DD210173A3 - METHOD FOR CONSERVING MICROORGANISMS - Google Patents
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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.The invention relates to a method for culturing microorganisms by alternately exposing the microorganism-containing culture fluid to an oxygen source and maintaining the oxygen as a limiting factor in the growth rate, while simultaneously introducing the trace elements catalyzing the oxygen-transferring cell regulation mechanisms according to the amount of oxygen transferred or specifically required become. It has been found that the most favorable cell substance yields and favorable specific oxygen requirements are achieved under alternately oxygenated conditions at growth rates of my / my max> 0.6, when the amount of trace elements to be introduced is calculated after a factor F.
Description
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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.The invention relates to a method for oxygen-limited aerobic culture of microorganisms. It can be applied in the microbiological industry in the extraction of cell substance, where with a minimum of oxygen, energy source and technical effort, a high cell substance yield should be achieved.
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*In almost all processes for microbial cell substance synthesis, the principle of chemostatic environment design is an imperative requirement for achieving optimal results with respect to predetermined target functions, e.g. In known processes, for example, the trace elements catalyzing the oxygen-transferring enzyme systems are supplied in correlation to the biomass formed or, according to the chemostatic principle, are kept within defined eoncentration limits.
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Störungen des chemostatischen Milieusystems, z. Be 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).Disorders of the chemostatic environment system, z. B e the effect of temporary concentration in nutrient components, the power source or the Säuerst off supply, causing cell physiological responses (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·These feedback reactions of the cell become visible in the form of time-decaying oscillations of the material-transforming and energy-producing reaction processes and thus ultimately result in increased entropy production. The entropy production leads in each case to an increased heat formation and thus to losses in the cell substance synthesis.
In industriellen Produktionsanlagen ist das uneingeschränkte chemostatische-Prinzip aus vielen Gründen nur angenähert 'zu erreichen, z. B· .In industrial production plants, the unrestricted chemostatic principle can only be approximated for many reasons; B ·.
- gibt es keine absolut ideal durchmischten Systeme- There are no absolutely ideal mixed systems
— die Thermostabilisierung der exothermen Reaktionsabläufe setzt die Abführung großer Wärmemengen voraus, die inThe thermostabilization of the exothermic reaction processes requires the removal of large amounts of heat, which in
""; technischen Systemen mit vertretbarem Aufwand nur über Außenkreisläufe erreichbar ist, in denen es notwendigerweise zu Temperaturgradienten kommen muß.""; technical systems with reasonable effort only on external circuits can be reached, in which it must necessarily come to temperature gradients.
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 sindAnother essential moment of aerobic culture is the need to convert oxygen from the air or from oxygen-containing gases into the aqueous culture medium. Numerous methods and technical systems are known, such as surface aeration, self-priming circulating systems, submersible jet systems, turbocharged agitator systems, etc. "All of these systems are inherently energy intensive, which are transmitted amounts of sediment
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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·systementsprechend limited, so that almost all procedures must be operated under oxygen limitation. Oxygen for these reasons becomes the limiting factor of growth speed ·
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 gestalv--' tet werden kann.In addition, it is known that oxygen excess and energy source limitation can lead to higher rates of inhalation and thus lower cell substance yields. It is known that the greater the internal surface area of the dispersed oxygen-containing gas, the more effective the coalescence of the dispersed gas bubbles is, and the better the oxygen transfer is, the more effective the oxygen transfer. convective mass transfer within the liquid decor with dark v - 'tet can be.
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.But these requirements can only with highly effective mixing and dispersing, the. are aimed at a favorable energy transfer from the functional technical elements to the! liquid.
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-High absolute amounts in the energy input and a favorable momentum transfer are only achieved with gas-free liquid flows. In the gassed state cause the. decreased density, compressibility and reduced viscosity significant loss of effectiveness. Thus, the energy transfer factor in turbine blade
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.For example, stirrers in the 3? agitated liquids agitate to 20 % compared to unfilled liquids. In order to avoid this disadvantage, the liquid is degassed before impulse imparting, however, the disadvantages of an alternating S'auerstoffversorgung occur in the form of regular disturbances of the chemostatic principle with respect to the oxygen supply.
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 großThus, large-scale processes of aerobic Mikroorganismenzüchtung either have the disadvantage that the dimensioning of the functional elements for the energy transfer in the desired maintenance of the chemostatic principle for the oxygen supply disproportionately large
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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.be measured or that 'in the opposite case, the results from the periodic disturbances of the chemostatic principle resul animal losses in the cell substance synthesis are effective.
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.The object of the invention Desteht in the realization of a method with the technical advantages of a primary pulse transmission to the degassed liquid with resulting alternating supply of oxygen with simultaneous y tigern effect certain benefits of the chemo-static principle of the oxygen supply.
Ziel ist somit ein ökonomisches Verfahren der Zellenzüchtung unter pulsierender Sauerstoffversorgung bei gleichzeitiger Sauerstofflimitation.The aim is thus an economical method of cell culture under pulsating oxygenation with simultaneous oxygen limitation.
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 werdeno It was found that these objects can be achieved if the process is carried out by passing the culture fluid in the largely degassed state to a path forced by physical means, then gassing it with oxygen and, in this state, oxygen is held as a limiting factor of the growth rate, wherein at the same time the trace elements catalyzing the oxygen-transferring cell regulation mechanisms do not function according to the correlation principle to the biomass formed or constant in concentration. but after-transferred or, specifically required amount of oxygen to be supplied 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*In order to determine the required trace element levels, it was assumed that the most favorable cell substance yields and the most favorable specific acid substance consumption were under ideally mixed, constantly acid-supplied. Conditions can be reached at growth rates of , a / η max of ^ 0.6 *
Unter diesen Bedingungen ist bei Sauerstofflimitation der minimal mögliche spezifische Sauerstoffbedarf in Gramm Sauerstoff pro Gramm gewünschte Zellsubstanz in Testversu— chen zu ermitteln.Under these conditions, the minimum possible specific oxygen demand in grams of oxygen per gram of desired cell substance is to be determined in oxygen tests in trial runs.
Unter analogen Bedingungen tritt unter den technischen Be-,' dingungen der alternierenden Sauerstoffversorgung ein er- ^—"' höht er Sauerstoffbedarf ein.Under analogous conditions, under the technical conditions of the alternating supply of oxygen, a demand for oxygen increases.
Der erhöhte Sauerstoffbedarf korreliert mit einem erhöhten Bedarf an Energiequelle, in der Regel ein kohlenstoffhaltiges Nährsubstrat.The increased oxygen demand correlates with an increased demand for energy source, usually a carbonaceous nutrient substrate.
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 alsIt has been found that the increased oxygen demand under these conditions can be reduced if the trace element quantity to be introduced is calculated according to an I'actor ir, which is determined from the quotient a of the ideally required specific oxygen amount and the real specific oxygen demand multiplied by the factor b as
ν Quotient aus dem real erhaltenen spezifischen Sauerstoff— übergang in Gramm Sauerstoff pro Kilogramm Kultürflüssigkeitν quotient of the specific oxygen transfer in grams of oxygen per kilogram of culture fluid
·'" ·, 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:· '", And hour and the specific oxygen demand determined in ideal conditions in grams of oxygen per gram of biomass formed. This numerical value is multiplied by the element limit factor c, which assumes the following numerical values for the individual elements:
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In einem nahezu ideal durchmischten, ständig belüfteten 250 1 - Rührkesselfermentor wurde lodderomyces elongisporus unter bekannten optimalen Bedingungen auf n-paraffin- haltigem Erdöldestillat, gezüchteteIn a nearly ideally mixed, constantly aerated 250 l stirred tank fermentor, iodderomyces elongisporus was grown under known optimum conditions on n-paraffin-containing petroleum distillate
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«The residence time was 4 hours, the growth rate / U / ai max was accordingly * 0.7 above 0.6. Under approximately ideal chemostatic conditions, a specific oxygen demand of 2.3 g OVg HTS (yeast dry matter = HTS) was determined.
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.In another 250 1 - Permentor, in which also iodderomyces elongisporus was bred, an alternate oxygen supply was realized as follows: From the lower part of the fermenter was continuously withdrawn a volume of 3 000 l / h, degassed in an intermediate vessel and an air-sucking Injector pumped back into the permentor. With this system, an oxygen transfer performance of 12.4 g Oo / kg culture fluid was achieved.
Der spezifische Sauerstoffbedarf betrug zunächst 2,7 g Op/ g HTS'· . ' -The specific oxygen demand was initially 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:After determining this. Values were changed to the nutrient solution in which the trace elements, in quantitative ratio of the aforementioned Grenzkonzentrationszahlwerte were included, as follows:
M = Gramm Element pro Kilogramm Kulturflüssigkeit und StundeM = grams of element per kilogram of culture fluid and hour
M = P · cM = P · c
P =0,85 . 5,39P = 0.85. 5.39
P 's 4,85 M* = 4,85 · cP '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.The specific oxygen demand of the biomass then decreased from 2.7 to 2.45.
Der Ertragskoeffizient j stieg von 0,8 kg trockener Biomasse pro kg n-Alkan auf 0,9οThe yield coefficient j increased from 0.8 kg dry biomass per kg n-alkane to 0.9ο
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