedium 01 (gezeigt in Fig. 1) dient bei dieser Ausführungsform lediglich zum Bewahren der
Kompartimente 02, 07, 09.
Fig. 11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Anordnung zur Fermentation. Die Anordnung umfasst einen einen Innenraum bildenden Rührkessel 41. Die Anordnung umfasst weiterhin ein Mittel (nicht gezeigt) zum Erzeugen der Kompartimente der ersten Art 02 vom Typ A, welche über eine Zuführung 42 in den Rührkessel 41 geführt werden können. Im Rührkessel 41 befindet sich das Dispersionsmedium 01, in welches bereits die Kompartimente der zweiten Art 03 vom Typ C eingeführt sind. Die Kompartimente der zweiten Art 03 weisen katalytische oder stimulatorische Eigenschaften auf, sodass es zu einer Fermentation des in den Kompartimenten der ersten Art 02 enthaltenen Stoffes kommt, wodurch ein
Fermentationsprodukt vom Typ B entsteht, welches in
Kompartimenten einer vierten Art 43 enthalten ist. Die Anordnung umfasst zudem eine Vorrichtung 44, mit welchem das Dispersionsmedium Ol mit den darin befindlichen Kompartimenten der ersten, zweiten und vierten Art 02, 03, 43 durchmischt werden kann. Die Anordnung umfasst weiterhin eine Abführung 46, mit welcher die Kompartimente der ersten, zweiten und vierten Art 02, 03, 43 sowie das Dispersionsmedium 01 aus dem Rührkessel 41 abgeführt werden können. Die Abführung 46 mündet in eine sensorische Einheit 47, die zur Messung einer den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe dient, und anschließend in eine Trenneinheit 48, in welcher die
Kompartimente der vierten Art 43 von den Kompartimenten der ersten und zweiten Art 02, 03 getrennt werden. Auf diese Weise kann das Fermentationsprodukt vom Typ B selektiert und
abgeleitet werden. Von der Trenneinheit 48 führt eine
Rückführung 49 zurück zum Rührkessel 41, sodass die
Kompartimente der ersten und zweiten Art 02, 03 sowie das abgeführte Dispersionsmedium 01 zurück in das übrige
Dispersionsmedium 01 im Rührkessel geleitet werden können.
Die Kompartimente der ersten und zweiten Art 02, 03 werden in der Zuführung 42, in der Abführung 46 und in der Rückführung 49 bevorzugt im Dispersionsmedium 01 transportiert.
Fig. 12 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anordnung zur Fermentation. Im Unterschied zu der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform umfasst die hier gezeigte Ausführungsform eine einen Sensor (nicht dargestellt) umfassende Teilungseinheit 50, mit welcher rückgeführte
Kompartimente der vierten Art 43 vom Typ B geteilt werden können, wodurch Teilkompartimente 51 entstehen. Einige der Teilkompartimente 51 werden mit einer Dosiereinheit 52 auf das Volumen vor der Selektion aufgefüllt und gemeinsam mit dem zuvor abgeführten Kompartimenten der ersten Art 02 über die Rückführung 49 zurück zum Rührkessel 41 geführt. Mit der hier gezeigten Ausführungsform ist es möglich, gezielt Kompartimente zu selektieren, Aliquote von diesen zu
entnehmen, unverbrauchte Medienbestandteile zuzuführen und zurückzuführen. Somit kann ein dem Feed-Batch-Verfahren analoges Wachstum von Mikroorganismen in Ko-Kulturen in einer kontinuierlichen Betriebsweise realisiert werden.
Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Ko-Kultivierung mit hochkonzentrierten
Puffern bzw. Medien vor. Bei der Kultivierung der
Mikroorganismen 06, 08, 11 (gezeigt in Fig. 2) und bei deren Wachstum sowie bei deren metabolischem Umsatz ändert sich die Zusammensetzung der Kompartimente 02, 03 (gezeigt in Fig. 1) . Die StartZusammensetzung der Kompartimente 02 , 03 (gezeigt in
Fig. 1) muss sich an den Lebensbedingungen der Mikroorganismen 06, 08, 11 (gezeigt in Fig. 2) orientieren, was u. a. die Maximalkonzentration der Medienbestandteile, den osmotischer Druck und den pH-Wert betrifft. Somit sind Wachstumsprozesse oder metabolische Produktionsprozesse durch die anfängliche
Zusammensetzung der Kompartimente 02, 03 (gezeigt in Fig. 1) limitiert. Die Kultivierung eines Mikroorganismus in
Kompartimenten von einem Typ A mit Kompartimenten von einem Typ B, welche Medienbestandteile in einer Konzentration außerhalb der Lebensbedingungen des Mikroorganismus enthalten, erlauben bei ausreichendem Stoffaustausch zwischen den
Kompartimenten vom Typ A und B eine verbesserte Langzeit- Kultivierung. Verändert sich der pH-Wert während der
Kultivierung in den Kompartimenten vom Typ A wird den
Kompartimenten vom Typ A bevorzugt ein Puffer zugesetzt. Die
Pufferkapazität in den Kompartimenten vom Typ A ist dabei limitiert, da eine zu hohe Salzkonzentration für den
Mikroorganismus toxisch oder wachstumshemmend wirkt. Der osmotische Druck limitiert die Salzkonzentration in Medien. Wird eine kompartimentierte Mischpopulation verwendet, bei welcher die zweite Kompartimentklasse ein Puffersystem in sehr hoher Konzentration enthält und zu einer großen
Pufferkapazität führt, können die Kompartimente vom Typ A mit den Mikroorganismen über einen deutlich längeren Zeitraum pH- stabil gehalten werden.
Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Ko-Kultivierung mit verschiedenen
orthogonalen Medien vor. Die Kultivierung unterschiedlicher Organismen verlangt häufig individuell angepasste
Medienbedingungen. Bei der Verwendung von z. B.
konditionierten Medien kann so die Situation entstehen, dass ein Medium, welches für Organismen eines Typs A
wachstumsfördernd wirkt, für Organismen eines Typs B aber wachstumshemmend oder sogar toxisch wirkt. Somit ist eine Ko- Kultivierung nicht ohne weiteres möglich. Durch die
erfindungsgemäße Verwendung eines kompartimentierten Ansatzes können aber zwei Klassen von Kompartimenten in einem
Dispersionsmedium erzeugt werden. Die Kontrolle des
Stoffaustausches durch Zusatz geeigneter Tenside, Phasen- Transfer-Katalysatoren oder Lösungsmittel zur Separationsphase können Ko-Kultivierungsbedingungen geschaffen werden, welche eine stoffliche Kommunikation zwischen den Kompartimenten zulassen, ohne dass toxische Effekte des ersten
Dispersionsmediums auf die Organismen vom Typ B wirken.
Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht ein Screening von Mehrorganismensystemen und eine direkte Übertragung in die erfindungsgemäße Anordnung vor. Es ist aus Genomanalysen bekannt, dass Mikroorganismen die genetische Ausstattung haben, bis dato unbekannte
Sekundärmetaboliten, Antibiotika, Aminosäuren oder Enzyme zu produzieren. Das Problem besteht darin, geeignete Stimulationsbedingungen zu finden, um diese inaktiven Gene zu aktivieren. Dies kann erfindungsgemäß durch eine Ko- Kultivierung mehrerer Organismen erreicht werden. Hierbei stimulieren StoffWechselprodukte oder Botenstoffe die Bildung des Fermentationsproduktes. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung werden beispielsweise 100 verschiedene Organismen kompartimiert und jeweils drei
Kompartimente Ki, Kj , Kk in jeweils unterschiedlichen
Mengenverhältnissen n Ki + m Kj + o Kk ko-kultiviert . Folglich entstehen mindestens 100 - 99 -98 = 970.200
Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Mikroorganismen, wenn n, m, o = 1 ; 1 Ki + 1 K + 1 Kk. Es wird eine geeignete Kombination gewählt und die entsprechende Mischung der
Kompartimente n Ki + m Kj + o Kk im Dispersionsmedium erzeugt. Hierbei wird das Verhältnis der Kompartimente n : m : o im gleichen Verhältnis eingestellt wie in der im Screening gewählten Mischung.
Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Stimulation durch diffusionskontrollierte
Nährstofflimitierung vor. Die Sekundärmetabolit-Produktion wird häufig durch einen limitierenden Faktor, wie z. B. eine Phosphatkonzentration oder eine Stickstoffkonzentration reguliert. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch Verwendung von zwei Kompartimentklassen realisiert, wobei eine Klasse A den Produktionsorganismus enthält und eine zweite Klasse B den limitierenden Faktor, z. B. eine Phosphat- oder Stickstoffquelle in hoher
Konzentration. Durch die Transportkontrolle des limitierenden Faktors von den Kompartimenten der Klasse B zu den
Kompartimenten der Klasse A wird die Konzentration in den Kompartimenten der Klasse A kontrolliert unter dem notwendigen Schwellwert gehalten. Der limitierende Faktor kann dabei auch in einer Depotform in den Kompartimenten vom Typ B enthalten sein, beispielsweise Phytinsäure als Phosphatquelle, und in dieser Form in die Kompartimente vom Typ A transportiert werden . Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der
Erfindung sieht eine Aeration während der Fermentation vor. Dabei wird Sauerstoff oder ein Stoffwechsel-Gas wie CO2 in physikalisch gebundenen Lösungen zur Verfügung gestellt. Die SauerstoffVersorgung von fermentativen Prozessen kann über Einblasen von steriler Luft in den Fermenter realisiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die SauerstoffVersorgung der Kompartimente über den
Sauerstoffaustausch mit dem Dispersionsmedium gesteuert.
