DD237328A1 - Verfahren zur herstellung von zellulose - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Zellulose mit Bakterien. Die zelluloseproduzierenden Bakterien werden an einer festen Oberflaeche, die in geeigneter Weise vorbehandelt ist, fixiert und regelmaessig mit waessriger Kulturloesung auf Basis Glukose als Kohlenstoffquelle bei einer Temperatur von 27 bis 30C und einem Anfangs-p H-Wert von 6,2 bzw. mit einem O2-haltigen Gasgemisch benetzt. Die gebildete Zellulose wird nach Verbrauch der Glukose aus der Kulturloesung kontinuierlich abgestreift und die anhaftenden Bakterien entfernt. Zur Durchfuehrung der Zellulosesynthese eignet sich eine Walze, die in einem abgeschlossenen Raum rotiert und die feste Oberflaeche verkoerpert bzw. ein endloses, durch die Kulturloesung bzw. das Gasgemisch bewegtes Traegerband. Mit Hilfe der erfindungsgemaessen Vorrichtung und des erfindungsgemaessen Verfahrens koennen die Produktivitaet um 80 bis 100% und die Ausbeute um 12 bis 20% gesteigert werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hersteilung von Zellulose mit Hilfe von Bakterien. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die mikrobiologische Industrie. Sie kann für die Gewinnung von flächigen und faserförmigen Materialien und die Herstellung von Spezialgeweben eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Fähigkeit bestimmter gramnegativer Bakterienarten aus den Gattungen Achromobacter, Acetobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Pseudomonas und Rhizobium, Zellulose zu.bilden, ist seit langem bekannt (1). Obwohl die bakterielle Zellulosebildung nichts Seltenes ist, fand sie Beachtung zunächst nur im Hinblick auf ihre biologisch-ökologischen Funktionen, wie z. B. bei der Entstehung von Kahmhäuten auf Wein, Bier und anderen wäßrigen Lösungen von Alkohol und Kohlenhydraten sowie bei der für die Abwasserreinigung typischen Aufwuchsflora und Flockenbildung in 3akteriensuspensionen (2,3). Später erregte die Bakterienzellulose auch als Produkt technisches Interesse, weil sie, wiedie Baumwolle, als Reinzellulose gebildet wird und somit aufwendige Abtrennoperationen, die bei der Gewinnung von Holzzellulose erforderlich sind, entbehrlich macht. Sie besitzt außerdem einen von pflanzlicher Zellulose abweichenden mikrostrukturellen Aufbau, der sie für Spezialfilter und Gewebe von hoher Festigkeit geeignet erscheinen läßt (3, 4). '

Das übliche Verfahren zur Erzeugung von Bakterienzeilulose ist relativ einfach. Eine sterile Nährlösung bekannter Zusammensetzung, die im allgemeinen Hefeautolysat und Pepton als Vitamin- bzw. Stickstoffquelle, Glukose als Kohlenstoffquelle und Mineralsalze in wäßriger Lösung enthält (pH6,2), wird mit Bakterien beimpft und unter aeroben, aseptischen Bedingungen bei Temperaturen zwischen 20 und 3O⁰C bebrütet. Es wird anschließend diskontinuierliche Arbeitsweise in Standkulturen angewandt (5, 6, 7, 8,. 10). Im Laufe von 3 bis 7 Tagen bildet sich an der Oberfläche der Kulturflüssigkeit ein Zellulosevlies (9). Alle Vorstellungen über die Anwendung des nativen Produkts sind daher an die Vliesform gebunden. Durch Auflösung, Wiederausfällung und/oder Verspinnung gehen erwartungsgemäß die spezifischen Materialeigenschaften weitgehend verloren. Das Interesse an dertechnischen Nutzung der Bakterienzellulose unterliegt großen Schwankungen (4). Einerseits wird darauf verwiesen, daß Bakterienzellulose keine praktische Bedeutung hat (7, 8), andererseits werden gegenwärtig verstärkt Untersuchungen zur Struktur des Produktes durchgeführt (6). Dies steht damit im Zusammenhang, daß zwar Interesse an Produkten mit spezifischen Eigenschaften besteht, die o. g. Kultivierungsmaßnah'men zur industriellen Herstellung aus zwei Gründen jedoch nicht geeignet erscheinen:

