DD139870A1 - METHOD FOR MICROBIAL CONVERTING OF SUBSTR & T COMBINATIONS - 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.The invention relates to the field of microbiological industry and has the goal to increase the yield of biomass or product by increasing the substrate utilization and specific growth rate or product formation rate. Measured by the enthalpy of combustion of the microbial biomass, the substrates for growth and for product formation can be divided into: 1. substrates with excess energy, 2. with a nearly balanced carbon / energy ratio and 3. with energy shortage.
Description
Titel · . .Title ·. ,
Verfahren zur mikr-obiellen Kovertierung von SubstratkombinationenProcess for the micro-artificial co-transformation of substrate combinations
Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiologischen Industrie, speziell Verfahren zur Erzeugung von mikrobiellen Biomassen, und Produkten,,The invention relates to the field of the microbiological industry, especially to processes for the production of microbial biomass, and products,
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. .The known technical solutions for biomass production and product synthesis are characterized in that a substrate is used as carbon and energy source, z, B. for biomass: methanol · - 76,26,280 Japan, Cl. C 12 C 11/08 (1976, Glucose - 76.48.489 Japan CI C 12 D 13/06 (1976), n-alkanes - 2,348,753 FRG, C 12 C 11-18 (1973), 1,442,070 Great Britain, C 12 B 1- O (1975), ethanol or acetic acid - 77,105,275 Japan, CI C 12 C 11/08 (1977); for product syntheses: glucose - 1,812,710 Japan and 3,622,455 US (1976) , n-alkanes - 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.Through phenotypic optimization of the fermentation processes, yield coefficients (biomass production) are achieved, which are generally around 45% and not more than 50%. When using mixed substrates, the selection and combination of substrates is on an empirical basis.
Sulfitablaugen/Äthanol - 2506149 BRD, C 12 D 13/06 (1976), Glucose/Lactose - Baidya et al. (1967) Biotechnol. Bioeng. IX, 195).Sulfite liquors / ethanol - 2506149 BRD, C 12 D 13/06 (1976), glucose / lactose - Baidya et al. (1967) Biotechnol. Bioeng. IX, 195).
563563
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.The aim of the invention is to increase the yield of biomass or product by increasing the utilization of the substrate and the specific growth rate or product formation rate 5 and thus to substantially improve the economics of the processes for producing biomass and microbial products.
Darlegung des Weseng der Erfindung . Explanation of the essence of the invention .
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).:Substrates for microbial growth, which are carbon and energy sources at the same time, differ in carbon / energy ratio. Measured by the energy content of the cell substance produced, the embossed substrates can be evaluated for their balance in carbon / energy ratio. The substrates can be divided into three groups (see Table 1).
1· Substrate mit Energieüberschuß (E > C)1 · Substrates with excess energy (E> C)
2. Substrate mit einem ausgewogenen Kohlenstoff:Energie-Verhältnis (E ^ C)2. Substrates with a balanced carbon: energy ratio (E ^ C)
3. Substrate mit Energiemangel (E ^ C).3. Substrates with energy deficiency (E ^ C).
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Zahlenwerte bedeuten: % der verbrauchten Energie bei 100%-Kohlenstoff-Einbau und einem C-Gehalt der Biomasse von 47%Numerical values mean: % of the energy consumed with 100% carbon incorporation and a C content of the biomass of 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.The essence of the invention is to use substrate mixtures for microbial biomass productions as well as for product syntheses, which are to be combined in such a way that a balanced carbon / energy ratio is achieved, so that yield coefficients are achieved which approach the theoretical optimum (in biomass production approx ,
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.67% based on carbon). This has a significant impact on the economics of the processes by increasing substrate yield and reducing waste heat. Conditions for the successful application of this principle are microorganisms which are able to adsorb on the one hand on each substrate of the chosen combination and on the other hand combine the substrates in combination simultaneously and in that combination one substrate does not inhibit the utilization of another substrate and / or repress-t. The simultaneous utilization of the substrates simultaneously leads to an increase in the specific growth rate, which is advantageous for the dimensioning of the plant and the biological stability in the unprotected fermentation process.
