DE102012016951B4

DE102012016951B4 - Vorrichtung und Verfahren für die Fermentation mikrobieller Kulturen

Info

Publication number: DE102012016951B4
Application number: DE201210016951
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: WO2014032798A1; DE102012016951A1

Abstract

Vorrichtung für die Fermentation mikrobieller Kulturen (Fermenter (A, B)), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine vollständig autoklavierbare Kultivierungseinheit (A) aufweist, in der eine Flüssigphase (1), ein Füllkörper (2) und eine Trockenphase (3) jeweils übereinander anordenbar sind, und daß sie eine Regeleinheit (B) aufweist, über die eine Luftzufuhr (10–14) ermöglicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung – üblicherweise als Fermenter bezeichnet – und ein Verfahren zur Kultivierung von ein, zwei oder mehreren Mikroorganismen als mikrobielle Gemeinschaft.
Aus der DE 10 2010 010 293 A1 ist ein sogenannter Festphasenfermenter bekannt, bei dem beispielsweise Weißfäulepilze zum Zwecke der Gewinnung von Laccasen und Peroxidasen kultiviert werden. Dieser bekannte Fermenter weist ein drehend antreibbares Trommelmodul auf, mit Hilfe dessen eine schonende Durchmischung der sich – unter ansonsten möglichst homogenen Fermentationsbedingungen – entwickelnden Biomasse erzielt werden soll. Dies wird allerdings mit dem Nachteil einer konstruktiv aufwendigen Mechanik erkauft, die vor allem beim Wechseln der Erzeugung von der einen zu der einer anderen Biomasse zahlreiche Umbau- und Reinigungsschritte erforderlich macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Fermentation mikrobieller Kulturen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 5 zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Dies wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 5 erreicht.
Mikroorganismen kommen in der Natur – insbesondere in marinen Ökosystemen – vor und leben häufig als mikrobielle Gemeinschaften oder in Symbiose mit Schwämmen oder anderen Wirbellosen. Eine Kultivierung außerhalb ihres Habitats als Monokulturen ist in diesen Fällen häufig nicht möglich. Daher gilt eine Vielzahl von Mikroorganismen bislang mittels bekannter Fermentationsverfahren als nicht kultivierbar.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (A, B) und des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Luftzufuhr (10–14) so, daß sich im Inneren der Vorrichtung eine laminare Strömung der Luft ergibt. Damit wird vorteilhaft ein Feuchtigkeits-, Salz- und/oder Sauerstoffsättigungsgradient erzeugt, wodurch sich in den zur Fermentation vorgesehenen mikrobiellen Kulturen unterschiedliche Wachstumszonen bilden.
Bei weiteren Ausführungsformen wird durch partielle Trockenfermentation mikrobieller Mischkulturen in dem Fermenter (A, B) entsprechend Anspruch 7 die Kultivierung von ein, zwei oder mehreren Mikroorganismen als mikrobielle Gemeinschaft ermöglicht. Fermenter und Verfahren ermöglichen so beispielsweise die Produktion verschiedenster Sekundärmetaboliten (als Wirkstoffleitstrukturen), Proteinen und/oder Biomassen gemäß Anspruch 8.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des Fermenters
2 eine Prinzipdarstellung seiner Kultivierungseinheit (A) in Draufsicht
3 eine Prinzipdarstellung seiner Regeleinheit (B) in Draufsicht
Der in 1 dargestellte Fermenter (A, B) besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, nämlich einer hohlzylinderförmigen Kultivierungseinheit (A), deren Wandung unten abgeschlossen ist, und einer auf ihren oberen Rand mit einer daran angepaßten hohlkegelstumpfförmigen Deckelwandung (16) aufsetzbaren Regeleinheit (B). Die Anordnung einer Flüssigphase (1), eines Füllkörpers (2) und einer Trockenphase (3) in der Kultivierungseinheit (A) ermöglicht die Erstellung von Feuchtigkeits- und Salzgradienten, die unterschiedliche Wachstumszonen mit verschiedenen Kultivierungsbedingungen generieren und somit unter anderem Mischkulturen von Mikroorganismen diverser Gattungen, wie z. B. Pilzen und Bakterien. Die Wachstumszonen werden durch eine äußere Temperaturregelung (9) temperiert.
Der Füllkörper (2) kann aus verschiedenen Materialien bestehen, zum Beispiel aus Glaswolle, Keramik oder sonstigen inerten, porösen Materialien. Er dient zur Auflockerung von Feststoffsubstraten und bewirkt eine Vergrößerung deren Oberfläche. Die damit verbundene Optimierung des Sauerstofftransports und Wärmeaustauschs ermöglicht eine Steigerung der produzierten Biomasse.
Eine weitere Ausprägung der Wachstumszonen wird durch die Erzeugung eines Sauerstoffsättigungsgradienten in der Kultivierungseinheit (A) erreicht. Diese kann über eine laminare Luftzufuhr (14) in der Regeleinheit (B) erreicht werden. Durch die Anordnung in der Kultivierungseinheit werden aerobe, semi-anaerobe und nahezu anaerobe Wachstumsbedingungen erzeugt.
Durch die schichtweise Anordnung der Phasen (1) bis (3) entsteht bei fortschreitendem Wachstum eine Tendenz zur Ausweitung und Durchmischung der Wachstumszonen, an deren Grenzphasen eine Konkurrenzsituation zwischen den Organismen entsteht. Diese führt zu einer gesteigerten Produktion von Sekundärmetaboliten, die nach erfolgreicher Fermentation durch Zufuhr eines geeigneten Extraktionsmittels – beispiesweise organische Lösungsmittel wie Aceton oder Methanol oder auch Wasser – über eine Zufuhr (6) in der Regeleinheit (A) extrahiert werden können.
Über eine Zuleitung (4) mit einem am Boden der Kultivierungseinheit sternförmig angeordneten Verteiler (5) – siehe 2 – kann die Kultivierungseinheit (A) angeimpft werden und im weiteren Verlauf die Zufuhr von Substraten, Medium, Feuchtigkeit oder Luft von der Unterseite der Kultivierungseinheit (A) realisiert und somit die Fermentation reguliert werden.
Der Verlust von Biomasse und der Austritt von Mikroorganismen in die Umwelt, z. B. durch Aufwirbelungen von Pilz-Sporen in der trockenen Festphase, wird zum einen durch wässrige Sättigung (Wassersättigung (13)) der über eine Zuluftleitung (10) von einer Pumpe (11) angesaugten und mittels eines Zuluft-Filters (12) gefilterten Luft und zum anderen durch Anbringung einer – ebenfalls eine kegelstumpfförmige, nach unten offene Wandung aufweisenden – Kondensationshaube (15) in der Regeleinheit (B) gewährleistet. Die Kondensationshaube (15) weist an der Innenseite ihres oberen Endes eine Laminarbelüftung (14) auf, über die Luft in den Innenraum des Fermenters (A, B) einführbar ist. Je nach Bedarf sind die Kondensationshaube (15) und die mit ihr verbundene Laminarbelüftung (14) sowie deren Zuleitung höhenverstellbar. Um den Fermenter (A, B) gleichwohl luftdicht abgeschlossen zu halten, ist am oberen Ende der Kultivierungseinheit (B) eine Faltmanschette angeordnet, durch die die Luftzufuhrleitung luftdicht hindurchgeführt ist. Über eine im oberen Bereich der Regeleinheit (B) an zwei Öffnungen in deren Deckelwandung (16) angeschlossene Abluftleitung (17) – siehe auch 3 – wird Abluft über einen Abluftfilter (18) nach außen geleitet.
Bei einer Betriebstemperatur in der Kultivierungseinheit (A) von 25–37°C ergibt sich ein Temperaturgradient, durch den an der kühleren Kondensationshaube (15) ein Feuchtigkeitsfilm gebildet wird, der eventuell in der Luft befindliche feste Bestandteile bindet.
Die Extraktion der gebildeten Produkte (beispielsweise Sekundärmetabolite) erfolgt durch Zugabe eines geeigneten Extraktionsmittels über die entsprechende Zufuhr (6). Die mittels einer Dichtung (7) und einer Klammer (8) mit einander verbundene Regeleinheit (B) und Kultivierungseinheit (A) können von einander getrennt werden und die Kultivierungseinheit (A) mit einem – nicht dargestellten – Deckel verschlossen werden, so dass die Handhabung der Extraktion erleichtert wird.
Das beschriebene Verfahren stellt eine besonders schonende Methode zur Kultivierung der Mikroorganismen dar, da es ohne eine mechanische Durchmischung auskommt und somit beispielsweise eine Verletzung von Mycelen und Hyphen vermeidet. Zur praktischen Durchführung dieses Verfahrens hat sich der beschriebene Fermenter (A, B) als besonders geeignet gezeigt.
Bezugszeichenliste

A: Kultivierungseinheit
1: Flüssigphase
2: Füllkörper
3: Festphase
4: Medienzufuhr/Animpfung/Feuchtigkeit/Belüftung
5: Verteiler
6: Extraktionsmittel Ein-/Auslaßrohr
7: Dichtung
8: Verschlussklemme
9: Temperierung/Temperaturregelung
B: Regeleinheit
10: Zuluftleitung
11: Pumpe
12: Wassersättigung
13: Wassersättingung
14: Laminarbelüftung
15: Kondensationshaube
16: Deckelwandung
17: Abluftleitung
18: Abluft-Filter

Claims

Vorrichtung für die Fermentation mikrobieller Kulturen (Fermenter (A, B)), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine vollständig autoklavierbare Kultivierungseinheit (A) aufweist, in der eine Flüssigphase (1), ein Füllkörper (2) und eine Trockenphase (3) jeweils übereinander anordenbar sind, und daß sie eine Regeleinheit (B) aufweist, über die eine Luftzufuhr (10–14) ermöglicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Temperierung (9) der Kultivierungseinheit (A) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verteiler (5) am Boden des Fermenter-Innenraums vorgesehen ist, durch den Substrate, Medien, Feuchtigkeit oder zusätzlich Luft über eine mit ihm verbundene Zuleitung (4) von außen zuführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum der Regeleinheit (B) eine Kondensationshaube (15) vorgesehen ist.
Verfahren für die Fermentation mikrobieller Kulturen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vollständig autoklavierbaren Kultivierungseinheit (A) eine Flüssigphase (1), ein Füllkörper (2) und eine Trockenphase (3) jeweils übereinander angeordnet sind, wobei durch eine äußere Temperierung (9) der Kultivierungseinheit (A) sowie über eine Regeleinheit (B) durch laminare Luftzufuhr (14) ein Feuchtigkeits-, Salz- und/oder Sauerstoffsättigungsgradient erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Substrate, Medien, Feuchtigkeit oder zusätzlich Luft durch eine Zuleitung (4) über einen am Boden des Fermenters (A, B) angeordneten Verteiler (5) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trockenfermentation mikrobieller Mischkulturen ein Mikroorganismus in Kombination mit einem oder mehreren weiteren Mikroorganismen kultiviert wird, wobei die Fermentation als eine Festphasenfermentation durchgeführt wird.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten, Proteinen und/oder Biomasse aus mikrobiellen Mischkulturen ein Mikroorganismus in Kombination mit ein, zwei oder mehreren weiteren Mikroorganismen kultiviert wird.