DD206493A3

DD206493A3 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF WATER-SOLUBLE FERMENTATION SUBSIDIES

Info

Publication number: DD206493A3
Application number: DD23174981A
Authority: DD
Inventors: Joachim Sawistowsky; Gerlind Rogge; Monika Stannek
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1981-07-14
Filing date: 1981-07-14
Publication date: 1984-01-25

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT DAS GEBIET DER TECHNISCHEN MIKROBIOLOGIE. DAS ZIEL DER ERFINDUNG BESTEHT DARIN, EINE OEKONOMISCHE FUEHRUNG VON FERMENTATIONSPROZESSEN DURCH EINE VOLLSTAENDIGE NUTZUNG DER KOHLENSTOFFQUELLEN ZU GEWAEHRLEISTEN. DIE AUFGABE DER ERFINDUNG BESTEHT DARIN, IN EINER EINFACHEN VORRICHTUNG MIT EINEM SEHR EINFACHEN VERFAHREN DIE RESTKONZENTRATION DER WASSERLOESLICHEN KOHLENSTOFFQUELLE IN EINEM BELIEBIGEN FERMENTATIONSMEDIUM ZU BESTIMMEN. DAS WESEN DER ERFINDUNG BESTEHT DARIN, DASS EINE PROBE DES FERMENTATIONSMEDIUMS IN EINE ALS MESSZELLE GESTALTETE VORRICHTUNG GEGEBEN WIRD UND DORT BEI BELUEFTUNG BIS ZUM WACHSTUMSSTILLSTAND DER MIKROORGANISMEN VERBLEIBT. DIESER ZEITPUNKT WIRD DURCH EIN INDIKATORSYSTEM ANGEZEIGT. DIESE ZEIT IST PROPORTIONAL DER SUBSTRATRESTKONZENTRATION. ALS INDIKATORSYSTEM SIND GEEIGNET: GELOEST-SAUERSTOFF-ELEKTRODE, PH-ELEKTRODE, REDOX-ELEKTRODE, MIKROKALORIMETER, ABLUFTANALYSENGERAET ODER CYTOCHROM-C-GERAET. DIESES VERFAHREN IST SEHR EINFACH UND KANN UNMITTELBAR NEBEN EINEM FERMENTOR ANGEWANDT WERDEN. DAS ERGEBIS LIEGT INNERHALB WENIGER SEKUNDEN NACH DER PROBENAHME VOR.THE INVENTION IS THE FIELD OF TECHNICAL MICROBIOLOGY. THE OBJECTIVE OF THE INVENTION IS TO ENSURE OEKONOMIC MANAGEMENT OF FERMENTATION PROCESSES THROUGH COMPLETE USE OF CARBON SOURCES. THE OBJECT OF THE INVENTION IS TO DETERMINE THE RESIDUAL CONCENTRATION OF THE WATER SOLUBLE CARBON SOURCE IN ANY FERMENTATION MEDIUM IN A SIMPLE DEVICE WITH A VERY EASY PROCESS. THE NATURE OF THE INVENTION IS THAT A SAMPLE OF THE FERMENTATION MEDIUM IS GIVEN IN A DEVICE DESIGNED AS A MEASURING CELL AND REMAINS VENTILATED UNTIL THE GROWTH OF THE MICROORGANISMS. THIS TIME IS DISPLAYED BY AN INDICATOR SYSTEM. THIS TIME IS PROPORTIONAL OF THE SUBSTRATEST CONCENTRATION. THE INDICATOR SYSTEM IS SUITABLE: GELOEST OXYGEN ELECTRODE, PH ELECTRODE, REDOX ELECTRODE, MICROCALORIMETER, EXHAUST ANALYZER OR CYTOCHROM C DEVICE. THIS PROCEDURE IS VERY EASY AND CAN BE APPLIED DIRECTLY NEAR A FERMENTOR. THE RESULT IS WITHIN LESS SECONDS AFTER SAMPLING.

Description

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Titel 'Title '

Verfahren und Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung wasserlöslicher FermentationssubstrateMethod and device for determining the concentration of water-soluble fermentation substrates

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung "zur Bestimmung der aktuellen Restkonzentration beliebiger wasserlöslicher Substrate direkt im Kulturmedium von Fermentationsprozessen· Sie kann sowohl bei Fermentationsprozessen im Labormaßstab als auch in klein- und großtechnischen Prozessen angewandt werden.The invention relates to a method and a device for determining the actual residual concentration of any water-soluble substrates directly in the culture medium of fermentation processes. It can be used both in fermentation processes on a laboratory scale and in small and large-scale processes.

Characteristic of the known technical solutions

Bei der Führung von technischen Fermentationsprozessen, ζ·Β· bei der Futterhefeherstellung, ist die vollständige Nutzung des Fermentationssubstrates, d,h· der Kohlenstoffquelle eine sehr wichtige Zielgröße· Die Kenntnis der aktuellen Restsubstratkonzentration ist daher unerläßlich· Die Bestimmung der Restkonzentration des jeweiligen Substrates erfolgt durch bekannte chemische Analysen bzw· physikalische Methoden· Diese Methoden sind sehr arbeitsaufwendig, da in jedem Fall erst die Biomasse aus der Probe abgetrennt werden muß* Speziell bei der Verhefung von Zucker, Melasse oder Sulfitablauge werden nach Abtrennung der Biomasse im Labor Analyse zur Zuckerbestimmung bzw· der gesamtreduzierenden SubstanzIn the management of technical fermentation processes, bei · · · in feed yeast production, the complete utilization of the fermentation substrate, ie the carbon source, is a very important target variable. · The knowledge of the current residual substrate concentration is therefore indispensable. · The residual concentration of the respective substrate is determined by known chemical analyzes or · physical methods · These methods are very labor intensive, since in each case the biomass must be separated from the sample * Especially in the concentration of sugar, molasses or sulfite waste liquor after separation of the biomass in the laboratory analysis for sugar determination or · The total reducing substance

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(RS»Wert) durchgeführt» Diese Analysemethoaen sind sehr zeitaufwendig»(RS »value) performed» These analysis methods are very time consuming »

Die Bestimmung der Konzentration flüchtiger Substrate, wie Fettsäuren und Alkohole kann direkt in der Fermentorabluft mittels Flammenionisationsdetektor (DE-OS 2 440 948) oder mittels katalytischer Verbrennung erfolgen« Diese Methoden erfordern jedoch einen recht erheblichen technischen und damit auch finanziellen AufwandThe determination of the concentration of volatile substrates, such as fatty acids and alcohols can be done directly in the fermentor exhaust air by means of flame ionization detector (DE-OS 2,440,948) or by catalytic combustion. However, these methods require quite considerable technical and thus financial expense

Die lutzung von Prozeßgrößen aus dem Fermentationsprozeß selbst, wie den Sauerstoff- bzw* COg - Gehalt der Abluft, die Gelöst-Sauerstoffkonzentration oder den Stickstoffverbrauch (AP C 12 D/200 194) gestattet uns bedingt eine Aussage über die aktuelle Restsubstratkonzentration, da diese Werte auch noch von anderen Prozeßgrößen abhängen» Eine Unterbrechung der Substratzufuhr in den Fermentor ermöglicht die Bestimmung der sogenannten Auszehrzeit, die wiederum Rückschlüsse auf die aktuelle Restsubstratkonzentration gestattet, jedoch stellt diese Maßnahme für den Fermentationsprozeß eine zu große Prozeßstörung mit nachteiligen ökonomischen Auswirkungen dar, als daß diese Methode allgemein genutzt werden könnte· The use of process variables from the fermentation process itself, such as the oxygen or * COg - content of the exhaust air, the dissolved oxygen concentration or nitrogen consumption (AP C 12 D / 200 194) allows us a conditional statement on the current residual substrate concentration, since these values depending on other process variables. "A disruption of the substrate supply to the fermentor allows the determination of the so-called Auszehrzeit, which in turn allows conclusions about the current residual substrate concentration, but this measure for the fermentation process is too large a process disturbance with adverse economic effects than that Method could generally be used ·

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine ökonomische Prozeßführung bei Fermentationsprozessen durch vollständige Ausnutzung der angebotenen Kohlenstoffquelle zu gewährleisten»The object of the invention is to ensure an economical process management in fermentation processes by full utilization of the carbon source offered »

Explanation of the essence of the invention;

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren in einer geeigneten Vorrichtung anzuwenden, wodurch es möglich ist, in einem beliebigen Fermentationsmedium die Restkonzentration der wasserlöslichen Kohlenstoffquelle zu bestimmen· Eine genaue Kenntnis der aktuellen Substratrestkonzentration ist Voraussetzung für eine optimale Prozeßsteuerung·The object of the invention is to apply a simple method in a suitable device, whereby it is possible to determine the residual concentration of the water-soluble carbon source in any fermentation medium. A precise knowledge of the current substrate residue concentration is a prerequisite for optimal process control.