Bevorzugt werden z. B. perfluorierte Flüssigkeiten verwendet, die eine hohe physikalische Sauerstoffbindefähigkeit haben.
Somit werden dispergierte Kompartimente über den diffusiven Austausch mit Sauerstoff versorgt. Der Schauerstoffanteil in der Separationsphase wird bevorzugt gesteuert, um eine
zeitlich variable SauerstoffVersorgung der Kompartimente zu realisieren. Ebenfalls werden bevorzugt zwei
Kompartimentklassen eingesetzt, wobei eine Klasse A den
Produktionsorganismus enthält und eine Klasse B eine Lösung, welche das benötigte Gas aus einer chemischen und/oder
enzymatischen Reaktion freisetzt. Diese Ausführungsformen sind nicht auf Sauerstoff beschränkt, sondern können mit einem beliebigen Gas, wie z. B. CO2, H2S CH4, C2H4 realisiert werden. Hierbei kann der Fermentationsprozess sowohl aerob als auch anaerob ausgestaltet sein. Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der
Erfindung sieht eine Extraktionsstrategie vor, gemäß welcher durch einen enzymatischen Übertrag hydrophober Komponenten auf ein Substrat die Extrahierbarkeit in das Dispersionsmedium sichergestellt wird. Ein Problem bei biotechnologischen Produktionsverfahren ist die Isolation des Produktes. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein bakteriologischer Produktionsschritt mit einer enzymatischen Reaktion kombiniert, welche das Produkt in seiner Polarität verändert, sodass Produkte selektiv in einer Kompartiment- Klasse oder in der Trägerphase angereichert werden. Die Zusammensetzung der Dispersionsphase wird bevorzugt zeitlich gesteuert, um Produkte aus den Kompartimenten selektiv zu extrahieren .
Bezugszeichenliste
01 Dispersionsmedium
02 Kompartimente einer ersten Art
03 Kompartimente einer zweiten Art
04 Kompartimentoberflache
05
06 Mikroorganismen einer ersten Art
07 Kompartimente einer dritten Art
08 Mikroorganismen einer dritten Art
09 Kompartimente einer vierten Art 10
11 Mikroorganismen einer vierten Art 12
13 Mikroorganismen einer fünften Art
14 Mikroorganismen einer sechsten Art 15
16 Mikroorganismen einer siebenten Art
17 Kompartimente einer sechsten Art
18 Kompartimente einer siebenten Art
19 Kompartimente einer achten Art 20
21 Mikroorganismen einer achten Art
22 Kompartimente einer neunten Art
23 Kompartimente einer zehnten Art
24 Botenstoffe
25
26 Mikroorganismen einer neunten Art
27 Kompartimente einer elften Art 28
29 Mikroorganismen einer zehnten Art 30
31 Kompartimente einer zwölften Art 32 33 Mikroorganismen einer elften Art
34 Kompartimente einer dreizehnten Art
35 -
36 Mikroorganismen einer zwölften Art
37 Kompartimente einer vierzehnten Art
38 Kompartimente einer fünfzehnten Art
39 Umhüllung
40 -
41 Rührkessel
42 Zuführung
43 Kompartimente einer vierten Art
44 Vorrichtung
45 -
46 Abführung
47 sensorische Einheit
48 Trenneinheit
49 Rückführung
50 Teilungseinheit
51 Teilkompartimente
52 Dosiereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fermentation, folgende Schritte umfassend:
- Kompartimieren eines einen durch Fermentation
wandelbaren Stoff bereitstellenden Mittels (06), wodurch eine Vielzahl an Kompartimenten einer ersten Art (02) entsteht ;
- Kompartimieren eines die Fermentation bewirkenden
Mittels, wodurch eine Vielzahl an Kompartimenten einer zweiten Art (03) entsteht;
- Anordnen der Kompartimente der ersten Art (02) und der Kompartimente der zweiten Art (03) in einem
Dispersionsmedium (01), welches die Kompartimente der ersten Art (02) und die Kompartimente der zweiten Art (03) bewahrt und einen Stofftransport zumindest mit den Kompartimenten der ersten Art (02) oder mit den
Kompartimenten der zweiten Art (03) ermöglicht;
- Herstellen von Bedingungen zum Gewähren einer
Fermentation im Dispersionsmedium (01), in den
Kompartimenten der ersten Art (02) und/oder in den Kompartimenten der zweiten Art (03), sodass der durch Fermentation wandelbare Stoff zu einem
Fermentationsprodukt gewandelt wird; und
- Abführen des Fermentationsproduktes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel durch einen Vorrat des durch Fermentation
wandelbaren Stoffes gebildet ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellende Mittel durch Mikroorganismen einer ersten Art (06) gebildet ist, welche den durch Fermentation wandelbaren Stoff generieren .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das die Fermentation bewirkende Mittel durch ein Enzym oder durch einen Katalysator gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das die Fermentation bewirkende Mittel durch fermentierende Mikroorganismen einer zweiten Art gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass während der Fermentation mindestens ein Zwischenprodukt vor der Entstehung des
