DD283738A7 - METHOD FOR CULTURING MICROORGANISMS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen auf Methan/Erdgas als einziger Kohlenstoffquelle. Erfindungsgemaesz werden der neue methanotrophe Bakterienstamm IMET 11334 und der methanotrophe Bakterienstamm ZIMET B 502 gemeinsam als definierte Mischkultur kontinuierlich auf einem Methan-Luft-Gemisch unter Normal- oder erhoehtem Druck in einer streng bilanzierten Naehrloesung unter unsterilen Bedingungen kultiviert. Dasz nach diesen Verfahren gewonnene Endprodukt enthaelt bis zu 75% Rohprotein und alle lebenswichtigen Aminosaeuren.{Kultivierung; Eiweiszgewinnung; Bakterien; Rohprotein; Mikroorganismen; Prozeszfuehrung; methanotroph; Aminosaeuren; Methan; Mischkultur; unsteril}The invention relates to a process for the cultivation of microorganisms on methane / natural gas as the sole carbon source. According to the invention, the novel methanotrophic bacterial strain IMET 11334 and the methanotrophic bacterial strain ZIMET B 502 are cultured together as a defined mixed culture continuously on a methane-air mixture under normal or elevated pressure in a strictly balanced nutrient solution under unsterile conditions. The final product obtained by these methods contains up to 75% crude protein and all vital amino acids. {Cultivation; Eiweiszgewinnung; Bacteria; crude protein; microorganisms; Prozeszfuehrung; methanotroph; Amino acids; Methane; Mixed culture; unsterile}
Description
Es sind Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen, Insbesondere Bakterien, auf der Grundlage gasförmiger Kohlenwasserstoffe, z. B. Methan, bekannt. So wird In der US-PS 4042458 ein Verfahren beschrieben, In weichem ein Stamm Methylococcus auf Methan In einer Mischkultur mit heterotrophen und methylotrophen Mikroorganismen, die Stoffwechselprodukte assimilieren, mit einer Produktivität von 0,9g/l · h gezüchtet wird. Die gewonnene Biomasse enthält 69% Rohprotein. In den DE-OS 2307692 und DE-OS 2241258 wird ebenfalls Verfahren mit einem Stemm Methylococcus beschrieben. Der Nachteil dieser Verfahren liegt in der zu geringen Produktivität, zu niedrigem Rohproteingehalt und der Empfindlichkeit gegenüber hohen Ammoniumionenkonzentrationen. Ebenfalls bekannt ist die Züchtung einer symbiotischen Bakterienkultur (SU-US 460745), bei einer Durchflußrate bis 0,16h"1 sowie einer Temperatur von 330C und einem pH-Wert von 6,7 auf Erdgas. Ein thermotoleranter Stamm der Gattung Methylococcus capsulatus, der bei einem Temperaturoptimum von 38-390C und einer Durchflußrate von D = 0,12 h"1 wächst, wird in dem SU-US 467620 beschrieben. Die mit dieser Kultur erreichte Produktivität beträgt 1,2g/kg · h. Diesen genannten Verfahren und den in den Patentschriften (GB-PS 1421135; GB-PS 1397735; DD-PS113928; DD-PS 124194) beschriebenen sind folgende Nachteile gemeinsam:There are methods for the cultivation of microorganisms, in particular bacteria, based on gaseous hydrocarbons, eg. As methane, known. Thus, US Pat. No. 4,042,458 describes a process in which a strain of methylococcus is raised to methane in a mixed culture with heterotrophic and methylotrophic microorganisms which assimilate metabolic products with a productivity of 0.9 g / lh. The recovered biomass contains 69% crude protein. DE-OS 2307692 and DE-OS 2241258 also describe methods with a Stemm Methylococcus. The disadvantage of these methods lies in the low productivity, low crude protein content and sensitivity to high ammonium ion concentrations. Also known is the growth of a symbiotic bacterial culture (SU-US 460745), at a flow rate to 0.16 h " 1 and a temperature of 33 0 C and a pH of 6.7 on natural gas. A thermotolerant strain of the genus Methylococcus capsulatus , which grows at a temperature optimum of 38-39 0 C and a flow rate of D = 0.12 h " 1 , is described in SU-US 467620. The productivity achieved with this culture is 1.2 g / kg · h. The above-mentioned methods and the methods described in the patents (GB-PS 1421135, GB-PS 1397735, DD-PS113928, DD-PS 124194) share the following disadvantages:
- relativ geringe Wachstumsgeschwindigkeiten- relatively low growth rates
- niedrige Produktivitäten- low productivity
- niedrige Toleranzgrerizen bezüglich der Ammoniumstickstoffkonzentration.- low tolerance levels with respect to ammonium nitrogen concentration.