1. Die Produktivitäten (0,35g/l · d) und Ausbeuten (28%) sind zu gering.

2. Kontinuierliche Fermentation und kontinuierliche Austragung des Produktes sind gegenwärtig nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, höhere Produktivität und Ausbeute der bakteriellen Zellulosesynthese zu erreichen und die Produktion verschieden geformter Vliese bzw. Fäden zu ermöglichen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Prozeß der bakteriellen Zellulosesynthese so zu führen, daß die Substrate entsprechend ihrem Verbrauch und in optimaler Konzentration nachgeführt werden können und daß das Produkt regelmäßig ausgetragen wird sowie eine Vorrichtung zu entwickeln, die so gestaltet ist, daß das zu gewinnende Produkt eine vorherbestimmte Form enthält.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man zelluloseproduzierende Bakterien in einer wäßrigen Kulturlösung auf der Basis von Glucose als Kohlenstoffquelle bei einer Temperatur von 27 bis 3O⁰C und einem Anfangs-pH-Wert von 6,2

kultiviert und daß man vor Beginn der Produktionsphase die Bakterienzellen an einer festen Oberfläche fixiert und in periodischen Abständen mit der Kulturlösung benetzt. Nach Verbrauch der Glucose aus der Kulturlösung wird die gebildete Bakterienzellulose von der festen Oberfläche abgestreift und die daran anhaftenden Bakterien in bekannter Weise abgetrennt. Als zelluloseproduzierende Bakterien werden Bakterienstämme der Gattungen Acetobacter, Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Pseudomonas oder Rhizobium einzeln oder im Gemisch verwendet. Die feste Oberfläche muß in bekannter Weise chemisch oder mechanisch aufgerauht bzw. mit solchen Stoffen beschichtet werden, die eine Kapillarwirkung erzeugen oder deren chemische Beschaffenheit, Ladungseigenschaften, Komplexbildungsfähigkeit oder Oberflächenspannung die Haftung der Bakterien und der gebildeten Zellulose an der Oberfläche ermöglicht. Solche Stoffe sind beispielsweise: Polyesterharze, Epoxidharze oder Kautschuk. Die festen Oberflächen bestehen vorzugsweise aus Glas, Keramik, Metall, Plast; Gummi oder textlien Flächengebilden.

Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich beispielsweise eine Vorrichtung, die aus einer Walze 1 besteht, die in einem abgeschlossenen Raum 2 rotiert und die feste Oberfläche verkörpert. Die Vorrichtung ist mit Stutzen 3 versehen, durch die die Beschickung des abgeschlossenen Raumes 2 mit Nährlösung, die Beimpfung mit den produktbildenden Bakterien, die Be- und Entlüftung sowie die Einführung von Meßfühlern erfolgen kann. Weiterhin ist die Vorrichtung mit bekannten Einrichtungen zur Temperaturregelung ausgestattet.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Produktivität um 80 bis 100% und die Ausbeute um ca. 12 bis 20% gesteigert wenden. Außerdem können die nativen Produktvliese in der gewünschten Form, Ausdehnung, Stärke, Struktur und Musterung hergestellt werden. Auch fadenförmige Produkte sind möglich. Die effektivitätssteigemde Wirkung der Vorrichtung beruht darauf, daß im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren das sich bildende Zellulosevlies, weiches gleichzeitig die überwiegende Mehrzahl der syntheseaktiven Bakterien enthält, in keiner Phase seiner Bildung die Oberfläche der Nährlösung bedecken und damit den Übergang der Substrate, einschließlich des Sauerstoffs, an den Syntheseort erschweren kann. Durch sein Aufziehen auf eine feste Oberfläche können sowohl die Ausformung und Austragung des Produktes sowie das Substratversorgungsregime der Fermentation geregelt werden. Submerse Verfahren haben demgegenüber den Nachteil, daß ein diffuses Produkt mit geringerer Ausbeute erhalten wird, dessen Ausformung nicht beeinflußt wird und dessen Abtrennung ' spezielle Arbeitsgänge erfordert

Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Beispiel 1: . .