Fermentationsproduktes entsteht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt in den Kompartimenten der ersten Art (02) oder in den Kompartimenten der zweiten Art (03) entsteht oder in die Kompartimente der ersten Art (02) oder in die Kompartimente der zweiten Art (03) transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt in Form von Kompartimenten einer dritten Art (07) entsteht oder in Kompartimente einer dritten Art (07) transportiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kompartimente der ersten Art (02) und/oder die Kompartimente der zweiten Art (03) mit einem selektiven Mittel umhüllt werden, welches den
Stofftransport zwischen dem Dispersionsmedium (01) und den Kompartimenten der ersten Art (02) und/oder den
Kompartimenten der zweiten Art (03) selektiv bedingt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kompartimente der ersten Art (02) und die Kompartimente der zweiten Art (03) jeweils durch einen Partikel, durch eine Hohlkugel, durch eine Gasblase, durch eine Kapsel oder durch einen Tropfen gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Dispersionsmedium (01)
Funktionsstoffe enthalten sind, die mindestens ein
Detergens umfassen, welches durch einen
Phasentransferkatalysator, durch ein Tensid, durch ein Lösungsmittel, durch ein Transportenzym oder durch eine Emulsion gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Herstellens von
Bedingungen zum Gewähren der Fermentation im
Dispersionsmedium (01), in den Kompartimenten der ersten Art (02) und/oder in den Kompartimenten der zweiten Art (03) mindestens einen Teilschritt umfasst, in welchem die Bedingungen abhängig von der Zeit oder abhängig von einer gemessenen den Ablauf der Fermentation beschreibenden Größe geändert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin zur Nachbildung eines natürlichen Systems ausgebildet ist, wofür es folgende weitere Schritte umfasst:
- Kompartimieren weiterer jeweils einen durch Fermentation wandelbaren Stoff bereitstellender Mittel, wodurch jeweils eine Vielzahl an Kompartimenten weiterer Arten entsteht ;
- Kompartimieren weiterer die Fermentation bewirkender
Mittel, wodurch jeweils eine Vielzahl an Kompartimenten weiterer Arten entsteht; wobei die weiteren jeweils einen durch Fermentation wandelbaren Stoff
bereitstellenden Mittel und die weiteren die
Fermentation bewirkenden Mittel gemäß einem natürlichen System ausgewählt und bemessen werden; und
- Anordnen der Kompartimente der weiteren Arten im
Dispersionsmedium (Ol), welches die Kompartimente der weiteren Arten bewahrt.
Anordnung zur Fermentation, folgende Komponenten umfassend:
- Mittel zum Erzeugen von Kompartimenten einer ersten Art
(02) ;
- Mittel zum Erzeugen von Kompartimenten einer zweiten Art
(03) ;
- einen Innenraum (41) zur Aufnahme eines
Dispersionsmediums (01);
- mindestens eine Zuführung (42) zum Innenraum (41) zum Zuführen der Kompartimente der ersten Art (02) und der Kompartimente der zweiten Art (03); - ein Mittel zum Herstellen von Bedingungen zum Gewähren einer Fermentation in dem im Innenraum (41) befindlichen Dispersionsmedium (Ol), in den im Innenraum (41) befindlichen Kompartimenten der ersten Art (02) und/oder in den im Innenraum (41) befindlichen Kompartimenten der zweiten Art (03), sodass der durch Fermentation
wandelbare Stoff zu einem Fermentationsprodukt gewandelt wird; und
- eine Abführung (46) zum Abführen des
Fermentationsproduktes.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung (46) weiterhin zum Abführen des im Innenraum (41) befindlichen Dispersionsmediums (01) ausgebildet ist, in welchem sich die Kompartimente der ersten Art (02), die Kompartimente der zweiten Art (03) und das
Fermentationsprodukt befinden, wobei die Anordnung
weiterhin umfasst:
- eine mit der Abführung verbundene Trenneinheit (48) zum Trennen des Fermentationsproduktes vom Dispersionsmedium (01); und
- eine mit der Trenneinheit (48) verbundene Rückführung (49) zum Rückführen des Dispersionsmediums (01) zum Innenraum (41).
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