DD139870A1 - VERFAHREN ZUR MIKROBIELLEN KONVERTIERUNG VON SUBSTR&TKOMBINATIONEN - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiologischen Industrie und hat zum Ziel, durch Steigerung der Substratausnutzung und spezifischen Wachstumsrate bzw. Produktbildungsrate den Ertrag an Biomasse bzw. Produkt zu erhöhen. Gemessen an der Verbrennungsenthalpie der mikrobiellen Biomasse können die Substrate für das Wachstum bzw. für die Produktbildung eingeteilt werden in: 1. Substrate mit Energieüberschuß, 2. mit einem nahezu ausgewogenen Kohlenstoff/Energie-Verhältnis und 3. mit Energiemangel.
Description
Titel · . .
Verfahren zur mikr-obiellen Kovertierung von Substratkombinationen
Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiologischen Industrie, speziell Verfahren zur Erzeugung von mikrobiellen Biomassen, und Produkten,,
Die bekannten technischen Lösungen für die Biomasseproduktion und Produktsynthese sind dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoff- und Energiequelle ein Substrat eingesetzt wird, z,B. für Biomasse: Methanol·- 76,26.280 Japan, Cl. C 12 C 11/08 (1976, Glucose - 76.48.489 Japan Cl. C 12 D 13/06 . (1976), n-Alkane - 2.348.753 BRD, C 12 C 11-18 (1973), 1.442.070 Großbritannien, C 12 B1-OO (1975), Äthanol bzw. Essigsäure - 77.105.275 Japan, Cl. C 12 C 11/08 (1977); ' für ProduktSynthesen: Glucose - 1,812.710 Japan und 3.622.455 US (1976), n-Alkane - Tabuchi et al. (1970) Nippon Nogei Kogaku Kaishi 44, 562. .
Durch phänotypische Optimierung der Fermentationsprozesse werden Ertragskoeffizienten (Biomasseproduktion) erreicht, die im allgemeinen um 45% liegen und die 50%-nicht übersteigen. Bei Einsatz von Mischsubstraten erfolgt die Auswahl und Kombination der Substrate auf empirischer Grundlage .(z.B.
Sulfitablaugen/Äthanol - 2506149 BRD, C 12 D 13/06 (1976), Glucose/Lactose - Baidya et al. (1967) Biotechnol. Bioeng. IX, 195).
563
Die Erfindung hat zum Ziel, durch Steigerung der Substratausnutzung und spezifischen Wachstumsrate bzw·· Produktbildungsrate den Ertrag an Biomasse bzw· Produkt zu erhöhen 5und damit wesentlich die Ökonomie der Verfahren zur Erzeugung von Biomasse und mikrobiellen Produkten zu verbessern.
Darlegung des Weseng der Erfindung .
Substrate für das mikobielle Wachstum, die Kohlenstoff- und Energiequelle zugleich sind, unterscheiden sich im Kohlenstoff/Energie-Verhältnis· Gemessen an dem Energieinhalt der erzeugten Zellsubstanz können die in Präge kommenden Substrate inbezug auf ihre Ausgewogenheit im Kohlenstoff/Energie-Verhältnis bewertet werden. Dabei lassen sich die Substrate in drei Gruppen einteilen (s· Tabelle 1).:
1· Substrate mit Energieüberschuß (E > C)
2. Substrate mit einem ausgewogenen Kohlenstoff:Energie-Verhältnis (E ^ C)
3. Substrate mit Energiemangel (E ^ C).
| Tabelle 1 | % | E Äi c | % | E^ C | % |
| 20 E > C | 74 | Glycerin | 96,5 | Saccharose | 113 : |
| Methanol | 78 | Arabit | 103 | Xylose | 113 |
| Äthanol | 80 | Manni t | 105 | Ribose | 113 |
| Pentadecan | 80 | Glucose | 114 | ||
| Hexadecan | 86 | Milchsäure | 118 | ||
| 25 Palmitinsäure | Essigsäure | 122 | |||
| Brenztrau | 137 | ||||
| bensäure | |||||
| Bernstein | 143 | ||||
| säure | |||||
| 30 | Äpfelsäure | 159 | |||
| Fumarsäure | 160 | ||||
| Citronen | 161 | ||||
| säure | |||||
| Ameisen | 208 | ||||
| säure | |||||
| Oxalsäure | 435 | ||||
| — "3 — | |||||
563
Zahlenwerte bedeuten: % der verbrauchten Energie bei 100%-Kohlenstoff-Einbau und einem C-Gehalt der Biomasse von 47%
Das Wesen der· Erfindung besteht darin, für mikrobielle Biomasseproduktionen sowie für Produktsynthesen Substratmischungen einzusetzen, die so zu kombinieren sind, daß ein ausbalanciertes Kohlenstoff/Energieverhältnis entsteht, so daß Ertragskoeffizienten erreicht v/erden, die dem theoretischen Optimum nahe kommen (bei der Biomasseproduktion ca.
