DD211579A1

DD211579A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung und gewinnung ionogener stoffwechselprodukte

Info

Publication number: DD211579A1
Application number: DD24504882A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Behrens; Ulrich Stottmeister; Erika Weissbrodt; Ludwig Hothorn; Gudrun Petzold; Frank Wittig
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-11-19
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1984-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung und Gewinnung ionogener Stoffwechselprodukte aus Fermentationsloesungen waehrend der Produktakkumulation und kann in der mikrobiologischen Industrie angewendet werden. Ziel der Erfindung ist es, eine Aktivitaetsminderung der Mikroorganismen waehrend des Fermentationsprozesses zu verhindern und damit eine konstante Produktivitaet zu gewaehrleisten. Aufgabe der Erfindung ist es, ionogene extrazellulaere Stoffwechselprodukte, die den Fermentationsprozess hemmen, aus der Fermentationsloesung zu entfernen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe so geloest, dass waehrend des Fermentationsprozesses ein fuer das Fermentationsprodukt selektiv wirkenden Ionenaustauschergruppen versehenes Band durch den Fermentor gefuehrt wird, wo es mit dem Produkt beladen, anschliessend in ein Regenerierbad in die aktive Form zurueckgefuehrt und dasProdukt aus dem Bad in bekannter Weise, beispielsweise durch Faellung, gewonnen wird.

Description

-Ί -

Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung und Gewinnung ionogener Stoffwechselprodukte

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitweiligen oder kontinuierlichen Entnahme ionogener mikrobieller Stoffwechselprodukte, vorzugsweise organischer Sauren, aus aktiven Fermentationslösungen während der Produktakkuinulation zwecks Senkung der Konsentration der die Aktivität der Mikroorganismen mindernden ionogenen Substanzen und/oder Gewinnung dieser während des Fermentationsprozesses. Sie ist in die Klasse C 12 U einzuordnen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Produkte, die durch Mikroorganismen im Liedium akkumuliert werden, v/erden üblicherweise nach dem Fermentationsschritt bei diskontinuierlichen Verfahren oder aus dem Fermentorablauf bei kontinuierlicher Betriebsweise nach der Ab- - trennung der Mikroorganismen isoliert. Es ist das Ziel aller mikrobiologischen Produkt3ynthesen, eine hohe Produktivität zu erzielen, d. h. in möglichst

kurzer Zeit eine hohe Produktivität zu erzielen, d. h, in möglichst kurzer Zeit eine hohe Volumenausbeute zu erreichen. Extrazelluläre Produkte wirken aber, zumindest in höherer Konzentration, hemmend auf die sie ausscheidenden Zellen· Somit sinkt mit zunehmender Produktkonzentration die Aktivität der Zellen und somit die Produktivität. Hohen Volumenausbeuten als Voraussetzung für eine hohe Produktivität und auch für eine ökonomische Aufarbeitung steht somit in vielen Fällen die damit verbundene Aktivi-

D tätsminderung der Mikroorganismen entgegen.

Allgemein ist beispielsweise die Hemmung der Aktivität von Produzentenzellen durch ihr ausgeschiedenes Produkt in Abhängigkeit von der Konzentration bei der Alkoholgärung bekannt. Hier kann die Ökonomie des Verfahrens durch die Alkoholtoleranz des Stammes, aber auch durch Verfahren und Vorrichtungen zur Alkohol-Abtreibung während der Fermentation verbessert werden (Vakuferm-Verfahren)· Auch bei Fermentationen, wo nichtflüchtige Produkte entstehen, lassen sich durch bestimmte Verfahren und Vo rrichtrangen Zellen reaktivieren. So setzt nach Entfernung von Zitronensäure in einer Zitronensäurefermentation mit Hefen, was durch Separation der Zellen erreicht wird, nach Einbringen der Zellen in ein neues Produktionsmedium die Produktausscheidung wieder mit hoher Geschwindigkeit

:5 ein (GLSDEIlL, W.E. ; J.D. HILL und P.H. HODSOIi, Biotechn. Bioeng. XV, 963-972, 1973). Technisch ist diese Wiedernutzung der Zellen durch die notwendige Sterilität problematisch

Die Abtrennung gebildeter Produkte kann auch durch Osmose- oder Dialyse-Prozesse mittels mikroporöser Membranen und entsprechender Fermentorkonstruktionen (Dialysefermentor) erfolgen (MARGARITU3, H. und GH. WILIvB, Biotechn. Bioeng·, IX (1978) 709-753, Teil 1 und 2)

Ein erheblicher- Ilachteil dieser Verfahren besteht im

J5 Bewachsen der Membranen durch Mikroorganismen, wodurch

die Leistungsfähigkeit der Membrantrennung gemindert wird.

Bekannt sind Abtrennverfahren von ionogenen Produkten aus geklärten Kulturlösungen nach dem Permentationsprozeß mittels lonenaustauscherharzen GERSTEUBERG, H., Chem.-Ing.-Techn. 52 (1980), 1,19 ff). Der Nachteil dieser Verfahren zur Abtrennung ionogener Substanzen ist, daß sie bevorzugt aus geklärten, d. h. aus Lösungen, die keine Mikroorganismen enthalten, erfolgen

TO und daß grundsätzlich der Ionenaustauschprozeß nach der Fermentation erfolgt und somit ohne Einfluß auf die Produktivität der Fermentation ist. Mit den bekannten Vorrichtungen können ionogene, extrazelluläre Stoffwechselprodukte von mikrobiellen Fermentationen während des Verlaufs der Fermentation nicht entfernt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine Aktivitätsminderung £er Mikroorganismen wahrend des Fermentationsprozesses verhindern und damit eine konstante Produktivität gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es-daher, ionogene estrazelluläre Stoffwechselprodukte, die den Fermentationsprozeß hemmen, aus der Fermentationslösung zu entfernen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß während des Fermentationsprozesses ein mit für das Fermentationsprodukt selektiv v/irkenden Ionenaustauschergruppen versehenes Band durch den Fermentor geführt wird, wo es mit dem Produkt beladen, anschließend in einem

Eegenerierbad in die aktive Form zurückgeführt und das Produkt aus dem Bad in bekannter Weise, z· B. durch Fällung gewonnen wird*

Als Ionenaustauscherband wird ein mechanisch, chemisch und thermisch widerstandsfähiges Trägermaterial, vorzugsweise textile Bänder aus Fasermaterialien (Gewebe, Gewürke, Folien, Vliese) auf Basis von Hochpolymeren, an die nach bekannten Verfahren durch Propf-Kopolymerisation Ionenaustauschergruppen gebunden werden, eingesetzt· Das das Regenerierbad verlassende Ionenaustauscherband wird sterilisiert bzw» keimarm gemacht· Dies - kann mittels Durchlaufen einer Sterilisationskammer erfolgen, es können aber auch bei Fermentationen mit Pilzen bakterielle Infektionen durch Breitbandantibiotika, z. B. Tetracycline, eingeschränkt werden. Andere Methoden der Sterilisation oder Infektionsminderung sind ebenso möglich, z, B, Behandlung mit •Strahlen, chemischen Agenzien, wie Formalin, Äthylenoxid und anderen handelsüblichen Aseptika.

Die Geschwindigkeit und damit die statische und dynamische Austauschkapazität des Ionenaustauscherbandes (IAB) ist über Zeitschalter oder über Meß- und Regeltechnik, indem beispielsweise die Produktion von Säuren durch deren Entfernung mit dem IAB der pH-Wert steigt und dadurch eine Steuerung der Bandgeschwindigkeit möglich ist, regelbar·

Die Vorrichtung zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist so aufgebaut, daß ein unendliches lonenaustauscherband mittels eines Antriebsrades und über Umlenkrollen den Fermentor, ein Regenerierbad und eine Sterilisationskammer passiert. An den Stellen, an denen das IAB den Fermentor bzw. das Regenerierbad verläßt, sind Abquetschwalzen,-angeordnet·

Das vom Antriebsrad bewegte endlose IAB wird beim Eintauchen in das Fermentationsmedium mit dem jeweiligen Produkt beladen, passiert die Abquetschwalzen, die anhaftende Mikroorganismen zurückhalten und durchläuft das Regenerierbad, wo es in die aktive Form zurückgeführt wird. Das Produkt wird aus dem Bad in bekannter Weise gewonnen. Bei Sterilprozessen kann das IAB vor Eintritt in den Fermentor beim Durchlauf der Sterilisa ti onskammer oder in anderer geeigneter Weise sterilisiert bzw. keimarm gemacht werden.

Die Vorteile der Erfindung sind folgende: Während der Fermentation entstehende störende Stoffwechselprodukte werden entfernt. Die Erfindung kann bei den unterschiedlichsten Fermentationsverfahren angewendet werden, wie bei sterilen und septischen, diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Verfahren sowie bei den unterschiedlichsten Fermentorkonstruktionen, wie Rühr- oder Airlift-Fermentoren, und Fermentationsparametern, wie Temperatur, pH-7/ert, Sauerstoffeintrag, anaerob usw.

Weiterhin kann im Regenerierbad die Produktkonzentration weitaus höher als bei herkömmlicher Fermentationsweise sein· Damit ergeben sich für die Aufarbeitung »große Vorteile.

Ausführungsbeispiel:

Anhand von Beispielen soll die Erfindung näher er- - läutert werden. Figur 1 zeigt die Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In einem 4 1-Laborfermentor 1 (h = 23 cm, D = 15 cm) wird durch den Fermentordeckel 2 das lonenaustauscherband (IAB) 3 eingebracht, das gleichfalls in das direkt neben dem Fermentor 1 befindliche Regenerierbad 7 taucht

(2 1, h = 23 cm, b = 7 cm, 1 = 12,5 cm). Der Bandtransport wird durch einen in der Drehzahl regelbaren, mit einem Getriebe versehenen Motor vorgenommen, der die Abquetschwalzen 6 im Permentor 1 und im Regenerierbad 7 antreibt»

Vor dem Eintritt des IAB 3 in den Permentor 1 ist eine Sterilisationskammer 4 angebracht, die von Dampf ständig durchströmt wird. Gummilippendichtungen dichten die Kammer sowohl zum Permentor hin als auch zur Umgebung hin ab.

[0 Das IAB 3 wird über eine Umlenkrolle 5 durch Abquetschwalzen 6 geführt. Am Permentorausgang ist wiederum eine Lippendichtung angebracht.

Die Bandführung im Eegenerierbad 7 entspricht weitestgehend der im Permentor 1, nur daß die Sterilisationskammer 4 ent-

!5 fällt. .

Gleichlauf und Spannung des Bandes werden durch eine Tänzerwaise 8 sichergestellt.

Die beschriebene Vorrichtung wird mit einer 10 g/l enthaltenden Zitronensäurelösung erprobt.

JO Daau wurde der Permentor 1 mit 2 1 dieser Lösung gefüllt. Der pH-Wert wurde mit 10 #iger UaOH auf 5,5 eingestellt. Es wurde ein 10 cm breites IAB von 1,5 m Länge verwendet, das aus Polyamid-b-Kettgewirke, modifiziert mit einer Kombination von Dirne thyldiallylammoniumchlorid und ΙΠΤ-Methy-

!5 len bis -acrylamid besteht. Vor der Anwendung wird das gepfropfte quarternäre Ammoniumchlorid in die 0H"*-Porm überführt. In die Zitronensäurelösung tauchten bei der ge-

- wählten Püllung ungefähr 200 cm Band, in die Regenerierlösung ungefähr 300 cm · Die Verweilzeit im Permentor be- ;0 trug 1 Minute.

Als Regenerierlösung wurde 2 η ITaOH "verwendet.

Nach 10 Zyklen wurden die Konzentrationsveränderungen in den Lösungen bestimmt:

Fermentor: A = 10,0 g/l Zitronensäuren pH = 5,5 E = 9,2 g/l " pH = 6,0

Regeneriergefäß: A= 0 g/l Zitronensäuren

E = 2,2 g/l

Damit wurden unter Berücksichtigung der Volumenveränderungen 3,0 g Zitronensäure aus dem Permentor in die Regenerierlösung transportiert· Damit können bei den gewählten Bedingungen 9,0 g Zitronensäuren/l*h aus dem Fermentor transportiert werden (Die bei der mikrobiellen Zitronensäuresynthese erzielten Produktbildungsgeschwindigkeiten liegen vergleichsweise bei 1 bis 2 g/l«h). Die Abquetscheffektivität beträgt nahezu 100 %,

15 Beispiel 1

In dem sterilisierten Permentor der Anordnung nach Pig. 1 wurde (diesem Testbeispiel entsprechend) eine Zitronensäurefermentation unter' nutzung von Glukose als Kohlenstoffquelle und Verwendung von Saccharomycopsis lipoly-

20 tica EH 59 durchgeführt·

Verwendet wurde ein Medium folgender Zusammensetzung:

Cl 3 g/l

MgSO₄' 25 Thiamin-HCl

CaCO₃

Glucose

Spurensalzlösung

CuSO₄ 5H₂O 30 ZnCl₂

COSO₄

FmSO₄ 5H₂O

H₃BO₃

0,35	g/l
1	mg/1
0,5	g/l
100	S/l
7,5	ml einer Lösung der Zusammensetzung
4	g/l
2,1	s/i
0,5	S/l
4	s/i
5,7	g/l

Der pH-Wert der Wachstumsphase betrug 4,5, belüftet wurde mit 120 1 Luft/h, Drehzahl = 1000 ü/min, T= 30° C, Animpfung 1 : 10, Entschäumer 5 ml.

Hach 15 Stunden war das Wachstum der Zellen durch das Auszehren der Stickstoffquelle beendet, es hatten sich 8,8 g/l (HTS) gebildet· Der pH-Y/ert wurde auf 5,5 eingestellt·

Die Zitronensäurebildung begann bei diesem Punkt mit

—1 einer spezifischen Produktbildungsrate von 0,14 h · Die pH-Konstanz wurde durch Zudosierung von 20 %iger ITa₂OH erreicht. Nach insgesamt 31 Stunden enthielt die Fermentationslösung 20 g/l Zitronensäuren (16 g/l Zitronensäure, 4,0 g/l Isocitronensäure, vorliegend als Natriumsalze). Das Ionenaustauscherband wurde eingeschaltet. Each 10 Zyklen (Verweilzeit 1 min) wurde in dem Regenerierbad eine Zitronensäurekonzentration von 3,0 g/l bestimmt.

Beispiel 2

Unter den Bedingungen des Beispiel 1 wurde bis zu einer GesamtSäurekonzentration von 25 g/l Zitronensäuren (20 g/l Zitronensäure plus 5 g/l Isocitronensäure) fermentiert. Die pH-Regulierung war auf 5,0 eingestellt und erfolgte zunächst mit 20 %iger Natronlauge. !Tachdem die genannte Säurekonzentration erreicht war, wurde die lonenaustauscherband-Vorrichtung an die pH-Regeleinrichtung angeschlossen· Der durch die fortschreitende Säureproduktion bzw· durch die Erschöpfung der Austauschkapazität des in der Permentationslösung befindlichen Bandabschnittes unter pH 5,0 absinkende pH-Wert löste den Transportmechanismus des Ionenaustauscherbandes aus· Durch den Ionenaustauschprozeß werden Hydroxylionen in die Fermentationslösung eingebracht, so daß der dadurch eintretende pH-Wert-Anstieg auf 5,0 wieder zur Abschaltung des Transportmechanismus führt.

V/eiterhin in das Permentationsmedium ausgeschiedene Zitronensäuren wurden so quasikontinuierlich aus dem Medium entfernt und in der Regenerierlösung angereichert·

Fach 3-tägiger Permentationsdauer befanden sich in der Regenerierlösung 48 g/l Zitronensäuren·

Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Entfernung und Gewinnung ionogener
Stoffwechselprodukte während aktiver diskontinuierlicher oder kontinuierlicher sowie aseptischer oder septischer Fermentationsprozesse, gekennzeichnet dadurch, daß während des Fermentationsprozesses· ein
mit für das Produkt selektiv wirkenden lonenaustauschergruppen versehenes Ionenaustauscherband kontinierlich, zeitweilig oder gesteuert durch den Fermentor und anschließend durch ein Regenerierbad ge—· führt-wird, wo das ausgetauschte Produkt in bekannter V/eise freigesetzt und gewonnen wird, und daß das aus dem Regenerierbad kommende Ionenaustauscherband sterilisiert bzw. keimarm gemacht wird»

*p 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Geschwindigkeit des lonenaustauscherbandes geregelt werden kann, wobei das lonenaustauscherband über einen Zeitschalter zeitweilig in Betrieb gesetzt oder über eine MRS-Einrichtung, beispielsweise über eine pH-Wert-Messung und Signalgebung in bekannter Weise in und außer Betrieb gesetzt werden kann
3. Vorrichtung zur Entfernung und Gewinnung ionogener Stoffwechselprodukte wahrend aktiver diskontinuierlicher oder kontinuierlicher sowie aseptischer oder septischer Fermentationsprozesse, gekennzeichnet dadurch, daß ein unendliches, über ein Antriebsrad (9) und Umlenkrollen (5) laufendes Ionenaustauscherband (3) den Pennentor (1), das Regenerierbad (₇) und gegebenenfalls eine Sterilisationskammer (4) durchläuft und daß am Ausgang des Permentors (1) und des Regenerierbades (7) jeweils Abquetschwalzen (β) angeordnet sind.

Hierzu 1 SeiiQ Zeichnungen