Der methanolutilisierende Hefestamm Hansenula polymorpha wurde im diskontinuierlichen Prozeß unter folgenden Bedingungen kultiviert: T = 38 0C pH = 4,5The methanol-neutralizing yeast strain Hansenula polymorpha was cultured in the batch process under the following conditions: T = 38 ° C. pH = 4.5
Zusammensetzung der Nährlösung: Komponente M£2Se (2ro Composition of the nutrient solution: Component M £ 2S e (2 ro
H3PO4 1 mlH 3 PO 4 1 ml
KCl 0,5 gKCl 0.5 g
NaCl . 0,1 gNaCl. 0.1 g
209 56 3209 56 3
MgSO4 , 0,182 gMgSO 4 , 0.182 g
PeSO. 30 mgPeso. 30 mg
MnSO4 , 5H2O 24 mg ·MnSO 4 , 5H 2 O 24 mg ·
ZnSO4 4 mgZnSO 4 4 mg
CuSO4 1 mgCuSO 4 1 mg
CoSO4 2 mgCoSO 4 2 mg
24 10 mg 24 10 mg
Biotin 15 mgBiotin 15 mg
Thiamin 800 mgThiamine 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-] 0 UH-a ~ N entry continuously via pH control Permentor = 2.51 Laboratory fermentor (LKB, Sweden) The C source was a combination of methanol and xylose (concentration = 50 mM methanol
+12 mM Xylose),+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: .The following values for the specific growth rate (/ u) and the yield coefficient (Yc) were calculated from the simultaneous substrate consumption and the biomass yield:.
Substrat /U (h-1) Yc (gTS/gC) Substrate / U (h- 1 ) Yc (gTS / gC)
Methanol - ' Methanol - '
+ Xylose . 0,210 1,2 + 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: "On the other hand, when methanol and xylose were used separately as C sources (concentration of methanol = 25 mM constant, and experiment, concentration of xylose = 12 mlvl), the yield coefficients and the specific growth rates were only: "
Substrat ,u (h~1) Yc (gTS/gC)Substrate, u (h ~ 1 ) Yc (gTS / gC)
Methanol 0,110 0,89Methanol 0.110 0.89
Xylose 0,070 1,0 ·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.Under the condition of the combined substrate addition, an increase in the specific growth rate by almost 100% and a significant increase in the yield coefficient can be observed.
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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.The methanolutilizing strain Hansenula polymorpha sp. was cultured under the conditions described in Example 1. »The fermentation was carried out continuously. The substrate used was the combination of methanol with xylose (mixing ratio as in Example 1, concentration of methanol <12 mM).
Durch Verwendung der Substratkombination konnte ein stabilerBy using the substrate combination could be a stable
_1 Prozeß mit D . . = 0,138 h erzielt v/erden, der Ertrags-_1 process with D. , = 0.138 h, the earnings
1.0 koeffizient betrug Yc = 1,5 gTS/gC.1.0 coefficient was 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.On the other hand, when methanol was used as sole C source and energy source (concentration <12 mM), a maximum flow rate of only D.I. = 0.07 h could be achieved; the yield coefficient was 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%.By using the substrate combination, the critical flow rate increased by approximately 100% and the yield coefficient by 27% compared to the sole substrate methanol.
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:The yeast Candida utiis would be cultured with a mixture of ethanol and sucrose in a weight ratio of 3: 1 in a stirred fermentor with 5 kg working contents under the following conditions:
Fermentationstemperatur: 35 0CFermentation temperature: 35 ° C.
pH-Wert: 4,0pH value: 4.0
Verweilzeit: 3,0 h .Residence time: 3.0 h.
Gelöst-Op-Konzentration: ^ 2 ppm 0Dissolved Op Concentration: ^ 2 ppm 0
Zusammensetzung der Nährlösung: .Composition of the nutrient solution:.
Äthanol 12,0 g/lEthanol 12.0 g / l
Saccharose 4,0 g/l.Sucrose 4.0 g / l.
H3PO4 (85%-ig) 0,8 ml/1H 3 PO 4 (85%) 0.8 ml / 1
0,76 g/l 0,28 g/l 26,0 mg/1 8,8 mg/1 8,8 mg/10.76 g / l 0.28 g / l 26.0 mg / l 8.8 mg / l 8.8 mg / l
1,6 mg/11.6 mg / 1
- 6 - - 6 -
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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.The nitrogen supply of the yeast was carried out with ammonia water via the pH control. Both substrates were fully utilized. A yeast concentration of 11.0 g HTS / 1 was obtained. This corresponds to a yield coefficient of 0.68 g HTS / g substrate or 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:In contrast, ethanol and sucrose were among the o.g. Conditions used individually as a C source, the following yield coefficients were obtained:
Äthanol 1,5 1 ,28Ethanol 1.5 1, 28
Saccharose 2,0 1,19Sucrose 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.For the used ethanol / sucrose mixture with the weight ratio 3: 1, it is possible to calculate therefrom an Ys yield coefficient of 0.63 gHTS / g substrate or Yc of 1.26 gHTS / g carbon.
