DD149873A3 - METHOD FOR CONTROLLING THE CULTIVATION PROCESS OF MICROORGANISMS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiologischen Industrie, speziell Verfahren zur Steuerung und Regulierung von Prozessen der Kultivierung von Mikroorganismen. Es ist das Ziel der Erfindung, die Steuerung von Kultivierungsprozessen zu vereinfachen und den Zeitaufwand fuer die Ermittlung der Faktoren, die den Prozesz negativ beeinflussen, zu vermindern. Das Ziel wird erreicht durch ein Verfahren, mit dessen Hilfe das rasche Erkennen und eine beschleunigte Korrektur von Stoerungen im stabilen Prozesz der mikrobiellen Eiweiszsynthese moeglich wird. Es beruht auf dem Nachweis im Anstieg der Nitritkonzentration ueber eine festgesetzte Grenze hinaus.The invention relates to the field of the microbiological industry, especially to methods of controlling and regulating processes of culturing microorganisms. It is the object of the invention to simplify the control of cultivation processes and to reduce the time required for the determination of the factors which adversely affect the process. The goal is achieved by a method that enables the rapid recognition and accelerated correction of disorders in the stable process of microbial protein synthesis. It is based on detection of the increase in nitrite concentration beyond a set limit.
Description
20 9 771 -20 9 771 -
Titel·:Title·:
Verfahren zur Steuerung des Kultivierungsprozesses von MikroorganismenMethod for controlling the cultivation process of microorganisms
Anwendungsgebiet der Erfindung Field of application of the invention
Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiologischenThe invention relates to the field of microbiological
Industrie, speziell Verfahren zur Steuerung und Regulierung von Prozessen der Kultivierung von Mikroorganismen»Industry, especially methods for the control and regulation of processes of the cultivation of microorganisms »
Charakteristik -der bekannten technischen Lösungen Characteristic of the known technical solutions
Es sind Verfahren zur Steuerung von Kultivierungsprozessen O nach der Biomassekonzentration (SU-US 302 363), nach, der Menge der aktiven Zellen (SU 365 373)> nach der Atmungsintensität, nach dem Alkoholgehalt des Abgases (DT-AS 1 OSO 043), nach der Temperatur des Fermentationsmediums (SU-US 506 611) und nach, der Menge des bei der Gärung gebildeten Kohlendioxids bekannt (SU-US 344 352).There are methods for controlling cultivation processes O according to the biomass concentration (SU-US 302 363), according to, the amount of active cells (SU 365 373)> after the respiration intensity, according to the alcohol content of the exhaust gas (DT-AS 1 OSO 043), on the temperature of the fermentation medium (SU-US 506 611) and on, the amount of carbon dioxide formed during fermentation known (SU-US 344 352).
Der Nachteil der genannten Verfahren besteht darin, daß bei Änderung des für die Steuerung verwendeten Prozeßparameters oder Stoffwechseiprodukte, z. B· bei Verminderung der Menge des entstehenden Kohlendioxids, zwar eine Störung des technologischen Systems angezeigt wird, aber zur Ermittlung der Ursachen alle prozeßtechnischen Kenngrößen kontrolliert werden müssen, was sehr zeitaufwendig ist*The disadvantage of the said method is that when changing the process parameter or Stoffwechseiprodukte used for the control, for. B · When reducing the amount of carbon dioxide produced, although a fault in the technological system is displayed, but to determine the causes all process parameters must be controlled, which is very time consuming *
Ziel der Erfindung Zie l of the invention
Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Steuerung von Kultivierungsprozessen zu vereinfachen und den Zeitaufwand für die Ermittlung der Faktoren, die den Prozeß negativ be-The purpose of the invention is to simplify the control of cultivation processes and the time required to determine the factors that negatively affect the process.
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einflussen, zu vermindern« . · influence, diminish «. ·
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, als Steuergröße ein leicht zu analysierendes Stoffwechselprodukt zu verwenden, das durch die Mikroorganismen "bei Abweichungen von den optimalen Prozeßbedingungen ausgeschieden wird und dessen Bildung mit der Änderung "bestimmter Prozeßparameter korreliert. Bei der Kultivierung von Mikroorganismen, z. B. von methanassimilierenden Bakterien, ist die in das Medium ausgeschiedene Nitritmenge geringer als 0,3 mg N/l, wenn die Ammonium-Stickstoff-Konzentration 20 - 80 mg N/l, die Durchflußrate nahe der kritischen Durchflußrate liegt und durch Einstellung entsprechender Partialdrucke die Sauerstoffkonzentration die Wachstumsrate bestimmt.The object of the invention is to use as a control variable an easily analyzed metabolite, which is excreted by the microorganisms "in case of deviations from the optimal process conditions and whose formation correlates with the change" of certain process parameters. In the cultivation of microorganisms, eg. As of methanassimilierenden bacteria, the excreted into the medium amount of nitrite is less than 0.3 mg N / l, when the ammonium nitrogen concentration 20 - 80 mg N / l, the flow rate is close to the critical flow rate and by setting appropriate partial pressures the oxygen concentration determines the growth rate.
Es wurde festgestellt, daß bei inhibierenden Ammonnium-Stickstoff-Konzentrationen, limitierenden Konzentrationen der Kohlenstoff quelle und steigendem Limitationsgrad von Sauerstoff, die Nitritkonzentration im Fermentationsmedium über die für einen gegebenen Prozeß zulässige Norm ansteigt. Dabei kann der zunehmende Sauerstofflimitationsgrad entweder durch eine sinkende Durchflußrate oder sinkenden Sauerstoffpartialdruck bedingt sein.It has been found that with inhibiting ammonium-nitrogen concentrations, limiting concentrations of the carbon source, and increasing degree of oxygen limitation, the nitrite concentration in the fermentation medium increases above the standard allowed for a given process. In this case, the increasing degree of oxygen limitation may be due either to a decreasing flow rate or decreasing oxygen partial pressure.
Bei Ansteigen der Nitritkonzentration ist es erforderlich, die Konzentrationen von Stickstoff, Sauerstoff und der Kohlenstoff quelle, den Sauerstoffpartialdruck sowie die Durchflußrate der wäßrigen Nährlösung zu "bestimmen und Abweichungen von den Normwerten zu korrigieren.As the nitrite concentration increases, it is necessary to determine the concentrations of nitrogen, oxygen and the carbon source, the oxygen partial pressure and the flow rate of the aqueous nutrient solution and to correct deviations from the standard values.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei Abweichungen von den optimalen Prozeßbedingungen die Nitritkonzentration sofort ansteigt und eine Störung des Prozesses signalisiert wird, lange bevor diese Störung an einer Änderung anderer p^rozeßtechnischer Kenngrößen (z. B* bei Verminderung des Biomasseertrages) ersichtlich wird« Das entstehende Nitrit hatThe advantage of this method is that, in the event of deviations from the optimal process conditions, the nitrite concentration increases immediately and a malfunction of the process is signaled long before this disturbance becomes apparent from a change in other process parameters (eg * when the biomass yield is reduced) "The resulting nitrite has
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keinen negativen Einfluß auf das Wachstum der Mikroorganismen, solange nicht inhibierende Konzentrationen größer als 20 mg Nitritstickstoff/l erreicht werden.no negative influence on the growth of the microorganisms, as long as non-inhibitory concentrations greater than 20 mg nitrite nitrogen / l are achieved.
Dieses Steuerverfahren kann "bei kontinuierlichen und diskontinuierlichen Fermentationsprozessen angewendet werden, wobei es ohne Bedeutung ist, ob die Kultivierung bei Normaldruck oder erhöhtem Systemdruck durchgeführt wird« Die Bestimmung der Nitritkonzentration erfolgt kolorimetrisch nach Diazotierung mit Sulfanilsäure und Kupplung mitOC-Naphthylamin in einem Reaktionsschritt.This control method can be used "in continuous and discontinuous fermentation processes, it is irrelevant whether the cultivation is carried out at atmospheric pressure or elevated system pressure." The determination of the nitrite concentration is carried out colorimetrically after diazotization with sulfanilic acid and coupling with OC-naphthylamine in one reaction step.
Zur Herstellung des Nachweisreagens werden 2 g Sulfanilsäure in 400 ml 2 η Essigsäure und 0,4 g°c-Naphthylaminhydrochlorid unter Erwärmen in 80 ml Wasser gelöst, gemischt und mit 2 η Essigsäure zum Liter ergänzt. Kulturfiltrat und Reagens werden im Verhältnis 1 : 1 (V/V) gemischt, die rotviolette Färbung nach 10 Minuten im Spektralphotometer bei = 534 nm gemessen. Die Farbintensität wird mit der einer Sichkurve verglichen. Als'Testsubstanz dient wasserfreies Natriumnitrit. Der Nachweisbereich beträgt 0,03 bis 0,4 mg Nitrit-N/1.To prepare the detection reagent, 2 g of sulphanilic acid in 400 ml of 2NO acetic acid and 0.4 g of C-naphthylamine hydrochloride are dissolved in 80 ml of water with heating, mixed and added with 2N of acetic acid to the liter. Culture filtrate and reagent are mixed in the ratio 1: 1 (v / v), the red-violet color is measured after 10 minutes in the spectrophotometer at = 534 nm. The color intensity is compared with that of a Sichkurve. The test substance is anhydrous sodium nitrite. The detection range is 0.03 to 0.4 mg nitrite N / 1.
Die Nitritbestimmung kann kontinuierlich nach dem Analysen-Prinzip unter Verwendung eines Spekol des VEB Carl Zeiss Jena mit Durchflußküvette erfolgen.The nitrite determination can be carried out continuously according to the analytical principle using a Spekol of the VEB Carl Zeiss Jena with flow cell.
Der methanutilisierende Bakterienstamm Methylococcus capsulatus sp. wurde im kontinuierlichen Prozeß unter folgenden Bedingungen kultiviert: Temperatur: 40 0CThe methanutilizing bacterial strain Methylococcus capsulatus sp. was cultured in a continuous process under the following conditions: temperature: 40 0 C.
pH : 5,6 Begasungsintensität: 40 1/lh ..vO Verhältnis Erdgas zu Luft: 1:3 Durchflußrate; . 0,25 h""^ pH: 5.6 Fumigation intensity: 40 1 / lh. vO Gas to air ratio: 1: 3 flow rate; , 0,25 h "" ^
Die Zusammensetzung der !Nährlösung war wie folgt: (für 1 g Biomasse)The composition of the nutrient solution was as follows: (for 1 g of biomass)
KCl 0,025 gKCl 0.025 g
MgSO4 . 7H2O 0,02 gMgSO 4. 7H 2 O 0.02 g
H3PO4 (SCf.ig) 0,09 gH 3 PO 4 (SCf.ig) 0.09 g
FeSO4 . 7H2O 0,1 mg .FeSO 4 . 7H 2 O 0.1 mg.
ZnSO4 . 7H2O 0,3 mgZnSO 4 . 7H 2 O 0.3 mg
HnSO4 . 4H2O 0,5 mgHnSO 4 . 4H 2 O 0.5 mg
CuSO4 . 5H2O 0,5 mg . · ;· .CuSO 4 . 5H 2 O 0.5 mg. ·; ·.
HoBOo 0j3 mgHoBOo 0j3 mg
Ha2MoO4 . 2H2O 0,045 mgHa 2 MoO 4 . 2H 2 O 0.045 mg
Die pH-Hegelung erfolgte mit einer 10%igen LTH11OH-Losung, diese diente zugleich der Stickst01fversorgiing der Organismen« Unter diesen Prozeßbedingungen wurde im steady state eine Bio-Blassekonzentration von 10 g/l erreicht. Alle halben Stunden wurde der Nitritgehalt der Kulturflüssigkeit Tdestimrat. In der · 20. Kultivierungsstunde erhöhte sich die Nitritstickstoffkonzentration bis auf Werte von 2,5 mg U/l. Es wurde der Ammoniuiu-Stickst off gehalt der Kulturflüssigkeit sowie die Begasung überprüft. Die Analysen zeigten, daß die Ammonium-Stickstoffkonzentration 400 mg N/l betrug. Um diesen hohen Stickstoffgehalt des Eermentationsmediums zu vermindern, wurde die pH-Begelung auf eine 10;5ige NaOH-Lösung umgestellt. Each zwei Stunden lag der Ammonium~Stickstoffgehalt wieder innerhalb der optimalen Grenzen, die 1-Iitritkonzentration verringerte sich auf <0,3 mg N/l«The pH control was carried out with a 10% LTH 11 OH solution, which at the same time served as the nitrogen supply of the organisms. Under these process conditions, an organic pale concentration of 10 g / l was achieved at steady state. Every half hour, the nitrite content of the culture liquid became Tdestimrat. In the 20th cultivation hour, the nitrite nitrogen concentration increased to values of 2.5 mg U / l. The ammonium hydroxide content of the culture fluid and the fumigation were checked. The analyzes showed that the ammonium nitrogen concentration was 400 mg N / l. To reduce this high nitrogen content of the fermentation medium, the pH adjustment was switched to a 10% NaOH solution. Every two hours, the ammonium nitrogen content was within optimal limits, and the 1-nitrite concentration decreased to <0.3 mg N / l. "
Die Kultivierung des methanutilisierenden Bakterienstammes Llethylococcus capsulatus sp. erfolgte wie im Beispiel 1 beschrieben. In der 47. Kultivierungsstunde stieg der Nitritgehalt der Kulturflüssigkeit auf 3 mg N/l an. Ss wurde der Ammonium-Stickstoffgehalt der Kulturflüssigkeit sowie die Begasung überprüft. Dabei wurde festgestellt, daß.The cultivation of the methanutilizing bacterial strain Llethylococcus capsulatus sp. was carried out as described in Example 1. At the 47th cultivation hour, the nitrite content of the culture fluid increased to 3 mg N / l. The ammonium-nitrogen content of the culture fluid and the fumigation were examined. It was found that.
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die Stickstoffkonzentrat ion innerhalb der optimalen Grenzen lag, das Verhältnis von Erdgas : Luft betrug jedoch 1 : 7· Der Prozeß wurde durch Methan limitiert. the nitrogen concentration was within the optimal limits, but the ratio of natural gas: air was 1: 7 · The process was limited by methane.
Nach Veränderung des Verhältnisses Erdgas : Luft auf 1:4 sank die Hitritkonzentration der,Kulturflüssigkeit auf 0,15 mg N/1.After changing the ratio of natural gas: air to 1: 4, the Hitrit concentration of the culture liquid dropped to 0.15 mg N / 1.
Methanutilisierende Bakterien vom Stamme Methylococcus capsulatus sp. wurden im diskontinuierlichen Prozeß unter sonst gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 kultiviert.Methanutilizing bacteria of the strain Methylococcus capsulatus sp. were cultured in the batch process under otherwise identical conditions as in Example 1.
Die Zugabe der Nährsalze erfolgte in Form eines Konzentrates stufenweise.The addition of the nutrient salts took place gradually in the form of a concentrate.
Die Zelldichte wuchs exponentiell auf 9 S Trockensubstanz/1 an, ohne daß ein Anstieg des Nitritgehaltes zu verzeichnen war. Mit einer v/eiteren Zunahme der Zelldichte stieg auch der Nitritgehalt auf Werte -y-1 mg N/l an. Der Ammonium-Stickstoff gehalt der Kulturflüssigkeit wurde überprüft und innerhalb der Norm befunden. Durch Erhöhung des Gaseintrags sank der Nitritgehalt auf 4.0,3 mg N/l a"b· Der aus einer Wachstumskurve nur ungenau bestimmbare Zeitpunkt des Beginns öer Gaslimitation konnte so mit hoher Genauigkeit bestimmt werden·The cell density increased exponentially to 9 S dry substance / 1, without an increase in the nitrite content was recorded. With a v / Eiteren increase in cell density and the nitrite content to values increased -y 1 mg N / l. The ammonium nitrogen content of the culture fluid was checked and found to be within the standard. By increasing the gas input, the nitrite content dropped to 4.0.3 mg N / l a "b. The time of commencement of gas limitation, which can only be determined with imprecision from a growth curve, could thus be determined with high accuracy.
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DD20977178A DD149873A3 (en) | 1978-12-15 | 1978-12-15 | METHOD FOR CONTROLLING THE CULTIVATION PROCESS OF MICROORGANISMS |
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DD (1) | DD149873A3 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2020249670A1 (en) * | 2019-06-13 | 2020-12-17 | Unibio A/S | Method for controlling a fermentation process |
-
1978
- 1978-12-15 DD DD20977178A patent/DD149873A3/en not_active IP Right Cessation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2020249670A1 (en) * | 2019-06-13 | 2020-12-17 | Unibio A/S | Method for controlling a fermentation process |
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