67%, bezogen auf den Kohlenstoff), Dies hat entscheidende Auswirkungen auf die Ökonomie der Verfahren durch Erhöhung der Substratausbeute und durch Senkung de'r Abwärme. Bedingungen für die erfolgreiche Anwendung dieses Prinzips sind Mikroorganismen, die in der Lage sind, einerseits auf jedem Substrat der gewählten Kombination zu v/achsen und andererseits die Substrate kombiniert simultan aufzunehmen, und daß in der Kombination ein Substrat nicht die Verwertung eines anderen Substrates inhibiert und/oder reprimier-t. Die simultane Verwertung der Substrate führt gleichzeitig zu einer Steigerung der spezifischen Wachstumsrate, v/as für die Dimensionier-ung der Anlage und die biologische Stabilität im ungeschützten Fermentationsprozeß vorteilhaft ist.
Der methanolutilisierende Hefestamm Hansenula polymorpha wurde im diskontinuierlichen Prozeß unter folgenden Bedingungen kultiviert: T = 38 0C pH = 4,5
Zusammensetzung der Nährlösung: Komponente M£2Se (2ro
H3PO4 1 ml
KCl 0,5 g
NaCl . 0,1 g
209 56 3
MgSO4 , 0,182 g
PeSO. 30 mg
MnSO4 , 5H2O 24 mg ·
ZnSO4 4 mg
CuSO4 1 mg
CoSO4 2 mg
24 10 mg
Biotin 15 mg
Thiamin 800 mg
-]0 UH-a~N-Eintrag kontinuierlich über pH-Regelung Permentor =2,51 Laborfermentor (LKB, Schweden) Als C-Quelle diente eine Kombination von Methanol und Xylose (Konzentration = 50 mM Methanol
+12 mM Xylose),
-I5 Dabei konnten die folgenden Werte für die spezifische Wachstumsrate (/u) und den Ertragskoeffizienten (Yc) aus dem simultanen Substratverbrauch und dem Biomasseertrag errechnet werden: .
Substrat /U (h-1) Yc (gTS/gC)
Methanol - '
+ Xylose . 0,210 1,2
Wurden dagegen Methanol und Xylose getrennt als C-Quellen eingesetzt (Konzentration an Methanol =25 mM konstant überdenke samt en Versuch; Konzentration an Xylose = 12 mlvl), so betrugen die Ertragskoeffizienten und die spezifischen Wachstumsr-aten nur: "
Substrat ,u (h~1) Yc (gTS/gC)
Methanol 0,110 0,89
Xylose 0,070 1,0 ·
Unter der Bedingung der kombinierten Substratzugabe ist demnach eine Steigerung der spezifischen Wachstumsrate um nahezu 100% und eine Signifikate Erhöhung des Ertrqg skoeffizienten zu verzeichnen.
— 5 —
Der methanolutilisierende Stamm Hansenula polymorpha sp. wurde unter den im Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen kultiviert» Die Fermentation erfolgte kontinuierlich. Als Substrat wurde die Kombination von Methanol mit Xylose (Mischungsverhältnis wie im Beispiel 1; Konzentration von Methanol < 12 mM) eingesetzt.
Durch Verwendung der Substratkombination konnte ein stabiler
_1 Prozeß mit D . . = 0,138 h erzielt v/erden, der Ertrags-
1.0 koeffizient betrug Yc = 1,5 gTS/gC.
