DD210173A3

DD210173A3 - Verfahren zur zuechtung von mikroorganismen

Info

Publication number: DD210173A3
Application number: DD23317181A
Authority: DD
Inventors: Gustav-Adolf Luebbert; Joachim Bauch; Herbert Gentzsch; Klaus Triems; Gennadij I Mescankin; Lidija I Koslova; Olga I Velikoslavinskaja
Original assignee: Petrolchemisches Kombinat; Wnii Sintesbelok Moskau
Priority date: 1981-09-10
Filing date: 1981-09-10
Publication date: 1984-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuechtung von Mikroorganismen, indem die mikroorganismenhaltige Kulturfluessigkeit alternierend einer Sauerstoffquelle ausgesetzt wird und in diesem Zustand der Sauerstoff als limitierender Faktor der Wachstumsgeschwindigkeit gehalten wird, wobei gleichzeitig die die sauerstoffuebertragenden Zellregulationsmechanismen katalysierenden Spurenelemente nach der uebertragenden bzw. spezifisch benoetigten Sauerstoffmenge zugefuehrt werden. Es wurde gefunden, dass die guenstigsten Zellsubstanzausbeuten und guenstige spezifische Sauerstoffverbraeuche unter alternierend sauerstoffversorgten Bedingungen bei Wachstumsgeschwindigkeiten von my/my max von > gleich 0,6 erreicht werden, wenn die einzufuehrende Menge an Spurenelementen nach einem Faktor F berechnet wird.

Description

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Titel der Erfindung Verfahren zug? Züchtung von Mikroorganismen Anwendungsgebiet-der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sauerstofflimitierten aeroben Züchtung von Mikroorganismen. Sie-kann in der mikrobiologischen Industrie bei der Gewinnung von Zellsubstanz dort angewendet werden, wo mit einem Minimum an Sauerstoff, Energiequelle und technischem Aufwand eine hohe Zellsubstanzausbeute erzielt werden soll.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei fast allen Verfahren zur mikrobiellen Zellsubstanzsynthese ist das Prinzip der chemostatischen Milieugestaltung ein zwingendes Erfordernis zur Erreichung optimaler Ergebnisse in bezug auf vorgegebene'Zielfunktionen, z. B. werden bei bekannten Verfahren die die sauerstoffübertragenden Enzymsysteme katalysierenden Spurenelemente in Korrelation zur gebildeten Biomasse zugeführt bzw, nach dem chemostatischen Prinzip in festgelegten Eonzentrationsgrenzen ge-, halten*

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Störungen des chemostatischen Milieusystems, z. B_e das Wirksamwerden von zeitweiligen Konzentrationsgradienten bei Nährstoffkomponenten, der Energiequelle oder der Säuerst off Versorgung, bewirken zellphysiologische Antworten (Katinger, Physiological response of Candida tropicalis grown on η-paraffin to mixing in a tubular closed loop fermenter in European J. appl« Microbiol» 3, 103 - 114·; 1976).

Diese Rückkopplungsreaktionen der Zelle werden in Form zeitlich abklingender Oszillationen der stoffumwandelnden und energieproduzierenden Reaktionsabläufe sichtbar und äußern ^ sich damit letztendlich in einer erhöhten Entropieproduktion· Die Entropieproduktion führt in jedem Fall zu einer erhöhten Wärmebildung und damit zu Verlusten in der Zellsubstanzsynthese·

In industriellen Produktionsanlagen ist das uneingeschränkte chemostatische-Prinzip aus vielen Gründen nur angenähert 'zu erreichen, z. B· .

- gibt es keine absolut ideal durchmischten Systeme

— die Thermostabilisierung der exothermen Reaktionsabläufe setzt die Abführung großer Wärmemengen voraus, die in

""; technischen Systemen mit vertretbarem Aufwand nur über Außenkreisläufe erreichbar ist, in denen es notwendigerweise zu Temperaturgradienten kommen muß.

Ein weiteres wesentliches Moment der aeroben Züchtung ist die Notwendigkeit, Sauerstoff aus der Luft oder aus sauerstoffhaltigen Gasen in das wäßrige Kulturmedium zu überführen. Dazu sind zahlreiche Verfahren und technische Syste- - me bekannt, wie- die Oberflächenbelüftung, selbstansaugende Umlaufsysteme, Tauchstrahlsysteme, turbobelüftete Rührkes— selsy.steme usw» Alle diese Systeme sind ihrem Wesen nach energieintensiv,, Die übertragenen Sau er st off mengen sind