Bei kombinierter Substratzugabe ist demnach eine Erhöhung des Ertragskoeffizienten um 9,5% zu verzeichnen.Combined addition of substrate therefore shows an increase in the yield coefficient of 9.5%.
Der paraffinutilisier-ende Hefestamm Candida guilliermondii D wurde im diskontinuierlichen Prozeß in einem 40-1-Laborrührfermentor unter folgenden Bedingungen kultiviert:The paraffinutilizing end yeast strain Candida guilliermondii D was cultured in a batch process in a 40 L laboratory stirred fermentor under the following conditions:
Temperatur: 33 0CTemperature: 33 0 C
' pH: 4,2pH: 4.2
pH-Regelung: mit 10%-iger NaOHpH control: with 10% NaOH
Begasung: 100 1 Luft/kg.hFumigation: 100 1 air / kg.h
Zusammensetzung der Nährlösung:Composition of the nutrient solution:
1 1 enthält: 13,4 g (NHj0SO,1 1 contains: 13.4 g (NHj 0 SO,
-7 - 20 9 563- 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 NährlösungC-source: mixture of 140 g petroleum distillate / kg broth (boiling range 240-360 0 C at 18.5% by mass of n-alkanes.) And 20 g of glucose / kg broth
Unter diesen Kultivierungsbedingungen wurde eine spezifische —1 Wachstumsrate Ai von 0,41 h erreicht.Under these culture conditions, a specific -1 growth rate Ai of 0.41 h was achieved.
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 vonSeparate cultivation on petroleum distillate (140 g / kg nutrient solution) and glucose (20 g / kg nutrient solution). an inert oil content of 140 g / kg nutrient solution, on the other hand, was only limited to specific growth rates of
0,28 h"1 für ED und0.28 h " 1 for ED and
0,24 h"1 für Glukose erreicht.Reached 0.24 h -1 for glucose.
. 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%., Under the conditions of the combined substrate supply, there was an increase in the specific growth rate compared to petroleum distillate as the sole carbon source of 45% and to glucose as the only carbon source of 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 TSIn the continuous fermentation under the above conditions, with a residence time of 5 hours by the substrate combination of petroleum distillate (200 g / kg nutrient solution) and glucose (10 g / kg nutrient solution) compared to a fermentation with petroleum distillate as sole carbon source, an increase in productivity χ of 2 , 94 to 3.99 (gTS / kgh) and a reduction in oxygen consumption from 2.71 to 1.86 g 0 ? / g TS
2.5 erreicht werden.2.5 can be achieved.
Unter Zugrundelegung folgender FermentationsbedingungenBased on the following fermentation conditions
- Temperatur: 32 0C . - pH: 4,2- Temperature: 32 0 C. - pH: 4.2
- Belüftungsrate: 15% gelöst O2 - Ventilation rate: 15% dissolved O 2
- Rührerdrehzahl: 2400 U/minStirrer speed: 2400 rpm
- Reaktor: 12 ILaborrührfermentor mit Bodenantrie- Reactor: 12 ILaboratory fermentor with ground power
- Zellkonzentration: 20 g HTSAg- Cell concentration: 20 g HTSAg
- Verweilzeit: 50 h (einstufige Prozeßführung) -Nährlösungszusammensetzung · .Residence time: 50 h (one-step process control) -nutrient composition.
pro 1 (20 g HTS)per 1 (20 g HTS)
0,042 g0.042 g
0,114 g0.114 g
0,007 g FeCl2 50 g Glucose · 10 ml 0,01%-ige Thiaminlösung0.007 g FeCl 2 50 g glucose · 10 ml 0.01% thiamine solution
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-is prepared using the yeast strain IMET H 134 (deposited in the IMET collection of the ZIMET Jena) with a supply of 1.5 ml / min of the mentioned nutrient solution and 0.25 ml / rnin a paraffin mixture of the chain length range C 1? - C 1 □ a productivity of 1.6 g of citric acid / kg.h, or a specific
_ -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.If only paraffins are used as the carbon source, a maximum productivity of 1.2 g of citric acid / kg is achieved at the same feed rates after reaching a stable stationary state (continuous fermentation time about 150 hours) .h, corresponding to a specific product formation rate of 0.06 h.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD20956378A DD139870A1 (en) | 1978-12-07 | 1978-12-07 | METHOD FOR MICROBIAL CONVERTING OF SUBSTR & T COMBINATIONS |
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