In der DD-PS 157866 wird ein Verfahren vorgestellt, das sich durch hohe Produktivitäten bei großen Durchflußraten auszeichnet. Der Nachteil dipres Verfahrens beruht auf der für Bakterien dieser Gattung bekannten hohen Empfindlichkeit gegenüber Ammoniumstict'StoiTKcnzentrationen. Die im Patent DD-PS148465 beschriebenen Mikroorganismen tolerieren Ammoniumstickstoffkonzentrationen bis 400mg/l ohne Produktivitätsverlust, jedoch genügen die erreichten Durchflußraten nicht den Anforderungen an eine Produktionskulturzur Erreichung hoher Produktivitäten.In DD-PS 157866 a method is presented, which is characterized by high productivity at high flow rates. The disadvantage of the dipres method is based on the known for bacteria of this genus high sensitivity to Ammoniumstict'StoiTKcnzentrationen. The microorganisms described in patent DD-PS148465 tolerate ammonium nitrogen concentrations up to 400 mg / l without loss of productivity, but the flow rates achieved do not meet the requirements of a production culture to achieve high productivity.
Hol der ErfindungGet the invention
Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren zu entwickeln, das eine stabile Prozeßführung unter unsterilen Bedingungen mit hohen Durchflußraten bei gleichzeitiger Gewährleistung eines eiweißreichen Endproduktes gewährleistet.The invention aims to develop a process that ensures stable process control under non-sterile conditions with high flow rates while ensuring a protein-rich end product.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Produktionskultur zu selektieren und einzusetzen, die im unsterilen Prozeß mit hohen Biomassekonzentrationen wächst und gegenüber den bisher bekannten methylotrophen Mikroorganismen eine große Wachstumsgeschwindigkeit sowie einen ausreichenden Selektionsvorteil und hohe Konkurrenzfähigkeit aufweist.The invention has for its object to select and use a production culture that grows in the unsterile process with high biomass concentrations and compared to the previously known methylotrophic microorganisms has a high growth rate and a sufficient selection advantage and high competitiveness.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der neue methanotrophe Bakterienstamm IMET11334 gemeinsam mit dem methanotrophen Bakterienstamm ZIMET B 502 als definierte Mischkultur kontinuierlich auf einem Methan-Luft-Gemisch unter Normal- oder erhöhtem Druck in einer streng bilanzierten Nährlösung unter unsterilen Bedingungen kultiviert wird.According to the invention the object is achieved in that the new methanotrophic bacterial strain IMET11334 is cultured together with the methanotrophic bacterial strain ZIMET B 502 as a defined mixed culture continuously on a methane-air mixture under normal or elevated pressure in a strictly balanced nutrient solution under unsterile conditions.
Der neue Stamm IMET11334 wurde in der Stammsammlung des Zentralinstitutes für Mikrobiologie und experimentelle Therapie der AdW der DDR hinterlegt. Er wird durch nachfolgende Merkmale charakterisiert:The new strain IMET11334 was deposited in the strain collection of the central institute for microbiology and experimental therapy of the AdW of the GDR. It is characterized by the following characteristics:
Zellmorphologie:Cell Morphology:
kurze dicke bis mittelgroße gerade Stäbchen mit einer Größe von 0,8 bis 0,9 x 1,2 bis 2,0Mm. Die Zellen treten überwiegend als Diploform auf, sind gramnegativ und unbeweglich. Bei der Kultivierung unter Normalbedingungen im Schüttelkolben wurden keine sudanophilen Granula in den Zellen eingelagert. Schleimbildung wurde nicht beobachtet.short thick to medium sized straight rods with a size of 0.8 to 0.9 x 1.2 to 2.0mm. The cells predominantly appear as a diploform, are gram-negative and immobile. During cultivation under normal conditions in a shake flask, no sudanophilic granules were stored in the cells. Slime formation was not observed.
Koloniemorphologie:Colony morphology:
Auf Mineralagarplatten werden nach 2 Wochen rotbraune ir der Mitte dunkelbraune, flache, fain amorphe Kolonien mit einem glänzenden Rand gebildet, wenn eine anorganische Stickstoffqualle und Methan als C-Quelle angeboten werden. Der Durchmesser der Kolonien beträgt etwa 1 mm, die Farbintensität der Kolonien richtet sich nt>r.h der Wachstumsdauer. Nach 8 Tagen Bebrütungszeit sind die Kolonien gelborange bis hellbraun und nach 2 Wochen rotbraun.On mineral agar plates, after 2 weeks, reddish brown ir of the middle, dark brown, flat, fain amorphous colonies are formed with a glossy margin when an inorganic nitrogen jellyfish and methane are offered as C source. The diameter of the colonies is about 1 mm, the color intensity of the colonies depends nt> r.h the growth period. After 8 days of incubation, the colonies are yellow-orange to light brown and reddish brown after 2 weeks.
pH-Bereich: 4,7 bis 6,9pH range: 4.7 to 6.9
beschrieben. Der Stamm IMET11334 ist serologisch vom Stamm ZIMET B 502 unterscheidbar. Der Stamm reagiert negativ mitdem Kaninchan-Antiserum des Stammes ZIMET B 502 sowohl bei der Objektträgeragglitunation als auch bei derdescribed. The strain IMET11334 is serologically distinguishable from the strain ZIMET B 502. The strain reacts negatively with Kaninchan antiserum of strain ZIMET B 502 in both slide agglutination and challenge
an dem Prozeß der Methankonvertierung zwei definierte methanotrophe Bakterienstämme mit unterschiedlichenin the process of methane conversion, two defined methanotrophic bacterial strains with different
eventueller Befall virulenter Phagen dia Massenzellkultivierung stört, da immer nur ein Stamm davon betroffen wäre.possible infestation of virulent phages dia mass cell cultivation disturbs because only one strain would be affected.
um 25% gegenüber der Fermentation mit dem Stamm ZIMET B 502 zu verzeichnen. Unter unsterilen Prozeßbedingungen sinddie Organismen ZIMET B 502 und IMET11334 im Temperaturbereich von 28 bis 420C, bevorzugt bei 38 bis 4O0C, bei einempH-Wert im Bereich von 4,7 bis 6,8, bevorzugt bei 5,4 bis 6,2 und einem Druck von 0,1 bis 1,0 MPa kontinuierlich bei Verweilzeitenbis minimal 3,5h kultivierbar.by 25% compared to the fermentation with the strain ZIMET B 502. Under non-sterile process conditions sinddie organisms ZIMET B 502 and IMET11334 in the temperature range of 28 to 42 0 C, preferably at 38 to 4O 0 C, at a pH in the range of 4.7 to 6.8, preferably 5.4 to 6, 2 and a pressure of 0.1 to 1.0 MPa continuously culturable at residence times to a minimum of 3.5h.
von s 3 eingestellt. Dabei werden Konzentrationen der Bestandteile der Nährlösung so gewählt, daß das Nährsalzangebot stetsder aktuellen Biomassekonzentration entspricht bzw. nur unwesentlich davon abweicht. Das Endprodukt des Prozesses ist eineset by s 3. In this case, concentrations of the constituents of the nutrient solution are selected so that the nutrient salt supply always corresponds to the actual biomass concentration or deviates only insignificantly from it. The end product of the process is one
In einem Rührfermentor werden 5kg vorgezüchtetes Impfmaterial des Kulturgemisches ZIMET B 602 (85% der Methanassimilierer)/IMET 11334 (15% der Methanassimilierer) mit einer Konzentration von 8 bis 10g/l eingesetzt. Das Nährmedium enthält pro Liter aqua dest.:In a stirred fermentor, 5 kg of precultivated seed of the culture mixture ZIMET B 602 (85% of the methane assimilators) / IMET 11334 (15% of the methane assimilers) with a concentration of 8 to 10 g / l are used. The nutrient medium contains distilled water per liter:
Die Temperatur wird auf 380C, der pH-Wert auf 5,7 und die Verweilzeit auf 6h eingestellt. Das Medium wird mit 15 l/kg · h Methan und 60l/kg · h Luft begast. Die Regelung des pH-Wertes erfolgt mit einer 2%igen Ammoniaklösung; J'mit wird gleichzeitig die Stickstoffversorgung der Mikroorganismen gewährleistet. Die Nährlösung wird zunächst auf eine Bakterienkonientration von 15g/l bilanziert. Nachdem die Biomasse auf eine Konzentration von 15g/l angewachsen ist, wird die Verweilzeit auf 4h herabgesetzt. Die Ammoniumstickstoffkonzentration wird zwischen 60 und 300mg/l gehalten. Unter diesen Bedingungen werden im stabilen kontinuierlichen Prozeß Bakterienkonzentrationen von 12 g/l, entsprechend einer Produktivität von 3,0g/kg · h, erzielt. Der Anteil der methanotrophen Stämme in der Mischkultur beträgt 85% ZIMET B 502 und 15% IMET11334. Der Rohproteingehalt der Biomasse beträgt 75%.The temperature is set at 38 ° C., the pH at 5.7, and the residence time at 6 hours. The medium is gassed with 15 l / kg · h of methane and 60 l / kg · h of air. The control of the pH is carried out with a 2% ammonia solution; At the same time the supply of nitrogen to the microorganisms is ensured. The nutrient solution is first balanced to a bacterial cost of 15g / l. After the biomass has grown to a concentration of 15 g / l, the residence time is reduced to 4 hours. The ammonium nitrogen concentration is kept between 60 and 300 mg / l. Under these conditions, in the stable continuous process, bacterial concentrations of 12 g / l, corresponding to a productivity of 3.0 g / kg · hr, are achieved. The proportion of methanotrophic strains in the mixed culture is 85% ZIMET B 502 and 15% IMET11334. The crude protein content of the biomass is 75%.
Die Kultivierung der Bakterienmischkultur erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben, allerdings wird die Temperatur auf 320C, die Verweilzelt auf 6h eingestellt. Bei diesen Bedingungen erhält man im stabilen kontinuierlichen Prozeß eine Biomassekonzentration von 14g/l. Dies entspricht einer Produktivität von 2,3g/kg · h. Das Verhältnis der methanotrophen Stämme der Mischkultur stellt sich dabei auf 70% ZIMET B 502:30% IMET11334 ein.The culture of the bacterial mixed culture is carried out as described in Example 1, but the temperature is set to 32 0 C, the indwelling tent to 6 h. Under these conditions a biomass concentration of 14g / l is obtained in the stable continuous process. This corresponds to a productivity of 2.3g / kg · h. The ratio of the methanotrophic strains of the mixed culture is based on 70% ZIMET B 502: 30% IMET11334.
Die Anzucht der Impf kultur erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben, jedoch wird der pH-Wert auf 5,0 und die Verweilzeit auf 8 h eingestellt. Im stabilen kontinuierlichen Prozeß stellt sich unter diesen Bedingungen eine Biomassekonzentration von 16g/l ein. Damit wird eine Produktivität von 2,0g/l · h erreicht. Der Anteil der methanotrophen Stämme beträgt bei diesen Kultivierungsbedingungen 95% ZIMET B 502 und 5% IMET11334.The cultivation of the seed culture is carried out as described in Example 1, but the pH is adjusted to 5.0 and the residence time to 8 h. In the stable continuous process, a biomass concentration of 16 g / l arises under these conditions. Thus, a productivity of 2.0g / l · h is achieved. The proportion of methanotrophic strains in these culturing conditions is 95% ZIMET B 502 and 5% IMET11334.
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