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systementsprechend gegrenzt, so daß nahezu alle Verfahren unter Sauerstofflimitation betrieben werden müssen. Sauerstoff wird aus diesen Gründen zum limitierenden !Faktor der Wachstumsgeschwindigkeit·

Außerdem ist bekannt, daß Sauerstoffüberschuß und Energiequellenlimitation zu höheren Veratmungsraten und damit zu geringeren Zellsubstanzausbeuten fühien können. Es ist bekannt, daß die Sauerstoffübertragung um so wirksamer ist, je größer die innere Oberfläche des dispergierten sauerstoffhaltigen Gases ist, je wirksamer die Koaleszenz der dispergierten Gasblasen verhindert wird und je besser der .' konvektive Stofftransport innerhalb der Flüssigkeit gestal^v--' tet werden kann.

Diese Voraussetzungen können aber nur mit hocheffektiven Misch— und Dispergiereinrichtungen, die. auf eine günstige Energieübertragung von den funktionellen technischen Elementen auf die !Flüssigkeit ausgerichtet sind, erfüllt werden.

Hohe Absolutbeträge im Energieaintrag sowie eine günstige Impulsübertragung werden jedoch nur bei gasfreien Flüssigkeitsströmen erreicht. Im begasten Zustand bewirken die . verringerte Dichte, die Kompressibilität und verringerte Viskosität erhebliche Effektivitätsverluste. So sinkt der Energieübertragungsfaktor bei Turbinenblatt-

r~> rührern im 3?alle begaster Flüssigkeiten zum Beispiel auf 20 % gegenüber unbegasten Flüssigkeiten. Wird, um diesen Nachteil zu umgehen, die Flüssigkeit vor der Impulsverleihung entgast, treten jedoch die Nachteile einer alternierenden S'auerstoffversorgung in Form regelmäßiger Störungen des chemostatischen Prinzipes hinsichtlich der Sauerstoffversorgung auf.

Damit haben großtechnische Verfahren der aeroben Mikroorganismenzüchtung entweder den Nachteil, daß die Dimensionierung der funktioneilen Elemente für die Energieübertragung bei angestrebter Aufrechterhaltung des chemostatischen Prinzips für die Sauerstoffversorgung unverhältnismäßig groß

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sein maß oder daß' im entgegengesetzten Fall die aus den periodischen Störungen des chemostatischen Prinzips resul tierenden Verluste in der Zellsubstanzsynthese wirksam werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung Desteht in der Realisierung eines Verfahrens mit technischen Vorteilen einer Primärimpulsübertragung auf die entgaste Flüssigkeit mit daraus resultierender alternierender Sauerstoffversorgung bei gleichzei- y tigern Wirksamwerden bestimmter Vorteile des chemostatischen Prinzips der Sauerstoffversorgung.

Ziel ist somit ein ökonomisches Verfahren der Zellenzüchtung unter pulsierender Sauerstoffversorgung bei gleichzeitiger Sauerstofflimitation.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es .wurde gefunden, daß diese Ziele erreicht werden können, wenn die Verfahrensgestaltung so erfolgt, aaß die Kulturflüssigkeit im' weitestgehend entgasten Zustand auf eine mit physikalischen Mitteln erzwungene Bahn geführt wird, anschließend zur Versorgung mit Sauerstoff begast- und in diesem Zustand der !sauerstoff als limitierender Paktor der Wachstumsgeschwindigkeit gehalten wird, wobei gleichzeitig die die sauerstoffüoertragenden Zeliregulationsmechanismen katalysierenden spurenelemente nicht nach dem Korrelationsprinzip zur gebildeten Biomasse oder'konzentrationskonstant,. sondern nach-der übertragenen bzw, spezifisch benötigten Sauerstoffmenge zugeführt werden_o

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Zur Festlegung der erforderlichen Spurenelementmengen wurde davon ausgegangen, daß die günstigsten Zellsubstanzaus— beuten und günstigsten spezifischen Säuerstoffverbrauche unter ideal durchmischten, ständig säuerstoffversorgten. Bedingungen bei Wachstumsgeschwindigkeiten von ,a / η max von ^ 0,6 erreicht werden*

Unter diesen Bedingungen ist bei Sauerstofflimitation der minimal mögliche spezifische Sauerstoffbedarf in Gramm Sauerstoff pro Gramm gewünschte Zellsubstanz in Testversu— chen zu ermitteln.

Unter analogen Bedingungen tritt unter den technischen Be-,' dingungen der alternierenden Sauerstoffversorgung ein er- ^—"' höht er Sauerstoffbedarf ein.

Der erhöhte Sauerstoffbedarf korreliert mit einem erhöhten Bedarf an Energiequelle, in der Regel ein kohlenstoffhaltiges Nährsubstrat.

Es wurde gefunden, daß der erhöhte Sauerstoffbedarf unter diesen Bedingungen verringert werden kann, wenn die einzuführende Spurenelementmenge berechnet wird nach einem I'aktor ir, der aus dem Quotienten a der ideal benötigten spezifischen Sauerstoffmenge und dem realen spezifischen Sauerstoffbedarf ermittelt wird, multipliziert mit dem faktor b als

ν Quotient aus dem real erhaltenen spezifischen Sauerstoff— übergang in Gramm Sauerstoff pro Kilogramm Kultürflüssigkeit

·'" ·, und Stunde und dem unter idealen Bedingungen ermittelten spezifischen Sauerstoffbedarf in Gramm Sauerstoff pro Gramm gebildete Biomasse, Dieser Zahlenwert wird mit dem Element— grenzfaktor c multipliziert, der für die einzelnen Elemente folgende Zahlenwerte annimmt:

Kupfer	i 0,04-
Zink	JS 0,28
Eisen	^ 0,025
Mangan	^ 0,2

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Anwendungsbeispiel

In einem nahezu ideal durchmischten, ständig belüfteten 250 1 - Rührkesselfermentor wurde lodderomyces elongisporus unter bekannten optimalen Bedingungen auf n-paraffin- haltigem Erdöldestillat, gezüchtete

Die Terweilzeit betrug 4 Stunden,, Die Wachstumsgeschwindigkeit /U / ai max lag dementsprechend mit *" 0,7 über 0,6, Unter angenähert idealen chemostatischen Bedingungen wurde ein spezifischer Sauerstoffbedarf von 2,3 g OVg HTS (Hefetrockensubstanz = HTS) ermittelt«

In einem weiteren 250 1 - Permentor, in dem ebenfalls lodderomyces elongisporus gezüchtet wurde, wurde eine alternierende SauerstoffVersorgung wie folgt realisiert: Aus dem unteren Teil des Fermentors wurde ständig eine Menge von 3 000 l/h abgezogen, in einem Zwischengefäß entgast und über einen luftansaugenden Injektor zurück in den Permentor gepumpt. Mit diesem System wurde eine Sauerstoffübertragungsleistung von 12,4 g Oo/kg Kulturflüssigkeit erreicht.

Der spezifische Sauerstoffbedarf betrug zunächst 2,7 g Op/ g HTS'· . ' -

Nach Ermittlung dieser. Werte wurde die Nährlösung, in der die Spurenelemente, in mengenmäßigem Verhältnis der vorgenannten Grenzkonzentrationszahlenwerte enthalten waren, wie folgt verändert:

M = Gramm Element pro Kilogramm Kulturflüssigkeit und Stunde

M = P · c

P =0,85 . 5,39

P 's 4,85 M* = 4,85 · c

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Der spezifische Sauerstoffbedarf der Biomasse verringerte sich anschließend von 2,7 auf 2,45.

Der Ertragskoeffizient j stieg von 0,8 kg trockener Biomasse pro kg n-Alkan auf 0,9ο

Claims

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Erfindungsanspruch

Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen, bei dem die mikroorganismenhaltige Kulturflüssigkeit auf einer durch

Γ) technische Vorrichtungen bewirkten Bahn geführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß sie alternierend einer Sauerstoffquelle ausgesetzt wird und der Sauerstoff der limitierende Paktor-der Wachstumsgeschwindigkeit ist, wobei die Zuführung der Spurenelemente Kupfer, Zink, Eisen und Mangan in g Element pro Kilogramm Kulturflüssigkeit und Stunde nach einem Faktor F und einem - Spurenelementgrenzfaktor c geregelt wird, wobei der Faktor F errechnet wird aus einem Quotienten a des unter anemostatischen Bedingungen der ständigen Sauerstoffversorgung bei Wachstumsgeschwindig—. keiten von u. / ja max von ^ 0,6 erhaltenen spezifischen Sauerstoffbedarfs und dem unter realen Bedingungen erhaltenen spezifischen Sauerstoffbedarf in Gramm Sauerstoff pro

J Gramm absolut trockener Biomasse, multipliziert mit einem Faktor b,. der ein Quotient aus der unter der alternierenden Sauerstoffversorgung erhaltenen realen Sauerstoffübergangs— menge in Gramm Sauerstoff pro Kilogramm Kulturflüssigkeit und Stunde und dem unter idealen Bedingungen erhaltenen spezifischen Sauerstoffbedarf darstellt, wobei der Element— grenzkoeffizient c für die einzelnen-Elemente folgende Zahlenwerte annimmt: