DD229854A3 - METHOD FOR THE FERMENTATIVE PRODUCTION OF SECONDARY METABOLITES - Google Patents

METHOD FOR THE FERMENTATIVE PRODUCTION OF SECONDARY METABOLITES Download PDF

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DD229854A3
DD229854A3 DD25594483A DD25594483A DD229854A3 DD 229854 A3 DD229854 A3 DD 229854A3 DD 25594483 A DD25594483 A DD 25594483A DD 25594483 A DD25594483 A DD 25594483A DD 229854 A3 DD229854 A3 DD 229854A3
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Hans-Helmut Grosse
Klaus-Dieter Menzel
Michael Menner
Peter J Mueller
Hans-Dieter Pohl
Harald Bocker
Wilfried Effenberger
Gunter Plonka
Werner Hess
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fermentativen Herstellung von Sekundaermetaboliten. Sie dient der limitationsfreien Durchfuehrung von Fermentationen zur Herstellung von Sekundaermetaboliten. Das Verfahren wird durch Verwendung der kontinuierlich erfassbaren und regelbaren globalen Prozessparameter p H-Wert, Lauge-Dosierrate, pO2-Wert, Reaktionswaerme und Abgaszusammensetzung durchgefuehrt. Die aktuelle Lauge-Dosierrate als Mass fuer die physiologisch wirksame Phosphatmenge wird zur Steuerung der Dosierung von Substraten benutzt. Speziell wird als Lauge Ammoniumhydroxid benutzt.The invention relates to a process for the fermentative production of secondary metabolites. It is used for the non-procedural execution of fermentations for the production of secondary metabolites. The process is carried out by using the continuously detectable and controllable global process parameters p H value, liquor dosing rate, pO 2 value, reaction heat and exhaust gas composition. The current liquor dosage rate as a measure of the physiologically effective amount of phosphate is used to control the dosage of substrates. Specifically, ammonium hydroxide is used as the liquor.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zurfermentativen Herstellung von Sekundärmetaboliten, bevorzugt Antibiotika, deren Bildungscharakteristik durch Steuerung des Stoffwechsels der Produktionsorganismen mittels direkter oder/und indirekter Zufütterung verschiedener, beispielsweise phosphathaltiger Substanzen während der Fermentation beeinflußbar ist. Somit ist die Erfindung für die mikrobielle Industrie von Bedeutung.The invention relates to a method for the fermentative production of secondary metabolites, preferably antibiotics, whose formation characteristics can be influenced by controlling the metabolism of the production organisms by direct or / and indirect feeding of various, for example, phosphate-containing substances during the fermentation. Thus, the invention is of importance to the microbial industry.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bereits vorgeschlagen worden, neben der Einstellung, insbesondere Absenkung, der Konzentration des verfügbaren Phosphats im Startmedium von Fermentationen zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten phosphathaltige Substanzen zu Fermentationsbeginn und/oder während des weiteren Verlaufs der Fermentation bei Vermeidung weiterer Limitationen dosiert zuzugeben, um die regulativen Wechselwirkungen des biologischen Systems mit dem Ziel der Erhöhung der Produktbildungsrate zu beeinflussen.It has already been proposed, in addition to the setting, in particular reduction, the concentration of available phosphate in the starting medium of fermentations to obtain secondary metabolites phosphate-containing substances to fermentation beginning and / or admit dosed during the course of the fermentation while avoiding further limitations to regulate the interactions of the biological system with the aim of increasing the rate of product formation.

Hinsichtlich der Anwendung o.g. Erfindung in sogenannten echtzeitgesteuerten Fermentationen besteht die Schwierigkeit, auf die in der Fermentationstechnik etablierten, kontinuierlich meßbaren globalen Prozeßparameter wie pH-Wert, pO2-Wert, Dosierraten, Abgaszusammensetzung (CO2-Bildung), Wärmebildung usw. anstelle der erst durch zeitaufwendige chemische Analytik nachträglich festzustellenden Substratkonzentrationen als primäre regulative Prozeßparameter ausweichen zu müssen. Diese Notwendigkeit resultiert aus dem gegebenen Stand der automatisierten Meßtechnik in der Biotechnologie (Sukatsch, D.A., Nesemann, G.: Automatische Parametererfassung bei industriellen Fermentationen. Chemie-Technik 6 [1977], 261).With regard to the application of the above-mentioned invention in so-called real-time fermentations, there is the difficulty of applying to the continuously measurable global process parameters established in fermentation technology, such as pH, pO 2 value, metering rates, exhaust gas composition (CO 2 formation), heat generation, etc., instead of the first to have to dodge substrate concentrations that have to be subsequently determined by time-consuming chemical analysis as primary regulatory process parameters. This necessity results from the given state of the automated measuring technology in the biotechnology (Sukatsch, DA, Nesemann, G .: Automatic parameter capture in industrial fermentations, Chemie-Technik 6 [1977], 261).

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung beinhaltet das Ziel der limitationsfreien Durchführung von Fermentationen zur Herstellung von Sekundärmetaboliten.The invention includes the object of non-procedural fermentation for the production of secondary metabolites.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Sekundärmetaboliten zu beschreiben, das eine verfahrenstechnisch günstige Lösung für die Echtzeitsteuerung industrieller Fermentationen mit direkter oder/und indirekter Substratdosierung, insbesondere Phosphat, Kohlenstoff-Quellen, Stickstoff-Quellen, Spurenelementen und Substanzen mit Effektorwirkung beinhaltet. Dabei soll sich die Steuerung der Substratdosierungen von kontinuierlich erfaßbaren und regelbaren globalen Prozeßparametern wie pO2-Wert, pH-Wert, Wärme- und CGyBildung und speziell von den Dpsierraten zurpH-Regelung bzw. den Bildungsraten für Wärme und CO2 ableiten und die Realisierung der effektiven Produktbildungsrate über einen langen Zeitabschnitt der Fermentation erlauben.The invention has for its object to describe a method for the production of secondary metabolites, which is a technically advantageous solution for the real-time control of industrial fermentations with direct and / or indirect substrate dosage, especially phosphate, carbon sources, nitrogen sources, trace elements and substances with effector effect includes. Here, the control of the substrate doses of continuously detectable and controllable global process parameters such as pO 2 value, pH, heat and CGyBildung and derived specifically from the Dpsierraten zurpH control and the formation rates for heat and CO 2 and the realization of the allow effective product formation rate over a long period of fermentation.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß der Zeitverlauf der Lauge-Dosierrate bei der pH-Sollwertregelung den Zeitverlauf der Konzentration des für die Umsetzung von Kohlenstoff-Quellen, Stickstoff-Quellen, Spurenelementen und Substanzen mit Effektorwirkung physiologisch wirksamen Phosphats abbildet, solange bezüglich dieser Substrate und des Gelöstsauerstoffgehalts Limitationsfreiheit vorliegt. Damit ist gemeint, daß die zur Einhaltung einer ausgewählten unteren p-Regelschwelle notwendig zugesetzte Lauge, die genannte Lauge-Dosierrate, proportional zur physiologisch wirksamen Phosphatkonzentration ist. Der Abbildungsmaßstab hängt also von der Festlegung der unteren Regelgrenze des pH-Wertes ab; das Einsetzen der Laugedosierung ist durch die Pufferung des Startnährmediums bestimmt.Surprisingly, it has been found that the time course of the liquor metering rate in the pH setpoint control maps the time course of the concentration of physiologically active phosphate for the conversion of carbon sources, nitrogen sources, trace elements and substances with effector effect, as long as these substrates and the dissolved oxygen content Limitation freedom exists. By this is meant that the liquor necessary to maintain a selected lower p-control threshold, said caustic dosing rate, is proportional to the physiologically effective phosphate concentration. The image scale thus depends on the determination of the lower control limit of the pH value; the onset of the lye dosage is determined by the buffering of the starting nutrient medium.

Im weiteren Ausbau der Erfindung wird als Lauge-Dosierrate Ammoniumhydroxid für die Steuerung der Dosierung o.g. Substrate verwendet.In the further development of the invention is used as lye metering ammonium hydroxide for controlling the dosage o.g. Substrates used.

Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt:The procedure is carried out as follows:

An der Regeleinrichtung für den pH-Wert wird die untere pH-Regelschwelle eingestellt, beispielsweise pH 6,2. Dadurch ergibt sich im Fermentationsverlauf die äquivalente Ammoniumhydroxid-Dosierrate als Funktion der Zeit. Wegen des beschriebenen funktionellen Zusammenhangs zwischen dieser Dosierrate und der Konzentration des physiologisch wirksamen Phosphats ist das Maß für die Stoffwechselaktivität der Fermentation aufgezeigt. Der dieser Stoffwechselaktivität entsprechende Verbrauch von C-Quellen, N-Quellen, Spurenelementen und Substanzen mit Effektorwirkung wird durch Zudosierung ausgeglichen. Das Verfahren läßt sich auch so durchführen, daß der für die Produktbildung effektivste Zeitverlauf der Phosphatkonzentration durch direkte Phosphatdosierung mittels Einstellung der für den Prozeßverlauf günstigsten Ammoniumhydroxid-Dosierrate realisiert wird. Bezüglich der direkten Phosphatdosierung in Form der Zugabe phosphathaltiger Substanzen aus einem externen Reservoir und der indirekten Phosphatdosierung als Bereitstellung von Phosphatverbindungen durch enzymatischen oder hydrolytischen Aufschluß komplexer Nährbodenbestandteile wie Stärke, Sojaschrot, Maisquellwasser u.a. wurde gefunden, daß der Betrag der Ammoniumhydroxid-Dosierrate Übergänge zwischen direkter und indirekter Phosphatdosierung durch signifikantes Anwachsen bzw. Abfallen anzeigt. Die Größe der Änderung wird durch den Phosphatnachfluß bestimmt. Die direkte Phosphatdosierung wird auch durch das Erreichen des aus physiologisch-regulativen Gründen minimal notwendigenAt the control device for the pH, the lower pH control threshold is set, for example pH 6.2. This results in the fermentation process, the equivalent ammonium hydroxide metering rate as a function of time. Because of the described functional relationship between this dosage rate and the concentration of the physiologically active phosphate, the measure of the metabolic activity of the fermentation is shown. The consumption of C sources, N sources, trace elements and substances with effector effect corresponding to this metabolic activity is compensated by addition. The process can also be carried out so that the most effective for product formation time course of the phosphate concentration is realized by direct phosphate dosing by adjusting the most favorable for the course of the process ammonium hydroxide dosing. With regard to the direct addition of phosphate in the form of the addition of phosphate-containing substances from an external reservoir and the indirect phosphate dosing as providing phosphate compounds by enzymatic or hydrolytic digestion complex nutrient components such as starch, soybean meal, corn steep liquor u.a. It has been found that the amount of ammonium hydroxide dosing rate indicates transitions between direct and indirect phosphate dosing by significant increase or decrease, respectively. The size of the change is determined by the phosphate influx. The direct phosphate dosing is also minimally necessary by achieving the physiological-regulatory reasons

^3ek5stsauerstoffgehalts bestimmt bzw. mitbestimmt. ^ 3ek5stsstoffstoffgehalt determined or codetermined.

Außerdem wird im Verfahren die Tatsache benutzt, daß der Zeitverlauf der im Fermenter durch die Aktivität der Mikroorganismen entstehenden Reaktionswärme sowie der CGyBildung mit den Zeitverläufen der Ammoniumhydroxid-In addition, the fact that the time course of the heat of reaction in the fermenter due to the activity of the microorganisms and the CGy formation with the time courses of the ammonium hydroxide

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Dosierrate und der Konzentration des physiologisch wirksamen Phosphats korrespondiert. Aus diesem Grunde sind die aktuelle Reaktionswärme und die aktuelle CO2-Bildung und damit auch die zu diesen Größen gehörenden Bildungsraten ebenfalls Steuergrößen für die Dosierung von Phosphat und den anderen Substraten.Dosage rate and the concentration of the physiologically active phosphate corresponds. For this reason, the current heat of reaction and the current CO 2 formation and thus also the formation rates associated with these variables are also control variables for the dosage of phosphate and the other substrates.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel anhand von Diagrammen erläutert.The invention will be explained by an embodiment with reference to diagrams.

Eine lyophil an Glukose-Gelatine getrocknete Mycelkonserve (Bruttogewicht des Konserveninhalts etwa 300mg) der Selektante BF 32 des Nourseothricin-bildenden Stammes IMETJA 3890b wird mit 3ml einer 0,9%igen Natriumchloridlösung aufgeschwemmt. Von dieser Suspension dienen 0,5ml als Inokulum von 400ml Vorzucht der ersten Stufe. Das Vorzuchtmedium enthält je Liter Leitungswasser folgende Einsatzstoffe: 40g Glukose, 15g entöltes Sojamehl, 0,3g KH2PO4, 5g NaCI und 3g CaCO3. Die Azidität wird vor der Sterilisation auf den Wert pH 6,5 eingestellt. Dieses Medium wird in 2500ml fassende, mit Wattestopfen verschlossene Steilbrustflaschen in Mengen von je 400ml abgefüllt. Die Sterilisation erfolgt durch 35 Minuten dauernde Erhitzung auf 1210C im Autoklaven.A lyophilically dried on glucose gelatin mycelium (gross weight of the contents about 300mg) of the selectant BF 32 of Nourseothricin-forming strain IMETJA 3890b is suspended in 3 ml of a 0.9% sodium chloride solution. 0.5ml of this suspension is used as inoculum of 400ml pre-breeding of the first stage. The pre-breeding medium contains per liter of tap water the following starting materials: 40g glucose, 15g deoiled soybean meal, 0.3g KH 2 PO 4 , 5g NaCl and 3g CaCO 3 . The acidity is adjusted to pH 6.5 before sterilization. This medium is filled in 2500ml, sealed with cotton stopper breast bottles in quantities of 400ml each. Sterilization is carried out by heating for 35 minutes at 121 ° C. in an autoclave.

Die auf Raumtemperatur rückgekühlten und beimpften Ansätze werden 48 Stunden als Schüttelkulturen (180min~1) bei 29°C bebrütet. Mit 800 ml der so erhaltenen Kulturlösung der ersten Vorzucht wird als zweite Stufe der Vorzucht ein mit 180 Liter hitzesterilisiertem Medium (60 Minuten bei 1210C) der gleichen Zusammensetzung wie in der ersten Vorkulturstufe gefüllter, mit Vorrichtungen zur Sterilbelüftung und einem Rührwerk ausgestatteter Edelstahlfermenter (250 Liter Bruttovolumen) beimpft. Die Kultivierung erfolgt über den Zeitraum von 42 Stunden (pH-Wert 5,2 erreicht) bei 270C bis 29°C, einer Rührwerksdrehzahl von 240min~1 und einer Belüftungsrate von 1 Liter Luft pro Liter Kulturlösung in der Minute. Die bisherigen Angaben betreffen die notwendigen Vorarbeiten.The cooled to room temperature and inoculated mixtures are incubated for 48 hours as shaking cultures (180min ~ 1 ) at 29 ° C. With 800 ml of the culture solution of the first Vorzucht thus obtained as a second stage of Vorzucht a 180 liter heat sterilized medium (60 minutes at 121 0 C) of the same composition as in the first pre-culture stage filled, equipped with devices for sterile ventilation and a stirrer Edelstahlfermenter ( 250 liters gross volume). The cultivation is carried out over the period of 42 hours (pH 5.2 reached) at 27 0 C to 29 ° C, a stirrer speed of 240min ~ 1 and a ventilation rate of 1 liter of air per liter of culture solution per minute. The previous information relates to the necessary preparatory work.

Für die Hauptkultur dient ein mit Vorrichtungen zur Sterilbelüftung und einem zentralgelagerten Rührwerk versehener Edelstahlfermenter (4200 Liter Bruttovolumen), der mit 2500 Liter Nährmedium folgender, auf 1 Liter Leitungswasser bezogener Zusammensetzung gefüllt ist: 32g Kartoffelstärke, 60g Glukose, 11g entöltes Sojamehl, 11 g (NH4J2SO4,2g MgSO4-7H20,1 g NaCI, 6g CaCO3 und 0,5g ZnSO4. Je Liter Kulturlösung werden 0,5g Entschäumungsmittel auf Silikonbasis zugesetzt. Die Azidität wird vor der Sterilisation auf den pH-Wert 6,2 eingestellt. Die Sterilisation des Nährmediums (ohne Glukoseanteil) erfolgt in situ durch Vorwärmung mit Mangeldampf auf 75°C und anschließende Erhitzung mittels Direktdampf auf 1200C für 16 Minuten. Nach Abkühlung auf 290C wird die in Form einer 50%igen wäßrigen Lösung durch 30 minütiges Erhitzen auf 120°C getrennt sterilisierte Glukose unter aseptischen Bedingungen zugesetzt. Vor der Beimpfung erfolgt die Einstellung der Start-Azidität mit Schwefelsäure so, daß nach der Beimpfung der pH-Startwert bei 7,4 liegt. Der mit 4% Inokulum aus der zweiten Vorzuchtstufe beimpfte Fermentationsansatz der Hauptkultur wird 120 Stunden bei 29°C, einer Belüftungsrate von 1250 Liter pro Minute (0. bis 12. Stunde) bzw. 2500 Liter pro Minute (12. bis 120. Stunde) bei 0,03 MPa Überdruck unter Rühren mit 180 min~1 kultiviert.The main culture is a stainless steel fermenter (4200 liters gross volume) equipped with sterile aeration devices and a central agitator, filled with 2500 liters of nutrient medium of 1 liter of tap water: 32g potato starch, 60g glucose, 11g de-oiled soya flour, 11g ( NH 4 J 2 SO 4 , 2g MgSO 4 -7H 2 0.1g NaCl, 6g CaCO 3 and 0.5g ZnSO 4 0.5g of silicone-based defoaming agent is added per liter of culture solution and the acidity is adjusted to pH before sterilization The sterilization of the nutrient medium (without glucose) is carried out in situ by preheating with mangle steam to 75 ° C and subsequent heating by direct steam to 120 0 C for 16 minutes After cooling to 29 0 C is in the form of a 50% aqueous solution is added separately by sterilizing glucose sterilized under aseptic conditions for 30 minutes at 120 ° C. Before the inoculation, the St acidity with sulfuric acid so that after inoculation the starting pH value is 7.4. The main crop fermentation batch seeded with 4% inoculum from the second preemergence stage is 120 hours at 29 ° C, an aeration rate of 1250 liters per minute (0th to 12th hour) and 2500 liters per minute (12th to 120th hour), respectively. at 0.03 MPa overpressure with stirring at 180 min ~ 1 cultured.

Die aufgenommenen Zeitverläufe zeigen:The recorded time courses show:

Diagramm 1 Zeitliche Verläufe des produzierten Antibiotikums Nourseothricin und des Trockengewichtes der Biomasse Diagramm 2 Zeitverläufe des pH-Wertes, der Glukose- und Ammoniumstickstoffkonzentration Diagramm 3 Zeitverhalten der Ammoniumhydroxid-Dosierrate, der Phosphatkonzentration und des Gelöstsauerstoffgehalts Diagramm 4 Zeitverläufe der Abgaszusammensetzung aus Sauerstoff und Kohlendioxid sowie der Reaktionswärme Diagramm 5 Zeitverläufe der spezifischen Produktbildungsrate und der spezifischen Wachstumsrate. Die Fermentation wird hinsichtlich der Steuerungseingriffe mittels direkter Phosphatdosierung und Glukosedosierung nach Maßgabe des Verhaltens der Ammoniumhydroxid-Dosierrate geführt. Das pH-Sollwertintervall ist mit 6,2 + 0,05 festgelegt und die untere Grenze pH 6,15 wird nach 38 Stunden Fermentationszeit erreicht.Diagram 1 Time course of the antibiotic nourseothricin produced and the dry weight of the biomass Diagram 2 Time curves of the pH value, the glucose and ammonium nitrogen concentration Diagram 3 Time behavior of the ammonium hydroxide dosing rate, the phosphate concentration and the dissolved oxygen content Diagram 4 Time curves of the exhaust gas composition from oxygen and carbon dioxide and the Reaction heat Diagram 5 Time courses of the specific product formation rate and the specific growth rate. The fermentation is conducted in terms of the control interventions by direct phosphate dosing and glucose dosing according to the behavior of the ammonium hydroxide dosing rate. The pH set point interval is set at 6.2 + 0.05 and the lower limit, pH 6.15, is reached after 38 hours of fermentation time.

Zur direkten Phosphat-Dosierung wird eine sterile wässrige Lösung von Kalimdihydrogenphosphat benutzt. Von der 2. bis zur 32. Stunde wird diese Lösung so zudosiert, daß zur Anregung der Stoffwechselaktivität insgesamt pro Liter Kulturlösung 42 Milligramm Phosphor in Form von Phosphat eingesetzt werden.For direct phosphate dosing a sterile aqueous solution of potassium dihydrogen phosphate is used. From the 2nd to the 32nd hour, this solution is metered in so that a total of 42 milligrams of phosphorus in the form of phosphate is used to stimulate metabolic activity per liter of culture solution.

Festgelegt durch das gewählte pH-Sollwertintervall, den Pufferungszustand des Nährmediums und die Lauge-Konzentration setzt ab der 38. Stunde die Ammoniumhydroxid (25%ig)-Dosierung ein. Die zu beobachtende Verringerung des Anstiegs der Ammoniumhydroxid-Dosierrate löst weitere direkte Phosphatdosierungen von jeweils 8,5 Milligramm Phosphat-Phosphor pro Liter Kulturlösung zwischen der 47. und 48. Stunde bzw. 53. und 54.Stunde aus.Determined by the selected pH setpoint interval, the buffering state of the nutrient medium and the lye concentration starts at the 38th hour, the ammonium hydroxide (25%) dosage. The observed decrease in the increase in ammonium hydroxide dosing rate triggers further direct phosphate doses of 8.5 milligrams of phosphate-phosphorus per liter of culture solution between the 47th and 48th hour and the 53rd and 54th hour, respectively.

Dadurch erreicht die Dosierrate ihren Maximalwert zur 62. Stunde und fällt dann dem Übergang von direkter und indirekter Phosphatdosierung entsprechend ab. Auf diese Weise befindet sich die Fermentation etwa 20 Stunden in der Nähe der günstigen spezifischen Dosierrate von 230 Milliliter 25%iger Ammoniumhydroxidlösung pro Kubikmeter Kulturlösung und Stunde. Die zuzugebende Ammoniumhydroxid-Lösung ist ausreichend, um die Stickstoffkonzentration im physiologisch günstigen Bereich zu halten. Deshalb werden keine weiteren Stickstoffquellen zudosiert. Bezüglich der Kohlenstoffquelle ist die nach der zweiten Phosphatdosierung verstärkte Verringerung des Anstiegs der Ammoniumhydroxid-Dosierrate Anlaß zur Zudosierung von 48 Gramm Glukose pro Liter Kulturlösung zur 56. Stunde. Die Indikation des Übergangs zur indirekten Phosphatdosierung durch den leichten Anstieg der Ammoniumhydroxid-Dosierrate um die 95. Stunde dient zur Auslösung der zweiten Glukosedosierung von 18 Gramm Glukose pro Liter Kulturlösung.As a result, the dosing rate reaches its maximum value at the 62nd hour and then falls accordingly to the transition from direct and indirect phosphate dosing. In this way, the fermentation is about 20 hours near the favorable specific dosing rate of 230 milliliters of 25% ammonium hydroxide solution per cubic meter of culture solution and hour. The ammonium hydroxide solution to be added is sufficient to keep the nitrogen concentration in the physiologically favorable range. Therefore, no further nitrogen sources are added. With respect to the carbon source, the increase in the ammonium hydroxide dosing rate, increased after the second phosphate dosing, gives rise to the addition of 48 grams of glucose per liter of culture solution at the 56th hour. Indication of the transition to indirect phosphate dosing by the slight increase of the ammonium hydroxide dosing rate around the 95th hour is to trigger the second glucose dose of 18 grams of glucose per liter of culture solution.

Bei der direkten Phosphatdosierung ergibt sich hinsichtlich des Gelöstsauerstoffgehalts keine Beschränkung. Reaktionswärme und CO2-Bildung weisen den" Verlauf der Fermentationsphasen analog zur Ammoniumhydroxid-Dosierrate auf und dienen zur Vermeidung von Substratlimitationen.In the case of direct phosphate dosing, there is no restriction with regard to the dissolved oxygen content. Reaction heat and CO 2 formation have the course of the fermentation phases analogous to the ammonium hydroxide metering rate and serve to avoid substrate limitations.

Der Nourseothricin-Endwert von 10,5 Gramm pro Liter Kulturansatz wird erreicht, indem die effektive spezifische Produktbildungsrate über den Zeitraum von 45 Stunden zwischen 7-10"3 pro Stunde und 8-10~3 pro Stunde liegt. Außerdem wird die eingesetzte Glukose voll ausfermentiert und das aufarbeitungstechnisch gesetzte Biomasselimit nicht überschritten.The final nourseothricin level of 10.5 grams per liter of culture is achieved by setting the effective specific product formation rate between 7-10 " 3 per hour and 8-10 ~ 3 per hour over the 45 hour period, and the glucose used becomes full ausfermentiert and not exceeded the reprocessing set biomass limit.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

Die Sporenkonserve (verspotte Hirse) der Selektante DG 1 des Stammes Penicillium chrysogenum dient als Impfmaterial für die Impfkultur von zwei Bencylpenicillin-Hauptkulturfermentationen, indem eine Sporensuspension mit der Gesamtsporenzahl von ca. 4-109 Sporen in die 42,5 Stunden dauernde Impfkultur überführt wird. Der mit 2,5 Liter Nährmedium gefüllte Impffermentor (Edelstahl-Glas-Rührfermentor mit 4,51 Bruttovolumen) wird 60 Minuten bei 1210C im Autoklaven sterilisiert. Das Nährmedium der Impfkultur enthält je Liter die Einsatzstoffe:The spore canned (mulled millet) of the select DG 1 strain of the strain Penicillium chrysogenum serves as inoculum for the inoculum of two major bencylpenicillin culture fermentations by transferring a spore suspension with the total porcine number of about 4-10 9 spores into the 42.5 hour seed culture , The Impffermentor filled with 2.5 liters of nutrient medium (stainless steel glass stirred fermentor with 4.51 gross volume) is sterilized for 60 minutes at 121 0 C in an autoclave. The nutrient medium of the seed culture contains per liter the feedstocks:

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0,5g, MgSO4- 7H2O 0,1 g, ZnSO4-7H2O 0,02g, MuSO4- 5H2O 0,007g, Sonnenblumenöl 5g, Polypropylenglycol 0,2 ml. Vorder Sterilisation erfolgt die Einstellung des pH-Wertes mit Natronlauge auf 6,5, nach der Sterilisation liegt der pH-Wert von 6,25 im auf 25° (Prozeßtemperatur der Impfkultur- und der Hauptkulturfermentationen) rückgekühltem Medium vor. Während der Impfkulturanzucht wird der kontinuierlich gemessene und registrierte pO2-Wert durch Nachstellung der Drehzahl ständig größer als 60% der Sättigungskonzentration gehalten. Der pH-Wert wird ebenfalls kontinuierlich gemessen und registriert. Zunächst fällt der pH-Wert ab und durchläuft ein relatives pH-Minimum. Anschließend zeigt er ein lokales Ansteigen und danach erreicht der pH-Wert die Phase seines Minimalwerts, der ein schneller Anstieg folgt. Beim pH-Wert von 7,2 ist die Reife der Impfkultur erreicht und jeweils 500ml werden zur Beimpfung der Hauptkulturen in Rührfermentoren mit 4,51 Bruttovolumen verwendet. Nach der Zugabe der Impfkultur beträgt das Arbeitsvolumen jeweils 3 Liter. Die Mediumsansätze von 2,5 Litern enthalten die Komponenten Baumwollsamenmehl 120g, Glucose 45g (NH4J2SO47,5g, CaCO312g, Sonnenblumenöl 15g, Na2S2O3 5 H2O 24g, Polypropylenglycol 0,6g und werden nach Einfüllung in den Fermentor ohne vorherige Einstellung des pH-Wertes 60 Minuten bei 121 °C im Autoklaven sterilisiert. Nach der Sterilisation liegt der pH-Wert bei 7,2.0.5 g, MgSO 4 - 7H 2 O 0.1 g, ZnSO 4 -7H 2 O 0.02 g, MUSO. 4 - 5H 2 O 0.007 g, sunflower oil 5g, polypropylene 0.2 mL front Sterilization is carried out adjusting the pH With sodium hydroxide to 6.5, after sterilization, the pH of 6.25 in at 25 ° (process temperature of Impfkultur- and Hauptkulturfermentationen) recooled medium before. During inoculation culture, the continuously measured and registered pO 2 value is constantly kept greater than 60% of the saturation concentration by adjusting the speed. The pH is also continuously measured and recorded. First, the pH drops and goes through a relative pH minimum. Then it shows a local increase and then the pH reaches the phase of its minimum value, followed by a rapid increase. At pH 7.2, the maturation of the seed culture is achieved and 500 ml each are used to inoculate the main cultures in stirred fermentors of 4.51 gross volume. After the addition of the seed culture, the working volume is 3 liters each. The medium batches of 2.5 liters contain the components cottonseed flour 120 g, glucose 45 g (NH 4 J 2 SO 4 7.5 g, CaCO 3 12 g, sunflower oil 15 g, Na 2 S 2 O 3 5 H 2 O 24 g, polypropylene glycol 0.6 g and are sterilized in the autoclave for 60 minutes after being filled in the fermenter without prior adjustment of the pH at 121 ° C. After sterilization, the pH is 7.2.

Am pH-Regler wird die untere Regelschwelle auf 6,6 eingestellt. Zur pH-Regelung wird als Lauge 12,5%iges Ammoniumhydroxid verwendet (Vorlage 200ml, sterilfiltriert). Als weitere Dosierungssubstrate werden jeweils 10%ige Phenylessigsäure^auf pH 7,0 mit Kalilauge eingestellt, 350ml) und 70%ige Glukoselösung (1 000ml) bevorratet. Die Sterilität dieser Lösungen wird gleichzeitig mit der Sterilisation der Fermentoren hergestellt, da die Vorratsgefäße vor der Autoklavierung angeschlossen sind. Ein Fermentor ist mit einem weiteren Dosierungsbehälter versehen, der 400 ml Phosphatlösung mit insgesamt 2,63 g KH2PO4 enthält.At the pH controller, the lower control threshold is set to 6.6. For pH control, 12.5% ammonium hydroxide is used as lye (original 200 ml, sterile-filtered). As further dosing substrates each 10% phenylacetic acid ^ adjusted to pH 7.0 with potassium hydroxide solution, 350 ml) and 70% glucose solution (1 000 ml) stored. The sterility of these solutions is produced simultaneously with the sterilization of the fermentors, since the storage vessels are connected before autoclaving. A fermentor is equipped with another dosing tank containing 400 ml phosphate solution with a total of 2.63 g KH 2 PO 4 .

Zur Schaumbekämpfung werden jeweils 20ml Polypropylenglykol steril bevorratet. Davon werden in der Startphase der Hauptkulturen jeweils 5ml in die Fermentoren gegeben, um die Schäumungsneigung zu unterdrücken. Es tritt ein schneller Abfall des pH-Werts ein, die Regelschwelle wird nach einer halben Stunde erreicht. Damit setzt die NH4OH-Dosierung ein; die anfallende Laugedosierrate wird stündlich erfaßt. Im Diagramm 6 sind die Zeitverläufe für die NH40H-Rate und davon abgeleitet Dosierungen für PO4-P und Glukose für einen der beiden Hauptkulturfermentoren dargestellt. Die Laugedosierrate fällt (entsprechend der Abnahme des löslichen PO4-P durch die wachsende Kultur) rasch ab.To combat foaming, 20 ml of polypropylene glycol are stored sterile each time. Of these, in the start phase of the main cultures, 5 ml each are added to the fermentors to suppress foaming tendency. There is a rapid drop in the pH value, the control threshold is reached after half an hour. This starts the NH 4 OH dosage; the accumulated Laugedosierrate is detected every hour. Diagram 6 shows the time courses for the NH 4 0H rate and, derived therefrom, dosages for PO 4 -P and glucose for one of the two main culture fermentors. The leachate rate drops rapidly (corresponding to the decrease in soluble PO 4 -P by the growing culture).

Diese Abfallstendenz wird mittels externer Phosphatdosierung ab der 2.Stunde vermindert. Dabei wird die P04-P-Dosierung nur in dem Maß erhöht, daß die NH4OH-Rate monoton abnehmend bleibt. Ihre Nullstelle ab der 6. Stunde zeigt unter diesen Bedingungen, daß die PO4-P-Nachdosierung den Bedarf nicht vollständig deckt, nachdem das PO4-P-Startdepot (87mg/l freisterilisiert) verbraucht ist. Diese partielle PO4-P-Limitation wird zur gezielten Formierung der extrazellulären Phosphataseaktivität verwendet, d. h. die indirekte PO4-P-Dosierung mittels enzymatischer Ausbeutung der Komplexsubstrate wird auf das Fließgleichgewicht eingestellt.This drop tendency is reduced by means of external phosphate dosing from the 2nd hour. The P0 4 -P dosage is increased only to the extent that the NH 4 OH rate remains monotonically decreasing. Their zero from the 6th hour indicates under these conditions that the PO 4 -P replenishment does not fully meet the demand after the PO 4 -P start depot (87 mg / l free-sterilized) is consumed. This partial PO 4 -P limitation is used for targeted formation of the extracellular phosphatase activity, ie the indirect PO 4 -P dosage by enzymatic exploitation of the complex substrates is adjusted to the steady state.

Ab der NH4OH-Nullstelle beginnt die Dosierung der Phenylessigsäurelösung mit 0,65ml/l-h. Ab der 11. Stunde setzt die Laugedosierung wieder ein und die externe PO4-P-Dosierung wird reduziert, da die interne PO4-P-Versorgung induziert ist. Nach 14,5 Stunden wird die externe PO4-P-Dosierung ganz beendet. Nach 15 Stunden zeigt die NH4OH-Rate über eine weitere Nullstelle die Erschöpfung der Startglucose an. Diese Nullstelle ist somit der Startpunkt für die Glucosedosierung. Sie wird zunächst mit 0,55g/l-h eingestellt und ab der 15.Stunde auf 1,25g/l-h erhöht, um die NH4OH-Rate bei 0,1 ml/l-h zu stabilisieren. Diese Einstellungen bewirken Limitationsfreiheit bezüglich der Kohlenstoff- und Stickstoffversorgung während der Dauer der Fermentation, die als Basiszyklus einer zyklischen Bencylpenicillin-Fermentation ausgelegt ist. Der Vergleichsfermentor wird ohne Benutzung der NH4-OH-Dosierrate für die Echtzeitsteuerung der Dosierungen nach dem Standardverfahren betrieben. Die Phenylessigsäuredosierung wird ab der 11. Stunde mit 0,65 ml/l-h durchgeführt, die Glucosedosierung läuft ab der 23. Stunde mit 1,25g/l-h. Es wird keine externe Phosphatdosierung einbezogen. Während der Fermentationen wird der pO2-Wert mittels Drehzahlveränderung immer größer als 50% gehalten. Die Dosierraten werden entsprechend der Volumenzunahme nachgestelltFrom the NH 4 OH zero point, the dosage of the phenylacetic acid solution starts at 0.65 ml / lh. From the 11th hour, the lye dosage resumes and the external PO 4 -P dosage is reduced, since the internal PO 4 -P supply is induced. After 14.5 hours, the external PO 4 -P dosage is completely stopped. After 15 hours, the NH 4 OH rate indicates the depletion of starting glucose over another zero point. This zero point is thus the starting point for the glucose dosage. It is initially adjusted at 0.55 g / lh and increased to 1.25 g / lh from the 15th hour to stabilize the NH 4 OH rate at 0.1 ml / lh. These settings cause zero carbon and nitrogen supply restriction during the duration of the fermentation, which is the basic cycle of a cyclic benzylpenicillin fermentation. The reference fermentor is operated without using the NH 4 -OH dosing rate for the real-time control of dosages according to the standard procedure. The Phenylessigsäuredosierung is carried out from the 11th hour with 0.65 ml / lh, the glucose dosage runs from the 23rd hour with 1.25 g / lh. No external phosphate dosage is included. During the fermentations, the pO 2 value is always kept greater than 50% by means of speed change. The dosing rates are adjusted according to the volume increase

Während des Basiszyklus ergeben sich für die Produktausbeute folgende Zeitverläufe: During the basic cycle, the following time profiles result for the product yield:

Bencylpenicillin (IE/ml)Bencylpenicillin (IU / ml)

Zeit(h) Fermentor mit Fermentor ohneTime (h) Fermentor with Fermentor without

Echtzeitsteuerung EchtzeitsteuerungReal-time control Real-time control

22 1750 90022 1750 900

35 4000 345035 4000 3450

47 6700 480047 6700 4800

59 8600 610059 8600 6100

71 13800 8 20071 13800 8 200

Esliegtalsoeine Steigung der Produktausbeute um ca. 60%zumEndedes Basiszyklus vor. Die Ausbeute von 8000 bis9000 IE/ml nach ca. 70 Stunden ist bisheriger Stand der Technik.There is thus an increase in product yield of about 60% at the end of the base cycle. The yield of 8000 to 9000 IU / ml after about 70 hours is prior art.

Claims (3)

-1- 559 44-1- 559 44 Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. Verfahren zur Echtzeitsteuerung derfermentativen Herstellung von Sekundärmetaboliten mit Substratdosierung und Zusatz der Menge an Lauge, die für die Einhaltung der ausgewählten unteren pH-Regelschwelle notwendig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit zugegebene Laugemenge (Lauge-Dosierrate) zur Steuerung der Dosierung von Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, Spurenelementen und Substanzen mit Effektorwirkung verwendet und Limitationsfreiheit eingestellt wird.1. A method for the real-time control derfermentativen production of secondary metabolites with substrate dosage and addition of the amount of liquor necessary for compliance with the selected lower pH control threshold, characterized in that the per unit time added amount of liquor (liquor dosing) to control the dosage of Carbon sources, nitrogen sources, trace elements and substances used with effector effect and Limitationsfreiheit is set. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stickstoffdosierung mittels Verwendung von Ammoniumhydroxid über die Lauge selbst erfolgt.2. The method according to item 1, characterized in that the nitrogen is metered by the use of ammonium hydroxide over the liquor itself. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Lauge-Dosierrate durch Zufütterung phosphathaltiger Substanzen eingestellt wird.3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the lye metering rate is adjusted by feeding phosphate-containing substances. Hierzu 6 Seiten ZeichnungenFor this 6 pages drawings
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