Bei Einsatz von Methanol als einziger C-Quelle und Energiequelle (Konzentration < 12 mM) konnte dagegen eine maximale Durchflußrate von nur D ., = 0,07 h ,realisiert werden, der Ertragskoeffizient betrug Yc = 1,18 gTS/gC.
Mit GiIfe der Substratkombination erhöhte sich gegenüber dem alleinigen Substrat Methanol die kritische Dürchflußrate um ca.'100% und der Ertragskoeffizient um 27%.
Die Hefe Candida utiis würde mit einer Mischung von Äthanol und Saccharose im Gewichtsverhältnis 3 : 1. in einem Rührfermentor mit 5 kg Arbeitsinhalt unter folgenden Bedingungen kultiviert:
Fermentationstemperatur: 35 0C
pH-Wert: 4,0
Verweilzeit: 3,0 h .
Gelöst-Op-Konzentration: ^ 2 ppm 0
Zusammensetzung der Nährlösung: .
Äthanol 12,0 g/l
Saccharose 4,0 g/l.
H3PO4 (85%-ig) 0,8 ml/1
0,76 g/l 0,28 g/l 26,0 mg/1 8,8 mg/1 8,8 mg/1
1,6 mg/1
- 6 -
| H2SO4 | . 7 | H2O |
| MgSO4 | ♦ 7 | H2O |
| PeSO4 | . 7 | H2O |
| ZnSO | . 5 | H2O |
| MnSO4 | . 5 | H2O |
| CuSO4 | ||
9
Die StickstoffVersorgung der Hefe erfolgte mit Ammoniakwasser über die pH-Regelung. Beide Substrate wurden vollständig verwertet. Es wurde eine Hefekonzentration von 11,0 g HTS/1 erhalten. Das entspricht einem Ertragskoeffizienten von 0,68 g HTS/g Substrat bzw. 1,38 g HTS/g C.
Wurden dagegen Äthanol und Saccharose unter den o.g. Bedingungen einzeln als C-Quelle eingesetzt, so wurden folgende Ertragskoeffizienten erhalten:
Äthanol 1,5 1 ,28
Saccharose 2,0 1,19
Für das verwendete Äthanol/Saccharose-Gemisch mit dem Gewichtsverhältnis 3 : 1 läßt sich daraus ein Ertragskoeffizient Ys von 0,63 gHTS/g Substrat bzw. Yc von 1,26 gHTS/g Kohlenstoff berechnen.
Bei kombinierter Substratzugabe ist demnach eine Erhöhung des Ertragskoeffizienten um 9,5% zu verzeichnen.
Der paraffinutilisier-ende Hefestamm Candida guilliermondii D wurde im diskontinuierlichen Prozeß in einem 40-1-Laborrührfermentor unter folgenden Bedingungen kultiviert:
Temperatur: 33 0C
' pH: 4,2
pH-Regelung: mit 10%-iger NaOH
Begasung: 100 1 Luft/kg.h
Zusammensetzung der Nährlösung:
1 1 enthält: 13,4 g (NHj0SO,
| 3,5 | g | KH2PO4 | 7 H2O |
| 0,84 | g | H3PO4 | 1V XJ Γ} ( -Tl2VJ |
| 0,53 | g | MgSO4 . | f"7 TT r\ I -HpVJ |
| 42,0 | mg | PeSO4 . | 5 H2O |
| 33,0 | mg | MnSO4 . | |
| 21,0 | mg | CuSO4 . | |
| 20,0 | mg | ZnCl2 | |
-7 - 20 9 563
C-Quelle: Gemisch aus 140g Erdöldestillat/kg Nährlösung (Siedegrenzen 240 - 360 0C mit 18,5 Ma.% n-Alkanen) und 20 g Glukose/kg Nährlösung
Unter diesen Kultivierungsbedingungen wurde eine spezifische —1 Wachstumsrate Ai von 0,41 h erreicht.
Bei der getrennten Kultivierung auf Erdöldestillat (140 g/kg Nährlösung) und Glukose (20 g/kg Nährlösung) bei. einem Inertölanteil von 140 g/kg Nährlösung wurden hingegen nur spezifische Viiachstumsgeschwindigkeiten von
0,28 h"1 für ED und
0,24 h"1 für Glukose erreicht.
. Unter den Bedingungen des kombinierten Substratangebotes ergab sich eine Steigerung der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit gegenüber Erdöldestillat als alleiniger Kohlenstoffquelle von 45% und gegenüber Glukose als einziger Kohlenstoffquelle von 70%.
Bei der kontinuierlichen Fermentation unter den o.g. Bedingungen konnte bei einer Verweilzeit von 5 Stunden durch die Substratkombination Erdöldestillat (200 g/kg Nährlösung) und Glukose (10 g/kg Nährlösung) gegenüber einer Fermentation mit Erdöldestillat als einziger Kohlenstoffquelle eine Steigerung der Produktivität χ von 2,94 auf 3,99 (gTS/kgh) und eine Verringerung des SauerstoffVerbrauches von 2,71 auf 1,86 g 0?/g TS
2.5 erreicht werden.
Unter Zugrundelegung folgender Fermentationsbedingungen
- Temperatur: 32 0C . - pH: 4,2
- Belüftungsrate: 15% gelöst O2
- Rührerdrehzahl: 2400 U/min
- Reaktor: 12 ILaborrührfermentor mit Bodenantrie
- Zellkonzentration: 20 g HTSAg
- Verweilzeit: 50 h (einstufige Prozeßführung) -Nährlösungszusammensetzung · .
pro 1 (20 g HTS)
| KH2PO4 MoSO4 4 | 7 | H2O |
| CuSO4 , ZnCl2 | 5 | H2O |
| CoSO4 V | 7 | H2O |
| MnSO4 ♦ | 4 | H2O |
| H3BO3 | ||
| CaCl2 ♦ | 6 | H2O |
0,042 g
0,114 g
0,007 g FeCl2 50 g Glucose · 10 ml 0,01%-ige Thiaminlösung
wird unter Verwendung des Hefestammes IMET H 134 (hinterlegt in der IMET-Sammlung des ZIMET Jena) bei Zufuhr von 1,5 ml/min der angeführten Nährlösung sowie 0,25 ml/rnin eines Paraffingemisches des Kettenlängenbereiches C1? - C1□ eine Produktivi-^ tat von 1,6 g Zitronensäure/kg.h bzw, eine spezifische Pro-
_ -1 duktbildungsrate hp = 0,08 h erreicht, ?/enn nur Paraffine als Kohlenstoffquelle eingesetzt werden, wird bei gleichen Zufuhrgeschwindigkeiten nach Erreichen eines stabilen stationären Zustandes (kontinuierliche Fermentationsdauer etwa 150 h) eine maximale Produktivität von 1,2 g Zitronensäure/kg.h, entsprechend einer spezifischen Produktbildungsrate von 0,06 h"~ , erreicht.
Claims (1)
- PatentanspruchVerfahren zur mikrobiellen Konvertierung von Substratkombinationen, dadurch gekennzeichnet, daß simultan verwertbare Substrate, entsprechend ihrem Kohlenstoff /Energie-.. Verhältnis, so kombiniert werden, daß Ausgewogenheit hergestellt wird und somit die Substratmischung von dem eingesetzten Mikroorganismenstamm mit erhöhter Geschwindigkeit verlustarm, d.h. mit dem sowohl stofflichen wie energetischoptimalen Wirkungsgrad in Zellsubstanz bzw. mikrobielle Produkte umgewandelt v/erden.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD20956378A DD139870A1 (de) | 1978-12-07 | 1978-12-07 | VERFAHREN ZUR MIKROBIELLEN KONVERTIERUNG VON SUBSTR&TKOMBINATIONEN |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DD20956378A DD139870A1 (de) | 1978-12-07 | 1978-12-07 | VERFAHREN ZUR MIKROBIELLEN KONVERTIERUNG VON SUBSTR&TKOMBINATIONEN |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD139870A1 true DD139870A1 (de) | 1980-01-23 |
Family
ID=5515682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DD20956378A DD139870A1 (de) | 1978-12-07 | 1978-12-07 | VERFAHREN ZUR MIKROBIELLEN KONVERTIERUNG VON SUBSTR&TKOMBINATIONEN |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DD (1) | DD139870A1 (de) |
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1978
- 1978-12-07 DD DD20956378A patent/DD139870A1/de not_active IP Right Cessation
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