DD154449A3

DD154449A3 - Verfahren zur kontrolle und steuerung des kultivierungsprozesses von mikroorganismen

Info

Publication number: DD154449A3
Application number: DD22268480A
Authority: DD
Inventors: Karin-Dagmar Wendlandt; Edda Bruehl; Eberhard Findeisen; Achim Schmidt; Vitalij Lalov; Vladimir Dibzov
Original assignee: Adw Der Ddr Inst Fuer Techn Ch; Vsesojusnyjnaucno I I Biosinte
Priority date: 1980-07-17
Filing date: 1980-07-17
Publication date: 1982-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle und Steuerung von Kultivierungsprozessen mit Mikroorganismen, speziell mit Bakterien auf Methan bzw. Erdgas. Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren zu entwickeln, das eine vereinfachte Kontrolle und Steuerung von Kultivierungsprozessen, eine schnelle Aufdeckung von Stoerungen des technologischen Regimes erlaubt und somit die Stabilitaet der Kultivierung erhoeht. Es wurde gefunden, dass ein dem Anteil von Cytochrom C in der reduzierten Form proportionales Messsignal (Cytochrom Ctief red.- Wert im folgenden benannt) eine geeignete Steuergroesse ist und damit o.g. Zielstellung realisiert werden kann. Stoerungen im technologischen Regime wie Veraenderungen der Durchflussrate, des pH-Wertes, Temperaturabweichungen, Aenderungen des Begasungsverhaeltnisses O tief 2/CH tief 4, limitierende und inhibierende Konzentrationen von Naehrloesungskomponenten bewirken eine Abnahme des Anteils von reduziertem Cytochrom C. Das benutzte Messsignal kann zur Steuerung verwendet werden, indem bei einem Absinken des Cytochrom C tief red-Wertes die o.g. Prozessparameter zu ueberpruefen, Abweichungen von den Normalwerten zu korrigieren sind und somit die Prozessstabilitaet gewaehrleistet wird.

Description

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Titel

Verfahren zur Kontrolle und Steuerung des Kultivierungsprozesses von Mikroorganismen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrobiologischen Industrie, speziell Verfahren zur Kontrolle und Steuerung von Kultivierungsprozessen mit Mikroorganismen.

- Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Verfahren zur Steuerung von Kultivierungsprozessen nach der Biomassekonzentration (SU - US 302 363), nach der Menge der aktiven Zellen (SU - US 365 373), nach dem Alkoholgehalt des Abgases (DE - PS 1 152-984, DE - AS 1 080 048), nach dem Sauerstoffpartialdruck des Abgases (DE - OS 1 953 430), dem pH-Wert (DE - OS 2 457 044, DE - AS 2 217 909, DE - OS 546 236), der Gelöstsauerstoffkonzentration (DE - OS 1 442 076) und der Temperatur des Fermentationsmediums (SU- US 506 611) nach der Menge des bei der Gärung gebildeten Kohlendioxids (SU - US 344 352) bekannt. Außerdem wurde bereits vorgeschlagen, nach der Konzentration von Nitrit im Kultivierungsmedium Prozesse zu steuern, (WP C 12 K/209 771).

Der Nachteil" der genannten Verfahren besteht darin, daß die für die Steuerung verwendeten Meßgrößen zwar eine Störung im technologischen Regime anzeigen können, aber keine unmittelbaren Rückschlüsse auf die Aktivität der Mikroorganismen gestatten.

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Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Kontrolle und Steuerung von Kultivierungsprozessen zu vereinfachen, Paktoren, die den Prozeß negativ beeinflussen können, schnell zu erkennen und die Stabilität der Kultivierung zu erhöhen,

Darlegung CJeS₁ Wesens _i der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, als Steuergröße ein Meßsignal zu verwenden, das die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen kennzeichnet und dessen Änderung mit Abweichungen bestimmter Prozeßparameter vom Optimalregime korreliert» Es wurde gefunden, daß bei der Kultivierung von Mikroorganismen, zum Beispiel methanoxidierenden Bakterien, unter optimalen Bedingungen der Anteil von Cytochrom C in der reduzierten Form 60 bis 100 % beträgt·.

Weiterhin wurde festgestellt, daß bei Veränderungen der Durchflußrate, des pH-Wertes, bei Temperaturabweichungen, bei Änderungen des Begasungsverhältnisses Op/CEL sowie bei limitierenden und inhibierenden Konzentrationen von Nährlösungskomponenten eine Abnahme des Anteiles von Cytochrom C in der reduzierten Form erfolgt. Somit kann ein dem Anteil von reduziertem Cytochrom C proportionales Meßsignal (im folgenden Cytochrom C , -Wert bezeichnet) als Steuergröße verwendet werden, indem bei einem Absinken des Cytochrom C-, -Wertes die o.g. Prozeßparameter zu. überprüfen, Abweichungen von den Normwerten zu korrigieren sind, und somit die Prozeßstabilität gewährleistet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei Abweichungen von den optimalen Prozeßbedingungen der Cytochrom C^ -Wert sofort abnimmt und eine Störung des Prozesses signalisiert wird, lange bevor diese Störung aus einer Änderung einer anderen Prozeßkenngröße (z. B. Biomassekonzentration, COp-Konzentration des Abgases) ersichtlich wird.

Dieses Steuerverfahren kann in kontinuierlichen und diskontinuierlichen Fermentationsprozessen angewendet werden, wobei es ohne Bedeutung ist, ob die Kultivierung bei Normaldruck oder unter erhöhtem Systemdruck durchgeführt wird.

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Der Cytochroffi C-Redoxwert wird im Außenkreislauf mit einem Spezialphotometer zur Messung des Atmungsenzyms Cytochrom G bestimmt.

In nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert:

Beispiel 1

Methanoxidierende Bakterien Methylococcus capsulatus wurden im kontinuierlichen Prozeß unter folgenden Bedingungen kultiviert:

Temperatur: 42° C pH-Wert: 5,7

Begasungsintensität: 75 1/1.h Begasungsverhältnis: fc> = 0,84 Hl/h Og/Nl/h

Durchflußrate: 0,166 h"*¹

Die Zusammensetzung der Nährlösung war pro Liter aqua destillata (für 1 g Biomasse)

H₃PO₄	(8C	) %ig)	0,028	ml
KHgPO₄			35	mg
MgSO₄ ,	7	HgO	25	mg
CuSO₄ ·	5	HgO	0,785	mg
MnSO₄ .	4	HgO	1,825	mg
PeCIg ·	4	HgO	1,20	mg
ZnCIg			0,322	mg
CoSO₄ .	7	HgO	0,036	mg
NiSO₄ ,	7	HgO	0,109	mg
Al₂(SO₄	h	. 18 HgO	0,186	mg
Ca(NO₃)	2 '	. 4 HgO	0,883	mg
Na₂MoO₄	»	2 HgO	0,041	mg
H₃BO₃			1,286	mg
CrCl₃ .	6	HgO	0,077	mg

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Die pH-Regelung erfolgte mit einer 2 %igen NH^OH-Lbsung, diese diente gleichzeitig zur Stickstoffversorgung der Organismen·

Unter diesen Prozeßbedingungen wurde eine Biomassekonzentration von 12 g/l erreicht. Das dem reduzierten Anteil des Cytochrom C proportionale Meßsignal wurde gemessen, mit Hilfe eines an das Meßgerät angeschlossenen Schreibers kontinuierlich registriert und betrug für die genannten Bedingungen' 80 %.

Nach ausreichender Stabilität des Fermentationsprozesses wurde die Durchflußrate auf 0,066 h herabgesetzt. Im Verlauf von 24 h nach der Umstellung stellte sich der Cytochrom C , Wert auf 60 % ein.

Beispiel 2

Die Kultivierung der methanoxidierenden Bakterien Methylococcus oapsulatus erfolgte wie im Beispiel 1 beschrieben. Nach entsprechender Kultivierungsdauer im stabilen Prozeß wurde der pH-Wert von 5,7 auf 5,0 gesenkt. 5 min» nach Einstellung des pH-Wertes 5,0 änderte sich der Cytochrom C , Wert von 86 % auf 84 %· Der pH-Wer_t wurde bei fortwährender Kultivierung wieder auf einen Wert von 5,7 zurückgeführt, daraufhin stellte sich auch der Cytochrom C , -Wert auf den ursprünglichen Wert von 86 % ein

Nach weiterer Kultivierung unter den genannten Bedingungen erfolgte eine Änderung des pH-Wertes von 5,7 auf 6,5. Der Cytochrom C , -Wert zeigte 2 min» nach Einstellung des pH-Wertes 6,5 eine Veränderung von 86 % auf 83 % an,

Beispiel 3

Die Kultivierung der methanoxidierenden Bakterien Methylococcus capsulatus erfolgte wie im Beispiel 1 beschrieben. Der

Cytochrom C , -Wert wurde bei 82 % registriert, Nach Erhöre u.»

bung der Fermentationstemperatur von 42 C auf 48 C stellte sich 10 min. nach Erreichen der Temperatur ein Cytochrom ^Cred ~^{Wert von} ?⁸ % ^ein·

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Wiederum vom stabilen Prozeß ausgehend, wurde die Fermentations temperatur von 42° G auf 36° C verändert. Auf diese Störung reagierte der Cytochrom C , -Wert nach 2 min. und sank von 82 % auf 78 % ab.

Beispiel 4

Methanoxidierende Bakterien Methylococcus capsulatus wurden wie im Beispiel 1 beschrieben kultiviert. Im stabilen Fermentationsprozeß wurde ein Cytochrom ®_TeA ~ Wert von 8 % registriert.

Nach entsprechender Kultivierungsdauer wurde das Begasungsverhältnis ^ von 1,89 Hl/h Og/Hl/h GEL eingestellt. Daraufhin änderte sich der Cytochrom C^ -Wert auf 15 %»

Beispiel

Die Kultivierung der methanoxidierenden Bakterien Methylococcus capsulatus erfolgte wie im Beispiel 1 beschrieben. Der Fermentationsprozeß wurde so durchgeführt, daß die Ammoniumstickstoffkonzentration im Fermentationsmedium ca. 50 mg/1 betrüge Daraufhin wurde zur pH-Regelung solange 2 %ige Natronlauge eingesetzt, bi-s der Ammoniums tickst of fgehalt im Fermentationsmedium auf 0 herabgesetzt war, Nach 5 min* wurde eine Änderung des Cytochrom G , «Wertes von 77 % auf 73 % registriert. Durch Zwischenschaltung einer Phase mit optimalen Ammoniumstickstoffgehalten wurde wiederum ein stabiler Fermentationsprozeß erreicht und anschließend durch Zugaben von Ammoniumchloridlösung in den Fermentor der Ammoniumstickstoffgehalt im Fermentationsmedium erhöht.

Bei einer Konzentration von 380 mg/1 zeigte sich 5 min. nach Einstellen dieser Konzentration eine Veränderung des Cytochrom C₃^ -Wertes von 77 % auf 72 %.

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Methanoxidierende Bakterien Methylococcus capsulatus wurden wie im Beispiel 1 beschrieben kultiviert

Im stabilen Prozeß wurden optimale Phosphatkonzentrationen im Fermentationsmedium eingestellt ( = einem Phosphorwert von 40 mg/1)»

Durch Zugaben von Kaliumdihydrogenphosphatlösung in den Fer· mentor wurde die Phosphatkonzentration im Fermentationsmedium erhöht. Bei einer Phosphatkonzentration, entsprechend einem Phosphorwert von 480 mg/1, sank der Cytochrom C , Wert innerhalb von 2 min. von 87 % auf 84 % ab,

Claims

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BrfindunKsanspruch ' .

Verfahren zur Kontrolle und Steuerung des Kultivierungsprozesses von Mikroorganismen auf Methan bzw, Erdgas in Gegenwart einer wäßrigen Mineralsalzlösung und eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases, gekennzeichnet dadurch, daß der Prozeß mit Hilfe eines Meßsignals, das dem Anteil von Cytochrom C in der reduzierten Form proportional ist, kontrolliert und gesteuert wird, indem Veränderungen der Durchflußrate, des pH-Wertes, der Temperatur des Fermentationsmediums, des Begasungsverhältnisses Säuerstoff/Methan und/oder inhibierende bzw, limitierende Konzentrationen von Nährsalzkomponenten zu einer Abweichung dieses Meßsignales von dem den jeweiligen Prozeßzustand entsprechenden Normwert führen, dadurch eine notwendige Korrektur dieser Prozeßparameter signalisiert wird, diese sofort vorgenommen werden kann und somit die Prozeßstabilität erhöht wird.