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Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe so gelöst, daß eine Probe des Fermentationsmediums in eine als Meßzelle gestaltete Vorrichtung gegeben wird, dort ohne Substratzugabe bei Fermentationstemperatur und bei Belüftung bis zum Wachstumsstillstand der Mikroorganismen verbleibt und dieser Zeitpunkt durch ein Indikatorsystem angezeigt wjLrd_# Diese Indikatorsystem kann aus einer der folgenden Meßeinrichtungen bestehen, die alle geeignet sind, den Ζβίΐρμη^ des Wachstumsstillstandes der Mikroorganismen, der durph das endgültige Auszehren des Substrates aus dem Fermenr tationsmedium hervorgerufen wird, anzuzeigen: Gelöst-Sauerstoff-Elektrode, pH-Elektrode, Redox-Elektrode, Mikrokalorimeter, Abluft-Meßgerät oder Cytochrom-C-Gerät· Die Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration wasserlösicher Substrate in Fermentationsmedien besteht aus einem temperierbaren mit Begasungseinrichtung versehenen Gefäß, wobei der Boden des Gefäßes aus einer Fritiienplatte besteht durch die die Luft aus der Lufteintrittsleitung eintritt und fein verteilt wird. Oberhalb der Frittenplatte befindet sich das Zulaufrohr für das Fermentationsmedium und im oberen Drittel des zylindrischen Gefäßes ist das Überlaufrohr angeordnet, durch das das Fermentationsmedium und die Luft aus der Meßzelle austreten können· In der Mitte des Gefäßes, von oben hereinragend, befindet sich das Indikatorsystem, z_#B· eine Gelöst- Sauerstoff- Elektrode. Die Meßzelle wird zu Beginn des Versuches mit etwa 5 m Wasser gefüllt und bei konstanter Temperatur, die entsprechend der Temperatur des Fermentationsprozesses zu wählen ist, mit einer konstanten Luftmenge begast· Eine Gelöst-Sauerstoff-Elektrode zeigt unter diesen Bedingungen die Sättigungskonzentration an, da kein säuerstoffverbrauchender Prozeß stattfindet»According to the invention, the object has been achieved such that a sample of the fermentation medium is placed in a device designed as a measuring cell, there without substrate addition at fermentation temperature and ventilation until the growth arrest of microorganisms remains and this time indicated by an indicator system wjLrd _# This indicator system can from one of consist of the following measuring devices, all of which are suitable to Ζβίΐρμη ^ the growth arrest of the microorganisms, the durph the final Auszehren the substrate from the Fermenr tion medium is caused to indicate: dissolved oxygen electrode, pH electrode, redox electrode, micro calorimeter, exhaust air -Messßgerät or cytochrome C device · The device for determining the concentration of water-soluble substrates in fermentation media consists of a temperature-controlled with gassing device vessel, the bottom of the vessel consists of a Fritiienplatte by di e Air enters from the air inlet line and is distributed finely. Above the frit plate is the feed tube for the fermentation medium and in the upper third of the cylindrical vessel, the overflow pipe is arranged, through which the fermentation medium and the air can escape from the measuring cell · In the middle of the vessel, from above protruding, is the indicator system, z _# B · a dissolved oxygen electrode. The measuring cell is filled at the beginning of the experiment with about 5 m of water and gassed at a constant temperature, which is to be selected according to the temperature of the fermentation process, with a constant amount of air · A dissolved oxygen electrode indicates the saturation concentration under these conditions, since no Acid-consuming process takes place »

Danach wird das Wasser aus der Meßzelle entfernt und über das Zulaufrohr wird frisches Fermentationsmedium zugegeben· Das Elektrodensystem zeigt einen sauerstoffverbrauchenden Prozeß an, d.h# die Anzeige liegt weit unter dem SättigungsThereafter, the water is removed from the measuring cell and fresh fermentation medium is added via the feed tube. The electrode system indicates an oxygen-consuming process, i.e. the indication is far below saturation

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werte Dies wird durch das Wachstum der Mikroorganismen hervorgerufen» Nach der Auszehrung des Substrates aus dem Fermentationsmedium durch die Mikroorganismen hört deren Wachstum auf, was durch das Elektrodensystem angezeigt wird,This is caused by the growth of the microorganisms. "After the microorganisms have exhausted the substrate from the fermentation medium, their growth ceases, as indicated by the electrode system.

AusführunpsbeispielAusführunpsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert« Die Zeichnung zeigt "den Aufbau der · Meßzelle zur Bestimmung wasserlöslicher Substrate in Fermentationsmedien· Die Meßzelle 1 ist mit einer Gelöst-Sauerstoff-Elektrode^ ausgestattet» Die in die Meßzelle 1 über die Frittenplatte 2 eingebrachte Luftmenge beträgt 5 1 Luft/Stunde«, Die Temperatur der Meßzelle wird durch einen Thermostaten auf 35⁰C gehalten» In die Meßzelle werden nach Ablassen des darin befindlichen Wassers über das Ablaufrohr 4 10ml Fermentorablauf einer bakteriellen Methanolfermentation zugegeben· Die Anzeige der Gelöst-Sauerstoff-Elektrode sinkt sofort vom ursprünglichen Wassersättigungswert 100% für 20 see· auf ca, 15%* Danach steigt die Anzeige der Gelöst-Sauerstoff-Elektrode wieder steil an und erreicht den Wassersättigungswert·The invention will be explained with reference to an embodiment "The drawing shows the construction of the measuring cell for the determination of water-soluble substrates in fermentation media The measuring cell 1 is equipped with a dissolved oxygen electrode The amount of air introduced into the measuring cell 1 via the frit plate 2 is 5 1 of air / hour "the temperature of the measuring cell is held by a thermostat at 35 ⁰ C" 4 10ml fermenter outlet of a bacterial methanol fermentation in the measuring cell by draining the water contained therein through the drain pipe were added · the display of dissolved oxygen electrode drops immediately from the original water saturation value 100% for 20 see · to ca, 15% * Then the display of the dissolved oxygen electrode rises again steeply and reaches the water saturation value ·

Nach den zuvor durchgeführten Eichungen beträgt die Methanolkonzentration für eine Auszehrung von 20 see· in der Meßzelle 150 mg Methanol/l·According to the previously performed calibrations, the methanol concentration for a wastage of 20 see · in the measuring cell is 150 mg methanol / l ·

Der Vorteil der Erfindung besteht besonders darin, daß sich die Vorrichtung durch einen einfachen Aufbau und das Verfahren durch eine einfache Handhabung auszeichnet* Dadurch eignet sie sich besonders für die Bestimmung niedriger Substratrestkonzentrationen, die für eine optimale Prozeßführung günstig sind*The advantage of the invention is particularly that the device is characterized by a simple structure and the method by a simple handling * This makes it particularly suitable for the determination of low substrate residual concentrations, which are favorable for optimal process control *

Die Bestimmung der Substratreatkonzentration kann unmittelbar am Permentor ohne jede Probenvorbereitung durchgeführt werden·The determination of the substrate concentration can be carried out directly at the per-mentor without any sample preparation.

Das Ergebnis liegt innerhalb weniger Sekunden vor, im Gegensatz zu den üblichen chemischen Analysen und herkömmlichen Verfahren·The result is within a few seconds, in contrast to the usual chemical analyzes and conventional methods.

Claims

231749 7 claim for invention

1, Method for determining the concentration of water-soluble fermentation substrates, characterized in that a sample of the perforation medium is placed in a designed as a measuring cell device, there remains without addition of substrate with aeration until the growth arrest of microorganisms and this time is indicated by an indicator system.

2, method according to item 1, characterized in that the indicator system consists of one of the measuring devices Gelö'st oxygen electrode, pH electrode, redox electrode, microcalorimeter, exhaust air meter or cytochrome device.

3, device for determining the concentration of water-soluble

Licher fermentation substrates, characterized in that the measuring cell consists of a temperable, with gassing and indicator system (6) provided cylindrical vessel (1), wherein the bottom of the vessel (1) includes a fry plate (2) through which the air enters, above the frit plate (2) the feed tube (4) for the fermentation medium and in the upper third of the cylindrical vessel (1) the overflow tube (5) for the fermentation medium and the exit air: is arranged.

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