DD153495A3 - AUXILIARY COMBINATION TO IMPROVE MICROBIOLOGICAL PROCEDURES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hilfsstoffkombination zur Verbesserung mikrobiologischer Verfahren, insbesondere aerober Prozesse, zur Gewinnung von mikrobiellem Eiweiss. Zur Verbesserung der Sauerstoffuebertragungsleistung bei der aeroben Zuechtung von Mikroorganismen zur Gewinnung von Einzellerprotein auf der Basis von Kohlenwasserstoffen gibt es hinsichtlich der Verringerung des hohen Energie- und Apparateaufwandes noch keine befriedigende Loesung des Problems. Entsprechend dem Stand der Technik werden der Fermentationsfluessigkeit zur Verbesserung der Sauerstoffuebertragungsleistung Tenside oder Tensidkombinationen zugesetzt. Ueberraschenderweise wurde gefunden,dass duch Zusatz einer Hilfsstoffkombination der bekannten nichtionogenen tensidischen Stoffklasse der Aethylenoxid -Propylenoxidaddukte mit einem mittleren Molekulargewicht von 1200 - 3500 und der nichttensidischen Stoffklasse der Polyaethylenglycole mit einem mittleren Molekulargewicht von 150 - 5000 eine Steigerung der Biomassekonzentration um ca. 20% erreicht werden kann.The invention relates to an excipient combination for improving microbiological processes, in particular aerobic processes, for obtaining microbial protein. To improve the oxygen transfer performance in the aerobic breeding of microorganisms to obtain single-cell protein based on hydrocarbons, there is still no satisfactory solution to the problem in terms of reducing the high energy and equipment costs. According to the prior art, the fermentation liquid is added to surfactants or surfactant combinations to improve the oxygen transfer performance. It has surprisingly been found that the addition of an adjuvant combination of the known nonionic surfactant class of the ethylene oxide-propylene oxide adducts having an average molecular weight of 1200-3500 and the non-surfactant class of polyethyleneglycols having an average molecular weight of 150-5000 achieves an increase in the biomass concentration of about 20% can be.
Description
21 A O21 A O
Hilfsstoffkombination zur Verbesserung mikrobiologischer VerfahrenExcipient combination to improve microbiological processes
Die Erfindung betrifft eine Hilfsstoffkombination zur Verbesserung mikrobiologischer V.erfahren, insbesondere aerober Prozesse zur Gewinnung von mikrobiellem Eiweiß* Sie fällt vorrangig in das Gebiet der technischen Mikrobiologie. Die Erfindung kann aber auch auf anderen Gebieten genutzt werden, in denen Sauerstoff aus der Luft in ein wäßriges Medium überführt werden solleThe invention relates to an adjuvant combination for improving microbial V.erfahren, in particular aerobic processes for the production of microbial protein * It falls primarily in the field of technical microbiology. However, the invention can also be used in other fields in which oxygen from the air should be transferred into an aqueous medium
Es sind zahlreiche aerobe Fermentationsverfahren zur Züchtung von Mikroorganismen mit dem Ziel der Zellkörpergewinnung sowie der Gewinnung biochemischer Reaktionsprodukte bekannt.There are numerous aerobic fermentation methods for growing microorganisms with the aim of cell body extraction and the recovery of biochemical reaction products known.
2 1 4 Q 4 32 1 4 Q 4 3
Typische Beispiele dafür sind großtechnische Verfahren der aeroben Züchtung von Mikroorganismen zur Einzellerproteingewinnung auf Basis von Kohlehydraten und Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffquelle« Diese aeroben Verfahren sind alle durch einen hohen Sauerstoffbedarf des Fermentationsprozesses gekennzeichneteTypical examples are large-scale processes of aerobic breeding of microorganisms for single-protein protein recovery based on carbohydrates and hydrocarbons as a carbon source. "These aerobic processes are all characterized by a high oxygen demand of the fermentation process
Der Sauerstoffbedarf wird in der Regel durch Zuführung von Luft und innige Dispergierung in das wäßrige JPermentationsmedium mittels verschiedener technischer Einrichtungen gedeckt· Damit ist die SauerstoffVersorgung des Fermentationsprozesses ein Energie- und apparateaufwendiger Prozeß«The oxygen requirement is usually covered by supplying air and intimate dispersion in the aqueous JPermentationsmedium by means of various technical devices · Thus, the oxygen supply of the fermentation process is an energy and apparatus-consuming process «
Zur Verbesserung der Sauerstoffübertragungsleistung dieser technischen Systeme werden der wäßrigen Fermentationsflüssigkeit nichtionogene Tenside oder Tensidkombinationen zugesetzt» Der Stand der Technik ist hierzu in den folgenden Patentschriften beschrieben:To improve the oxygen transfer performance of these technical systems, nonionic surfactants or surfactant combinations are added to the aqueous fermentation liquid. The prior art is described in the following patents for this purpose:
(1) Gemäß der DD - Patentschrift Nr, 96?22 werden Additionsprodukte aus Äthylenoxid und niederen aliphatischen Alkoholen oder Diolen sowie Alkylenkarbonsäuremethyltauride verwendet·(1) According to DD Pat. No. 96-22, addition products of ethylene oxide and lower aliphatic alcohols or diols and alkylenecarboxylic acid methyltaurides are used.
(2) Nach DD - Patentschrift Nr, 1O4eO99 wird eine Kombination eines nichtionogenen Tensides mit einem anionenaktiven Tensid als besonders günstig empfohlen. Das nichtionogene Tensid ist dabei ein Propylen Äthylenoxid - Addukt mit 25 - 20 Molekülen Propylenoxid und 20 ~ 25 Molekülen Äthylenoxide Als anionenaktives Tensid wird ein definiertes Alkyl- sulfonat eingesetzt *(2) According to DD Pat. No. 1,004 e O99, a combination of a nonionic surfactant with an anionic surfactant is recommended to be particularly favorable. The nonionic surfactant is a propylene ethylene oxide adduct with 25-20 molecules of propylene oxide and 20 ~ 25 molecules of ethylene oxide. An alkyl sulfonate is used as an anionic surfactant *
I- '2140*3I- '2140 * 3
(3) Ferner ist nach DT - Offenlegungsschrift Nr, 1„442.296 der Socony Mobil Oil Inc· bekannt, daß Additionsprodukte aus Äthylenoxid mit Fettalkoholen, Fettamiden, Alkyl- und Arylgruppen sowie auch bestimmte Fettsäureester eingesetzt werden können·(3) Furthermore, according to DT - Offenlegungsschrift No. 1 "442.296 of Socony Mobil Oil Inc., it is known that addition products of ethylene oxide with fatty alcohols, fatty amides, alkyl and aryl groups as well as certain fatty acid esters can be used.
(4) Zur Verbesserung des Eontaktes zwischen Mikroorganismen und den Tröpfchen flüssiger Alkane werden für Verfahren der Kohlenwasserstoffermentation gemäß DT - Offenlegungsschrift 23 29 811 verschiedene PoIyoxypropylenglykoläther vorgeschlagen«(4) In order to improve the Eontaktes between microorganisms and the droplets of liquid alkanes are proposed for processes of Kohlenwasserstofftofermentation according to DT - Offenlegungsschrift 23 29 811 different polyoxypropylene glycol ether.
(5) In der DT - Offenlegungsschrift Nr, 2544625 wird zur Verbesserung der Züchtung und Abtrennung von Mikroorganismen bei der Fermentation von Erdöldestillatfraktionen nur ein Additionsprodukt aus Äthylenoxid und Propylenoxid verwendet. Bei diesem Verfahren wird in Kombination mit anderen Verfahrensschritten dieser Hilfsstoff gleichzeitig für die Abtrennung und günstige Beeinflussung der Reinigung der Biomasse genutzt.(5) In DT Publication No. 2544625, only one addition product of ethylene oxide and propylene oxide is used to improve the growth and separation of microorganisms in the fermentation of petroleum distillate fractions. In this process, in combination with other process steps, this excipient is used simultaneously for the separation and favorable influencing of the purification of the biomass.
Dieser dargelegte Stand der Technik hat folgende Nachteile: ·This stated prior art has the following disadvantages:
In den Fällen (1), (3) und (4) müssen unterschiedliche Stoffklassen, wie Äthylenoxid, Propylenoxid sowie die entsprechenden Basiskomponenten (Alkohol, Säure, Amide usw.) zur Verfügung stehen« Dieser Sachverhalt verursacht stoff- und apparateaufwendige Herstellungstechnologien.In cases (1), (3) and (4) different substance classes, such as ethylene oxide, propylene oxide and the corresponding basic components (alcohol, acid, amides, etc.) must be available. "This situation causes fabric-consuming production technologies.
Im Verfahren gemäß (2) wird zwar ein Grundhilfsmittel verwendet, das nur aus Äthylenoxid und Propylenoxid her-Although in the process according to (2) a basic auxiliary which consists only of ethylene oxide and propylene oxide is used.
gestellt ist, die beste Wirkung sowohl als Fermentationsais auch als Trennhilfsmittel wird jedoch erst in Kombination mit der stark aniohischen Tensidklasse der Alkylsulfonate erreicht, ·However, the best effect both as fermentation and as a release agent is achieved only in combination with the strong aniohischen Tensidklasse of alkyl sulfonates, ·
Im Verfahren gemäß (5) wird ausschließlich ein Äthylenoxid- und Propylenoxidaddukt für die Fermentation und Trennung verwendete Wie jedoch die breiten üntersuchungsbereiche und die relativ hohen Einsatzkonzentrationen gemäß dieser Schrift zeigen, wurde hier die Leistungsgrenze der Äthylen - Propylenoxidaddukte erreicht und ausgeschöpft „ In the process according to (5), only one ethylene oxide and one propylene oxide adduct is used for the fermentation and separation. However, as shown by the broad fields of investigation and the relatively high use concentrations according to this document, the performance limit of the ethylene-propylene oxide adducts has been reached and exhausted. "
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile gemäß (1) - (4·) zu überwinden und die Leistungsfähigkeit der Äthylenoxid -Propylenoxidaddukte gemäß (5) weiter zu steigern ohne neue Grundstoffe für die Produktion des Hilfsmittels einzusetzen«,The aim of the present invention is to overcome the described disadvantages according to (1) - (4 ·) and to further increase the performance of the ethylene oxide-propylene oxide adducts according to (5) without using new raw materials for the production of the auxiliary.
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß die innere Struktur des wäßrigen Kulturmediums bei Anwesenheit eines Äthylenoxid - Propylenoxidadduktes dahingehend zu beeinflussen ist, daß bessere Bedingungen für den Stoffaustausch Gas - Flüssigkeit - Mikroorganismen erzielt werden, ohne daß es zu Blockierungen der Grenzflächen kommt»The technical object of the invention is that the internal structure of the aqueous culture medium in the presence of an ethylene oxide - Propylenoxidadduktes is to influence the effect that better conditions for the mass transfer gas - liquid - microorganisms are achieved, without causing blockages of the interfaces »
Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Aufgabe durch Zusatz von Polyäthylenglycol· erreicht werden kann0 Polyäthylenglycol kann leicht aus Ithylenoxid hergestellt, werden«,We have found that this object can be achieved by the addition of polyethylene glycol · 0 polyethylene glycol can be easily produced from Ithylenoxid be "
Polyäthylenglycol gehört nicht zur Stoffklasse der Tenside ο Der erzielte positive Effekt in Kombination mit den nichtionischen Tensiden der Propylen - Ithylenoxidklasse wird durch eine optimale Beeinflussung der inneren Struktur der wäßrigen Kulturflüssigkeit infolge einer synergistischen Wirkung der Hydrathüllen sowohl am ithylenoxid Propylenoxidaddukt als auch des Polyäthylenglycols erreicht»Polyethylene glycol does not belong to the class of surfactants ο The achieved positive effect in combination with the nonionic surfactants of the propylene - Ithylenoxidklasse is achieved by an optimal effect on the internal structure of the aqueous culture liquid due to a synergistic effect of Hydrathüllen both the ithylenoxid Propylenoxidaddukt and the Polyäthylenglycols »
Wie in den nachfolgenden Beispielen gezeigt wird, besteht der positive Effekt dieser Hilfsmittelkombination darin, daß bei zusätzlicher Anwesenheit des Polyäthylenglycols mit einem mittleren Molekulargewicht von 150 ~ 5000 eine Steigerung der Sauerstoffübertragungsleistung erzielt oder eine Senkung des Bedarfs an Äthylenoxid - Propylenoxidaddukt für die Fermentation oder nach Verfahren (5) auch für die Trennung erreicht wird0 As shown in the examples below, the positive effect of this adjuvant combination is that, with the additional presence of the polyethylene glycol having an average molecular weight of 150-5000, an increase in oxygen transfer performance is achieved or a reduction in the demand for ethylene oxide-propylene oxide adduct for fermentation or by process (5) also for the separation is achieved 0
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Beispiele erläutert:The process according to the invention is illustrated by the following examples:
Zur Ermittlung der Verbesserung des Sauerstoffübertragungskoeffizienten durch die Hilfsstoffkombination wurden folgende Versuche durchgeführtsTo determine the improvement of the oxygen transfer coefficient by the excipient combination following experiments were carried out
Das Versuchsprinzip bestand darin, daß mit Na^SO^ sauerstofffrei gemachte Wasserproben mit je 100 mg/1 der jeweiligen Hilfsstoffkombination versehen warden und mittels einer pOp Meßsonde die Aufsättigungszeit mit Sauerstoff dieser Lösung unter definierten Bedingungen, d«, h· normierter Oberflächenbelüftung gemessen wurde« Diese gemessene Zeit wurde ins "Verhältnis zur Aufsättigungszeit der reinen, d. ho kein Tensid enthaltende, sauerstofffreien Wasserprobe gesetzt· Es wurde gefunden, daß die AufSättigungszeiten (50 % Punkt), die bei Zugabe von 100 mg/1 Propylenoxid — A'thylenoxid im Molekulargewichtsbereich von 1200 - 3500 40 - 60 % der des reinen Wassers betrugen, überraschenderweise auf 10 - 30 % gesenkt werden konnten, wenn in diesen Addukten 2-20 % Polyäthylenglycol im Molekulargewichtsbereich von 150 - 5000 enthalten war.The experimental principle consisted of water samples made free of oxygen with 100 mg / l of NaOH of the respective excipient combination and the saturation time with oxygen of this solution being measured under defined conditions, with normalized surface aeration by means of a pOp measuring probe. this measured time was taken into "relative to Aufsättigungszeit pure, i.e. o no surfactant-containing, oxygen-free water sample · It has been found that the AufSättigungszeiten (50% point), which upon the addition of 100 mg / 1 propylene oxide -. A'thylenoxid in the molecular weight range of 1200-3500 40-60% of pure water, could be surprisingly reduced to 10 - 30 % , if in these adducts 2-20 % polyethylene glycol in the molecular weight range of 150 - 5000 was included.
Die Sättigungszeitmessung durch Oberflächenbelüftung kann jedoch nur ein Anhaltspunkt fürt die Wirksamkeit von Hilfsstoffen in technischen IPermentationsprozessen sein. Eine lineare Verbasserungsrate, analog der Oberflächenbelüftung, ist bei technisch aeroben Permentationsprozessen bekanntermaßen nicht erreichbar, da wesentliche zusätzliche Faktoren wirksam werden, ζ. Ββ However, the saturation time measurement by surface aeration can only be an indication of t the effectiveness of adjuvants in technical IPermentationsprozessen. A linear rate of admixture, analogous to surface aeration, is not known to be achievable in technically aerobic per- ventation processes, as significant additional factors become effective, ζ. Β β
- begrenzte spezifische Belüftungsrate der Fermentationsgemische wegen Schaumbildung oder Erreichung des Überflutungspunktes- Limited specific aeration rate of the fermentation mixtures due to foaming or reaching the point of flooding
- Einflüsse der Mikroorganismen und der Stoffwechselprodukte.- Influences of microorganisms and metabolites.
7 9 -7 9 -
Aus diesem Grunde wurde eine "Verbesserung der Wirkung an einem Verfahrensbeispiel gemäß (5) überprüfte Gemäß diesem Verfahren wird Candida guilliermondii auf Erdöldestillat gezüchtet und mit dem gleichen Hilfsstoff vom Erdöldestillat zur Gewinnung von mikrobiellem Eiweiß getrennt. Zu diesem Zweck wurde in einem 500 1 Fermentor Candida guilliermondii in bekannter Weise kontinuierlich gezüchtet.For this reason, an "improvement in the effect on a process example according to (5) was verified." According to this method, Candida guilliermondii is bred on petroleum distillate and separated from the petroleum distillate with the same excipient to obtain microbial protein by candida in a 500 L fermentor Guilliermondii continuously bred in a known manner.
Dem Fermentationsmedium wurde 0,1 g/l des bekannten Ithylenoxid - Propylenoxidadduktes mit einem mittleren Molekulargewicht von 2100 zugegeben, das 5,2 % Polyäthylenglycol mit einem mittleren Molekulargewicht von 380 enthielt. Die erzielten verbesserten Biomassekonzentrationen im Vergleich zur Züchtung ohne Hilfsmittelzusatz sind in der folgenden Übersicht angegeben·To the fermentation medium was added 0.1 g / l of the known ethylene oxide-propylene oxide adduct having an average molecular weight of 2100 and containing 5.2 % of polyethylene glycol having an average molecular weight of 380. The achieved improved biomass concentrations in comparison to the cultivation without auxiliary agent are given in the following overview:
Die spezifische Durchflußrate und Belüftungsrate, der Leistungseintrag durch das Rührwerk und die Dosierung der Nähr- und Spurenkomponente wurde über alle Versuche konstant gelassen.The specific flow rate and aeration rate, the power input by the agitator and the dosage of the nutrient and trace component was left constant over all experiments.
spezifische Belüftungsrate = 100 1 Luft/1 kg Fermentationsflüssigkeit und Stundespecific aeration rate = 100 1 air / 1 kg fermentation liquid and hour
spezifischer Leistungseintrag = 2,3 W/kg Fermentor-specific power input = 2.3 W / kg fermenter
flüssigkeitliquid
—1-1
spezifische Durchflußrate « 0,2 hspecific flow rate «0.2 h
ohne Hilfsmittelwithout aids
mit Äthylenoxid Propylenoxidadduktwith ethylene oxide propylene oxide adduct
mit Ethylenoxid Propylenoxidaddiikt + Polyäthylenglyoölwith ethylene oxide propylene oxide addiict + polyethylene glycol oil
9,6 g Hefetrockensubstanz/kg Fermentorflüssigkeit9.6 g yeast dry matter / kg fermentor fluid
10,1 g Hefetrockensubstanz/kg Fermentorflüssigkeit10.1 g yeast dry matter / kg fermentor fluid
12,3 g Hefetrockensubstanz/kg Fermentorflüssigkeit12.3 g yeast dry matter / kg fermentor fluid
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Hilfsmittelgemisches wurde also eine Steigerung der Biomassekonzentration um etwa 20 % erreicht.Using the adjuvant mixture according to the invention, therefore, an increase in the biomass concentration of about 20 % was achieved.
Dem aus dem Fermentor kontinuierlich entnommenen Fermentationsgemisch wurden nochmals 300 mg des o. ge Äthylenoxid - Propylenoxidadduktes + Polyäthylenglycol zugegeben, auf 80 0C erwärmt und in einem kontinuierlich arbeitenden Separator das Erdöldestillat bis auf einen Restgehalt von 0,6 % in der Hefephase abgetrennt.300 mg of the o. G e Äthylenoxid - Propylenoxidadduktes + polyethylene glycol were added to the fermentation mixture continuously removed from the fermenter, heated to 80 0 C and separated in a continuous separator, the petroleum distillate to a residual content of 0.6% in the yeast phase.
Auch bei der ölabtrennung wurde somit eine bessere Wirkung der Hilfsstoffkombination im Bereich niedriger Konzentrationen erreicht»Even with the oil separation, a better effect of the excipient combination in the range of low concentrations was achieved »
Analog gute Ergebnisse wurden in weiteren Versuchen erreicht, in denen Hilfsstoffkombinationen mit einem Polyäthylenglycolgehalt bis zu 20 Gewichtsprozent und Molekulargewichten bis zu 5000 verWeBclet wurden*Analog good results were obtained in other experiments in which adjuvant combinations with one Polyäthylenglycolgehalt up to 20 weight percent and molecular weights were up to 5000 v aDvanCeD eBclet *
Claims (1)
einem mittleren Molekulargewicht von 1200 - 3500 und der nichttensidischen Stoffklasse der Polyathylenglycole mit einem mittleren Molekulargewicht von 150 — 5000 besteht, wobei das nich.ttensidische Polyäthylenglycol in einer
Menge von 0,5 - 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Äthylenoxid - Propylenoxidaddukt, eingesetzt wird·Excipient combination for improving microbiological processes, in particular of microbial protein, characterized in that the excipient combination of a mixture of the known nonionic surfactant class of .Ethylenoxid - Propylenoxidaddukte with
an average molecular weight of 1200-3500 and the non-surfactant class of Polyathylenglycole having an average molecular weight of 150-5000, wherein the nich.ttensidische Polyäthylenglycol in a
Amount of 0.5 to 20 percent by weight, based on the ethylene oxide - propylene oxide adduct, is used
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