In einem Glaszylinder gemäß Abb. 1, der an beiden Stirnseiten durch V₂A-Platten, von denen eine die in Abb. 2 dargestellten Einbzw. Austrittsstutzen enthält, hermetisch abgeschlossen wird, befindet sich eine mittig gelagerte drehbare Glaswalze, deren Oberfläche, außer an den Stirnseiten, durch Flußsäurebehandlung aufgerauht ist und die in waagerechter Lage des Glaszylinders in diesem rotieren kann. Sämtliche Anschlußstutzen erlauben einen hermetischen Verschluß.

Stutzen B und C enthalten Einrichtungen zum Einleiten steriler Luft bzw. Ableiten der Abluft. Stutzen D enthält eine Temperatur- und Stutzen E eine pH-Meßeinrichtung. Durch Stutzen A werden 250 ml HESTRIN-Nährlösung bekannter Zusammensetzung (pH6,2) eingefüllt und die gesamte Apparatur hitzesterilisiert. Nach Abkühlung auf 3O⁰C werden 20ml Impfsuspension, die ca. 10⁴ Acetobacter"xylinum-Zellen pro ml enthält, aseptisch eingefüllt. Die Walze wird unmittelbar danach in waagerechter Lage der Apparatur in rotierende Bewegungen versetzt (5 min"¹), die Temperatur des Systems durch eine außen angebrachte Temperiereinrichtung während der gesamten Synthesedauer bei 20⁰C gehalten und durch die Stutzen B und C 151 Luft/h geleitet. Über die gesamte Synthesedauer werden aseptische Bedingungen eingehalten.

Nach 6 Tagen ist die in der Nährlösung enthaltene Glukose verbraucht und der pH-Wert auf 4,8 abgesunken und von der Oberfläche der rotierenden Walze wird die Bakterienzellulose abgestreift und in bekannter Weise von den anhaftenden Bakterien getrennt. Es werden 2,0g Zellulose erhalten, dies entspricht einer Ausbeute von 40% und einer Produktivität von 0,6g/l · d.

Beispiel 2:

Eine im Beispiel 1 beschriebene Apparatur wird, ebenso wie im Beispiel 1 beschrieben, behandelt. Nach der Zugabe der Impfsuspension verbleibt das System jedoch 12Std. in Ruhe, es wird nurtemperiert und wie oben angegeben Luft durchgeleitet. Diese Zeit soll einer besseren Anheftung der Bakterien an den in die Nährlösung tauchenden Teil der Glaswalze dienen. Danach wird mit der Umdrehung der Walze begonnen, und es wird wie im Seispiel 1 angegeben weiter verfahren. Nach 5 Tagen ist die in der Nährlösung enthaltene Glukose verbraucht, und die Bakterienzellulose kann wie oben angegeben isoliert werden. Es werden 2,1 g Zellulose erhalten, dies entspricht einer Ausbeute von 42% und einer Produktivität.von 0,64g/l · d.

Seispiei 3:

Anstelle der im Beispiel 1 beschriebenen Glaswalze wird zur Anheftung von Bakterien und zur Zeliulosesynthese ein 6m langes und 20 mm breites endloses Trägerband aus Zelluloid mit aufgerauhter Oberfläche benutzt. Dieses wird überzahlreiche Rollen in enge Schlaufen gelegt, deren Anordnung aus Abb. 3 zu ersehen ist. Diese laufen über frei bewegliche Rollen. Außerh'alb der Nährlösung befindet sich ein waagerechter Abschnitt des Bandes, an dem ein Abstreifer und eine Spule zum Aufwickeln des Zellulosebandes angeordnet sind. Die gesamte Vorrichtung ist auf einem korrosionsbeständigen Metallrahmen montiert, der in ein verschließbares Glasgefäß eingesetzt wird. Dieses enthält eine Einrichtung, mit deren Hilfe das Trägerband von außen bewegt werden kann (20cm · min"¹) sowie Stutzen zur Zuführung von Luft und Nährmedium, zur Abführung von Abluft und verbrauchter Kulturflüssigkeit, zur Beimpfung und zur Einführung von Meßeinrichtungen. Die Apparatur wird verschlossen und durch einen Einfüllstutzen mit HESTRIN-Nährlösung soweit gefüllt, daß die Schlaufen des Trägerbandes zur Hälfte bedeckt sind. Die gesamte Apparatur wird hitzesterilisiert (121⁰C, 30 min) und nach Abkühlen auf 30⁰C werden pro 250 ml HESTRIN-Nährlösung 20 ml Impfsuspension, die ca. 10⁴ Acetobacter xylinum-Zellen pro ml enthält, aseptisch eingefüllt. Das Band wird in Bewegung gesetzt und die Temperatur während der gesamten Synthesedauer zwischen 28 und 30⁰C gehalten. Durch 2 Stutzen werden pro eingefüllte 250mlHESTRIN-Nährmedium 151 sterile Luft/h während der gesamten Synthesedauer durch das Glasgefäß geleitet. Über die gesamte Synthesedauer werden aseptische Bedingungen eingehalten. Nach 5 Tagen ist die in der Nährlösung enthaltene Glukose verbraucht und der pH-Wert auf 4,8 abgesunken. Am Abstreifer werden 2,0g Zellulose (TS) pro 250 ml HESTRIN-Nährlösung als20.mm breites Band gewonnen. Dies entspricht einer Ausbeute von 38% und einer Produktivität von 0,58g/l d. e

Beispiel 4:j

Anstelle des in Beispiel 3 beschriebenen Bandes^wird ein glattes Trägerband benutzt, das pro 20mm Breite 3 Rillen von r = 0,5mm Tiefe mit aufgerauhter Oberfläche enthält. Es wird weiter wie im Beispiel 3 beschrieben verfahren, mit dem Zusatz, daß der verwendete Abstreifer die gebildeten Zellulosefäden aus den Rillen entfernt. Nach 72h haben sich in den Rillen Zellulosefäden gebildet. Der Abstreifer wird in die Rillen versenkt, die Fäden werden angehoben und aufgespult. Nach einer weiteren Bandumdrehung wird die Bandgeschwindigkeit auf 125cm/h eingestellt und die gebildeten Fäden kontinuierlich aufgespult. Alle 6 Stunden wird die Glukosekonzentration mit Hilfe handelsüblicher Teststreifen bestimmt und bei Absinken unter 5g/l das Medium entfernt undfrisches, sterilisiertes HESTRIN-Medium aseptisch eingefüllt. Der Prozeß kann kontinuierlich beliebig lange fortgesetzt werden.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung von Zellulose auf der Basis einer Kohlenstoff quelle, die in einer wäßrigen Nährlösung enthalten ist, mit zelluloseproduzierenden Bakterien bei einer Temperatur von 20 bis 30°C und einem pH-Wert von 4,8 bis 6,2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterien an einer festen Oberfläche fixiert, mit der Kulturlösung und einem Sauerstoff enthaltenden Gas in Kontakt gebracht werden und daß die gebildete Zellulose von derfesten Oberfläche abgestreift wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zelluloseproduzierende Bakterien Bakterienstämme der Gattungen Acetobacter, Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Pseudomonas oder Rhizobium einzeln oder im Gemisch verwendet werden.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr aller Stoffe und die Austragung des gebildeten Produktes kontinuierlich erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch erfindungsgemäße Vorbehandlung der verwendeten Oberflächen die Form der gebildeten Zellulosevliese bestimmt wird.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen