DE10328552A1 - Producing defined enzyme mixture and/or metabolite mixture for fermentation of target substrates, by inoculating microorganisms in solid-phase bioreactor with inducer substrates and keeping mixed culture under appropriate conditions - Google Patents
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Abstract
Description
Es ist eine Vielzahl technologischer Prozesse bekannt, bei denen Enzyme bisher nur suboptimal oder gar nicht eingesetzt werden, obgleich dies von großem ökonomischem wie ökologischem Nutzen wäre. Dazu gehören zum Beispiel Verfahren, bei denen komplexe, biologische, feste Substrate verändert oder umgesetzt werden, deren Zusammensetzung sehr heterogen ist, die v. a. auch schwer abbaubare Substanzen wie Lignocellulose enthalten und/oder die äußere Grenzschichten (z. B. verholzte Zellwände, Kuticula etc.) besitzen, welche Barrieren für Enzyme darstellen und so die Bioverfügbarkeit einschränken. Für eine effektive Behandlung dieser Substrate wären speziell auf diese Substrate hin optimierte Enzymmischungen notwendig. Dies ist bisher noch nicht als gezielte und gerichtete Herstellung durch entsprechende Fermentationen möglich.It There is a multitude of technological processes known in which enzymes previously only suboptimal or not at all used, although this of great economic like ecological Benefit would be. This includes For example, processes involving complex, biological, solid substrates changed or whose composition is very heterogeneous, the v. a. also contain degradable substances such as lignocellulose and / or the outer boundary layers (eg woody cell walls, Cuticles, etc.), which are barriers to enzymes and so on the bioavailability limit. For one effective treatment of these substrates would be specific to these substrates Optimized enzyme mixtures necessary. This is not yet as targeted and directed production by appropriate fermentations possible.
Dieser Nachteil wird nun dadurch behoben, dass ein neues Kultivierungsverfahren auf der Basis einer Festphasen-Anzuchttechnik mittels speziellem, ebenfalls erfindungsgemäßem Bioreaktor, einem neuartigen, modularen und kontinuierlichen Schneckenreaktor, zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptierte und stabile, mikrobielle Kultur, bevorzugt eine Mischkultur von Pilzen, in der Weise hergestellt wird, dass diese in dem erfindungsgemäßen Bioreaktor mit einem oder mehreren Zielsubstraten allein oder in allen möglichen Kombinationen mit anderen Substraten oder mit diesen allein (wobei unter Zielsubstraten) solche verstanden sind, die in einem nachfolgenen Prozess eingesetzt werden) zusammengebracht wird und unter entsprechendem Selektionsdruck durch geeignete Wahl der Kultivierungsparameter sowie durch spezifische Induktion durch das oder die oben genannte(n) Zielsubstrate und/oder Hemmung mit speziellen Hemmstoffen nach einer gegebenen Kulturdauer ein definiertes, auf das oder die Zielsubstrate) hin optimiertes Enzymgemisch und/oder ein Metabolitgemisch produziert, welche in dem nachfolgendem Prozess zum Abbau des oder der Zielsubstrate kontinuierlich eingesetzt wird.This Disadvantage is now remedied by a new cultivation procedure on the basis of a solid phase cultivation technique by means of special, likewise bioreactor according to the invention, a novel, modular and continuous screw reactor, to disposal is provided, characterized in that an adapted and stable, microbial culture, preferably a mixed culture of fungi, is prepared in such a way that these in the bioreactor according to the invention with one or more target substrates alone or in all possible combinations with other substrates or with them alone (taking under target substrates) those are understood that are used in a subsequent process are brought together) and under appropriate selection pressure by a suitable choice of the cultivation parameters as well as by specific Induction by the target substrate (s) mentioned above and / or Inhibition with special inhibitors after a given culture period a defined one, optimized for the target substrate (s)) Enzyme mixture and / or a Metabolitgemisch produced, which in the subsequent process for degradation of the target or the target continuously is used.
Ein wichtiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ferner, dass durch die kontinuierliche Verfahrensführung und modulare Bauweise des neuartigen Bioreaktors die zeitliche Abhängigkeit der Produktion der Enzymgemische zu deren Optimierung im Hinblick auf den Abbau des Zielsubstrates, bzw. der Zielsubstrate simultan oder sequentiell hin genutzt wird.One important part of the present invention is further that through the continuous process control and modular design of the novel bioreactor, the temporal dependence of the production of Enzyme mixtures for their optimization with respect to the degradation of Target substrate, or the target substrates simultaneously or sequentially is used.
In
den letzten Jahrzehnten sind verstärkt Anstrengungen unternommen
worden, Biomasse durch enzymatischen Aufschluss zu behandeln (siehe
zum Beispiel
Viele biotechnologische Prozesse zur Behandlung von komplexen Substraten (meist Pflanzenmaterial aber auch z.B. Tierabfälle aus Tierschlachtereien etc.) benötigen neben den genannten Enzymgemischen (Hydrolasen, Oxidoreduktasen) zum möglichst weitgehenden Abbau oftmals zusätzlich (v. a. Oxidoreduktasen) bestimmte Cofaktoren oder Mediatoren, die teilweise noch unbekannt sind. Das heißt, dass einzelne Enzyme oder auch Zugaben von Gemischen zum Prozess nur bedingt Erfolg zeigen, da nur ein Zusammenspiel von vorher auf die Zielsubstrate hin adaptierten und optimierten Enzymgemischen zusammen mit diesen zusätzlichen Faktoren eine optimale Performance zeigen können. Dies ist aber bisher ebenfalls nicht in optimaler Weise möglich.Lots biotechnological processes for the treatment of complex substrates (mostly plant material but also, for example, animal waste from animal slaughterhouses etc.) in addition to the mentioned enzyme mixtures (hydrolases, oxidoreductases) for preferably extensive degradation often in addition (Other than oxidoreductases) certain cofactors or mediators, the partly still unknown. That means that single enzymes or additions of mixtures to the process show only limited success, since only an interaction of previously adapted to the target substrates out and optimized enzyme mixtures along with these additional ones Factors can show optimal performance. But this is so far also not possible in an optimal way.
Aus
Optimal an ein komplexes, biologisches Substrat adaptierte und definierte Enzymgemische und/oder Metabolitgemische sind nur erzeugbar durch Selektionsdruck auf die produzierenden Mikroorganismen-Populationen (Mischkulturen) und durch deren Induktion durch die entsprechenden Zielsubstrate.Optimal adapted to a complex, biological substrate and defined Enzyme mixtures and / or metabolite mixtures are only producible by Selection pressure on the producing microorganism populations (Mixed cultures) and by their induction by the corresponding Target substrates.
Nun ist allgemein bekannt, dass die Anwendung eines Selektionsdrucks auf Mischpopulationen von Mikroorganismen durch Einstellen definierter Umweltparameter im Zuge der Kultivierung dieser Organismen in der Regel zu bestimmten Populationsspektren führt. Diese Populationsspektren sind jedoch ungerichtet und zufällig.It is now well known that the application of selective pressure to mixed populations of microorganisms by setting defined environmental parameters in the course of culturing these organisms usually leads to certain population spectra. However, these population spectra are undirected and random.
Ebenso ist bekannt, dass durch die Wahl der Kulturbedingungen bestimmte Arten von Mikroorganismen angereichert oder Kontaminanten unterdrückt werden können.As well is known that by the choice of cultural conditions certain Types of microorganisms enriched or contaminants are suppressed can.
Bekannt ist auch, dass es während des Verlaufs solcher Kulturen in Abhängigkeit von den gewählten Selektionsbedingungen, aber auch in Abhängigkeit von der Substratbeschaffenheit und der Induktorverfügbarkeit (bei nicht konstitutiv gebildeten Proteinen und Metaboliten) zu zeitlich variierenden Metabolitspektren kommen kann. Jedoch gilt auch hier, dass diese Metabolitspektren ungerichtet und zufällig sind.Known it is also that during it the course of such cultures depending on the chosen selection conditions, but also in dependence from the substrate texture and the inductor availability (in non-constitutively formed proteins and metabolites) too time-varying metabolite spectra can occur. However, it is true Again, that these metabolite spectra are undirected and random.
Verfahren der genannten Art werden z.B. auf definierten festen Nährböden (Agarplatten → Mutagenesebehandlungen, genetische Transformationen etc.) sowie im Bereich der Submerskulturtechnik eingesetzt (in Form von Chemostaten oder Turbidostaten auch kontinuierlich). In letzterem Falle handelt es sich vor allem um Kultivierungen von Reinkulturen zur Erzielung von spezifischen Stoffwechselleistungen.method of the type mentioned are e.g. on defined solid nutrient media (agar plates → mutagenesis treatments, genetic transformations, etc.) as well as in the field of submerged culture used (in the form of chemostats or Turbidostaten also continuously). In the latter case, it is mainly cultivations of Pure cultures for the achievement of specific metabolic activities.
Bioreaktoren
zur kontinuierlichen Umsetzung fester Substrate sind aus verschiedenen
Anwendungsbereichen (Lebensmitteltechnik, Kompostiertechnik usw.)
bekannt. Beispielsweise wird das Fermentationsgut in Kompostieranlagen über Walzen
befördert.
Solche Verfahren erlauben aber keine anspruchsvolle Regulation der
Kultivierungsparameter. Die Verwendung von einer oder mehreren Förderschnecken
in Festphasen-Bioreaktoren ist zum Beispiel aus
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention
Diese beschriebenen Nachteile des Stands der Technik werden durch das im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren sowie den erfindungsgemäßen Bioreaktor zur kontinuierlichen Durchführung dieses Verfahrens behoben.These described disadvantages of the prior art are characterized by the in the following described inventive method and the bioreactor according to the invention for continuous implementation fixed this procedure.
Es wird ein neues Kultivierungsverfahren auf der Basis einer Festphasen-Anzuchttechnik mittels speziellem. ebenfalls erfindungsgemäßem Bioreaktor, einem neuartigen, modularen und kontinuierlichen Schneckenreaktor, zur Verfügung gestellt. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptierte und stabile, mikrobielle Kultur, bevorzugt eine Mischkultur von Pilzen, in der Weise hergestellt wird, dass diese in dem erfindungsgemäßen Bioreaktor mit einem oder mehreren Zielsubstraten allein oder in allen möglichen Kombinationen mit anderen Substraten oder mit diesen allein allein (wobei unter Zielsubstraten) solche verstanden sind, die in einem nachfolgenen Prozess eingesetzt werden) zusammengebracht wird und unter entsprechendem Selektionsdruck durch geeignete Wahl der Kultivierungsparameter wie Feuchtegehalt (Wasseraktivität), pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffverfügbarkeit, Redoxpotential und Nährstoffzusammensetzung etc. sowie durch spezifische Induktion durch das oder die oben genannte(n) Zielsubstrate und/oder Hemmung mit speziellen Hemmstoffen nach einer gegebenen Kulturdauer ein definiertes, auf das oder die Zielsubstrat(e) hin optimiertes Enzymgemisch und/oder ein Metabolitgemisch produziert, welche in einem nachfolgendem Prozess zum Abbau des oder der Zielsubstrate kontinuierlich eingesetzt wird.It becomes a new cultivation method based on a solid-phase cultivation technique by means of special. also according to the invention bioreactor, a novel, modular and continuous screw reactor, provided. This is characterized by an adapted and stable, microbial culture, preferably a mixed culture of fungi, in the Is made that these in the bioreactor according to the invention with one or more target substrates alone or in all sorts Combinations with other substrates or alone with them alone (Under target substrates) are understood as those in a subsequent process) is brought together and under appropriate selection pressure by appropriate choice of cultivation parameters such as Moisture content (water activity), pH, temperature, oxygen availability, redox potential and nutrient composition etc. as well as by specific induction by the target substrate (s) mentioned above and / or inhibition with specific inhibitors after a given Culture duration to the target substrate (s) produced optimized enzyme mixture and / or a metabolite mixture, which in a subsequent process for degradation of the target or substrates is used continuously.
Dabei sind spezielle Hemmstoffe solche, wie sie z.B. in: R.Vogel; Natürliche Enzyminhibitoren, Georg Thieme Verlag, 1984 und in: H. Zollner; Handbook of Enzyme Inhibitors, VCH, 1989 beschrieben sind.there special inhibitors are those as described e.g. in: R.Vogel; Natural enzyme inhibitors, Georg Thieme Verlag, 1984 and in: H. Zollner; Handbook of enzymes Inhibitors, VCH, 1989.
Ein wichtiger Bestandteil der Erfindung ist, dass die kontinuierlich erzeugten Enzym-Substrat-Pilz-Gemische entweder als solche eingesetzt werden, oder eine Abtrennung des Substrat-Pilz-Gemisches zur Gewinnung des flüssigen Enzymcoctail erfolgt. Desweiteren ist es möglich, die in solcher Weise gewonnen flüssigen Enzymmischungen einem weiteren Downstream-Prozessen zu unterziehen (Aufreinigung durch Ultrafiltrationen, Chromatographieverfahren etc.). One important part of the invention is that the continuous generated enzyme-substrate-fungal mixtures either be used as such, or a separation of the Substrate-fungal mixture to obtain the liquid enzyme coctail takes place. Furthermore, it is possible the liquid obtained in such a way Enzyme mixtures to undergo further downstream processes (Purification by ultrafiltration, chromatography method Etc.).
Ebenfalls ist ein wichtiger Bestandteil der Erfindung, dass die natürliche Kontaminations-Population von bestimmten Zielsubstraten/Substraten ausgenutzt wird, um daraus gewünschte Keime mit gewünschten Eigenschaften zu selektionieren; noch fehlende Eigenschaften können durch Zugabe geeigneter Induktoren inklusive der auf diesen vorhandenen oder selektionierten Keime supplementiert werden. Diese Zugabe kann zu Beginn der Kultivierung oder während der Anzucht geschehen. Es können auch Reinkulturen, die auf diesen Zielsubstraten/Substraten natürlicherweise vorkommen, daraus gezüchtet wurden oder aus Sammlungen stammen oder andere Organismenstämme (z.B. Hochleistungsstämme), die in ihrem Enzymspektrum passend sind, zugegeben werden.Also is an important part of the invention that the natural contamination population of certain Target substrates / substrates is exploited to from desired germs with desired To select properties; still missing properties can through Addition of suitable inductors including the existing on this or selected germs are supplemented. This addition can at the beginning of the cultivation or during the cultivation. It can too Pure cultures naturally on these target substrates / substrates occurring, bred out of it or derived from collections or other strains of organisms (e.g. High-performance strains) which are suitable in their enzyme spectrum, are added.
Ein wichtiger Bestandteil der Erfindung ist ferner, dass das erfindungsgemäße Verfahren aus einer bis mehreren Verfahrensstufen bestehen kann. Diese Verfahrensstufen können generell gleichzeitig ablaufen, d. h. es wird mit gleichzeitig eingesetzten mehreren Zielsubstraten/Substraten gearbeitet, zusätzliche Induktoren und/oder Hemmstoffe können gleichzeitig oder während der Kulturdauer zugegeben werden. Es können aber auch zeitlich hintereinander Substrate eingesetzt werden, wobei nicht alle per se Zielsubstrate sein müssen. Dies wird durch die kontinuierliche Verfahrensführung und modulare Bauweise des neuartigen Bioreaktors ermöglicht, der durch seine erfindungsgemäße Bauweise eine zusätzliche Substratzugabe, Zugabe von anderen Induktoren, Hemmstoffen, Zugabe von Mikroorganismenkulturen, Änderung des Selektionsdrucks etc. während der Kulturdauer erlaubt. Damit verbundenen ist die wichtige erfindungsgemäße Option, die zeitliche Abhängigkeit der quantitativen bzw. qualitativen Produktion der Enzymgemische bevorzugt auch als Stellgröße für die Regelung des laufenden Prozess selbst aber auch der nachgeschalteten Zielprozesse zu nutzen.An important part of the invention is further that the inventive method of ei ner can exist up to several stages of the process. These process steps can generally run simultaneously, ie it is worked with several target substrates / substrates used simultaneously, additional inducers and / or inhibitors can be added simultaneously or during the culture period. However, it is also possible to use substrates one behind the other, wherein not all have to be target substrates per se. This is made possible by the continuous process control and modular design of the novel bioreactor, which allows by its construction according to the invention additional substrate addition, addition of other inducers, inhibitors, addition of microorganism cultures, change of the selection pressure, etc. during the culture period. Associated with this is the important option according to the invention of preferably utilizing the temporal dependence of the quantitative or qualitative production of the enzyme mixtures as a manipulated variable for the regulation of the ongoing process itself and also of the downstream target processes.
Bei Anzuchten mit mehreren Verfahrensstufen (z. B. 2-stufig) wird abhängig vom Zielprozess auf geeigneten Substrate durch Ausnutzung des natürlichen Bewuchses dieser Substrate und gegebenenfalls durch eine zusätzliche, unterstützende Inokulation mit Reinkulturen (auch Hochleistungsstämme und auch aus Sammlungen) sowie durch Einstellen selektiver Bedingungen durch Wahl der Wasseraktivität, des pH-Werts, des Redoxpotentials, der Temperatur, der Verfügbarkeit von Sauerstoff, der Verfügbarkeit von Induktoren usw. in einer ersten Phase eine entsprechende Mischkultur erzeugt. Ziel dieser ersten Phase des Verfahrens ist es, einen für die zweite Phase geeigneten Pool an mikrobiellen Populationen zur Verfügung zu stellen. Die Mischkultur wird in der zweiten Stufe des Verfahrens durch Zugabe eines weiteren Substrates, welches auch in der Regel das Zielsubstrat ist, und durch Einstellen gegebenenfalls anderer (als in der ersten Stufe) selektiver Bedingungen durch eine geeignete Wahl der Wasseraktivität, des pH-Werts, des Redoxpotentials, der Temperatur, der Verfügbarkeit von Sauerstoff, der Verfügbarkeit von Induktoren usw. gerichtet in eine stabile und adaptierte Mischkultur überführt (fine-tuning), die nach einer gegebenen Kulturdauer ein definiertes Spektrum an Enzymen und/oder Metaboliten erzeugt, das an die zur Induktion verwendeten Zielsubstrate optimal adaptiert ist.at Growing with several process steps (eg 2-stage) depends on the Target process on suitable substrates by utilizing the natural Growing of these substrates and optionally by an additional, supportive Inoculation with pure cultures (also high performance strains and also from collections) and by setting selective conditions Choice of water activity, pH, redox potential, temperature, availability of oxygen, availability of inductors, etc. in a first phase, a corresponding mixed culture generated. The aim of this first phase of the procedure is to take one for the second Phase appropriate pool of microbial populations available put. The mixed culture is in the second stage of the process by adding another substrate, which also usually is the target substrate, and optionally adjusting others (as in the first stage) selective conditions by a suitable Choice of water activity, pH, redox potential, temperature, availability of oxygen, availability directed by inductors, etc. into a stable and adapted mixed culture (fine-tuning), after a given culture period, a defined spectrum Produces enzymes and / or metabolites that are used in the induction Target substrates is optimally adapted.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auf alle technologischen Prozesse anwendbar, bei denen biologische Substrate verändert oder umgesetzt werden und eine Behandlung dieser Substrate durch Enzyme entweder Gegenstand der Prozesse selbst ist, oder aber als Vor- oder Zusatzbehandlung genutzt werden kann. Inbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren für Prozesse aus der holzverarbeitenden Industrie, der Papier- und Zellstoffindustrie, der Textilindustrie, der Lederindustrie, der tierverarbeitenden Industrie, der Waschmittelindustrie, der Futterindustrie, der Lebensmittelindustrie, in der Abwasser-, Abluft- und Bodenreinigung und in der Reststoffverarbeitung und Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe eingesetzt werden.The inventive method is basically applicable to all technological processes involving biological Substrates changed or reacted and a treatment of these substrates by Enzyme is either the subject of the process itself, or as Pre-treatment or additional treatment can be used. In particular, that can inventive method for processes from the woodworking industry, pulp and paper industry, the textile industry, the leather industry, the animal-processing industry Industry, the detergent industry, the feed industry, the food industry, in wastewater, exhaust air and soil cleaning and in waste processing and processing of renewable raw materials.
Gleichfalls ist der erfindungsgemäße Bioreaktor gegenüber dem geschilderten Stand der Technik für sich genommen neu und erfinderisch. Zugleich ist der Bioreaktor zur kontinuierlichen Durchführung des dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet.Likewise is the bioreactor according to the invention across from the new state of the art in itself new and inventive. At the same time, the bioreactor for the continuous implementation of particular illustrated method of the invention suitable.
Andere Reaktortypen zur Festphasen-Kultivierung von Mikroorganismen wie beispielsweise Bioreactor for fermenting solids' (PCT WO 01/19954), 'Bioreactor having at least two reaction chambers' (WO 02/100999 A2), 'Kultivierungsverfahren für Mikroorganismen und Bioreaktor' (PCT/EP03/01663) sowie weitere bekannte Feststoffbioreaktoren (Bautypen sind etwa Schneckenreaktoren, Trommelreaktoren, Turmreaktoren, Rieselfilmreaktoren usw.) sind, gebenenfalls modifiziert oder in Form einer Kaskade, grundsätzlich ebenfalls geeignet.Other Reactor types for solid phase cultivation of microorganisms such as for example, Bioreactor for fermenting solids (PCT WO 01/19954), Bioreactor having at least two reaction chambers' (WO 02/100999 A2), 'cultivation procedure for microorganisms and bioreactor '(PCT / EP03 / 01663) as well as further known solid-state bioreactors (construction types are, for example, screw reactors, Drum reactors, tower reactors, falling film reactors, etc.), if appropriate modified or in the form of a cascade, also suitable in principle.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der erfindungsgemäße, kontinuierliche Bioreaktor, gegebenenfalls als Kaskade eingesetzt wird, um die zeitliche Abhängigkeit der Produktion der Enzymgemische zu deren Optimierung im Hinblick auf den Abbau des Zielsubstrats bzw. der Zielsubstrate simultan und sequentiell hin zu nutzen, d. h. es wird möglich, einen oder mehrere dem Enzymbildungsprozess nachgeschaltete Prozesse simultan oder sequentiell mit entsprechend optimierten Enzymcoctails simultan oder sequentiell zu versorgen.One Another important component of the present invention is that the inventive, continuous Bioreactor, optionally used as a cascade to the temporal dependence the production of the enzyme mixtures for their optimization with regard to on the degradation of the target substrate or target substrates simultaneously and sequentially, d. H. It will be possible to have one or more Enzyme formation process downstream processes simultaneously or sequentially with correspondingly optimized enzyme cocktails simultaneously or sequentially to supply.
Der
erfindungsgemäße Bioreaktor
(nach
Das
Fermentationsmodul (
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird in dem erfindungsgemäßen Bioreaktor
wie folgt kontinuierlich durchgeführt:
Entweder das Zielsubstrat
selbst oder in Mischungen mit anderen Substraten oder mehrere Zielsubstrate als
Gemisch oder entsprechend dem Zielsubstrat ausgewählten Substrate
werden über
den Trichter (
Either the target substrate itself or in admixture with other substrates or multiple target substrates as a mixture or substrates selected according to the target substrate are passed over the funnel (FIG.
Im Falle einer Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Bioreaktoren in Form einer Kaskade ist der Übergang von einem in den nächsten Reaktor wie folgt vorgesehen: Das Erntemodul des vorgeschalteten Teilreaktors wird mit dem Beschickungsmodul des nachgeschalteten Teilreaktors derart verbunden, dass das Erntemodul bodenständig mit einer beweglichen Schikane zur Strömungsteilung der Fermentationsmasse ausgestattet wird und das Erntemodul des vorgeschalteten Teilreaktors zwei verschließbare Ausläufe besitzt. Einer der beiden Auslässe wird mit dem Zulauf des nachgeschalteten Teilreaktors verbunden und dient der Weiterführung eines Teils des Substratstroms innerhalb des Prozesses. Der zweite Auslauf dient der Entnahme des anderen Teils des Substratstroms zur weiteren Verwendung. Dabei wird die Schikane so positioniert, dass der Substratstrom geeignet portioniert wird. Besonders bevorzugt wird werden die Förderschnecken der Teilreaktoren durch einen gemeinsamen Antrieb bewegt.in the Case of an arrangement of several inventive bioreactors in the form of a Cascade is the transition from one to the next Reactor provided as follows: The harvest module of the upstream Sub-reactor is connected to the feed module of the downstream Part of the reactor connected so that the harvesting module down to earth a movable chicane for flow division of the fermentation mass and the harvest module of the upstream sub-reactor two lockable outlets has. One of the two outlets is connected to the inlet of the downstream partial reactor and serves the continuation a portion of the substrate current within the process. The second Outlet serves to remove the other part of the substrate current for further use. The chicane is positioned the substrate stream is suitably portioned. Especially preferred will be the screw conveyors the partial reactors moved by a common drive.
Anwendungsbeispiel: Example of use:
Kontinuierliche Produktion spezifischer Hydrolase-Coctails zur Optimierung der Biogassynthese aus nachwachsenden RohstoffenContinuous production specific hydrolase cocktails for the optimization of biogas synthesis from renewable raw materials
Die vorliegende Erfindung, bestehend aus dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem erfindungsgemäßen Bioreaktor zur kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens wird durch das folgende Anwendungsbeispiel näher beschrieben.The present invention consisting of the method according to the invention and the bioreactor according to the invention for continuous implementation of the method is described in detail by the following application example.
Nachwachsende Rohstoffe enthalten große Mengen schwer abbaubarer Biopolymere wie Lignocellulose, Cellulose, Hemicellulosen (Xylan), Pektin, Cutin etc.. Diese mengenmäßig bedeutsamen Biopolymere, die den Hauptbestandteil oder wichtigen Anteil von Rapsabfällen, Stroh oder Heu bilden und in der Landwirtschaft in großen Mengen anfallen, können bislang in Biogasanlagen nicht oder nur suboptimal genutzt werden. Zudem ist ihr Einsatz als Futtermittel zum Teil durch gesetzliche Verordnungen begrenzt. Die Verwertung beispielsweise von Raps-Reststoffen in Biogasanlagen würde es ermöglichen, auf stillgelegten Flächen in größerem Maßstab Raps zur Biodieselgewinnung anzubauen, ohne bestehende Abkommen zwischen der EU und den USA zu tangieren.Renewable raw materials contain large quantities of persistent biopolymers such as lignocellulose, cellulose, hemicelluloses (xylan), pectin, cutin etc. These quantitatively important biopolymers, which form the main constituent or important fraction of rapeseed waste, straw or hay and are produced in large quantities in agriculture , so far can not be used in biogas plants or only suboptimal. In addition, their use as feed is partly limited by statutory regulations. The recovery of, for example, rapeseed residues in biogas plants would make it possible to cultivate rapeseed for biodiesel production on set-aside land on a larger scale, without existing agreements between the EU and the EU Affect the US.
Die Umwandlung von beispielsweise Rapsschrot in Biogas gelang bislang nur mäßig, da anaerob lebende Bakterien nur bedingt in der Lage sind, deren Bestandteile als Kohlenstoffquelle effizient nutzen zu können. Ebenfalls besitzen andere nachwachsende Rohstoffe wie Stroh etc. noch schlechter verfügbare Kohlenstoffquellen (Faserstruktur) für die Biogasproduktion.The Conversion of, for example, rapeseed meal into biogas has so far been successful only moderately because anaerobically living bacteria are only conditionally able to their constituents to use efficiently as a carbon source. Also own others renewable raw materials such as straw etc. even less available carbon sources (Fiber structure) for the biogas production.
Dieser Nachteil soll nun künftig dadurch behoben werden, dass dem Prozess der Biogassysnthese aus Raps-Reststoffen das erfindungsgemäße Verfahren – durchgeführt in dem erfindungsgemäßen Bioreaktor – vorgeschaltet wird. Dies ermöglicht es den Betreibern einer Biogasanlage, nach Bedarf an die zur Biogasproduktion verwendeten Substrate optimal angepasste Enzymmischungen selbst preisgünstig herzustellen.This Disadvantage should now future This will be remedied by the process of biogasassesis Rapeseed residues the inventive method - carried out in the bioreactor according to the invention - upstream becomes. this makes possible it to the operators of a biogas plant, as needed to those for biogas production used substrates optimally adapted enzyme mixtures themselves inexpensive manufacture.
Verfahrensgemäß wird bei einer 2-Phasenanzucht bevorzugt in der ersten Verfahrensstufe auf Pressrübenschnitzeln (diese stellen selbst Reststoffe aus der Verarbeitung eines landwirtschaftlichen Produkts dar und stehen ganzjährig zur Verfügung) unter geeigneten Kulturparametern selektiv eine Mischkultur bevorzugt bestehend aus solchen filamentösen Pilzen erzeugt, die hydrolystische Enzyme produzieren. In einer zweiten Verfahrensstufe wird durch Zugabe des Zielsubstrats, hier von Rapsschrot (das im nachgeschalteten Prozess gemeinsam mit beispielsweise Rindergülle methanisiert wird), selektiv und gezielt eine konditionierte Mischkultur erzeugt, die ein dem Zielsubstrat Rapsschrot angepaßtes Spektrum hydrolytischer Enzyme (Cellulasen, Xylanasen, Chitinasen, Pektinasen, Proteasen, Lipasen, Esterasen) nach einer gegebenen Kulturdauer produziert. Das gesamte, enzymhaltige Fermentationsgut wird dem Biogasprozess kontinuierlich zugegeben. Die aktiven Enzyme schließen innerhalb der Methanisierungsstufe die pflanzlichen Polymere des Rapsschrots auf. Durch eine geeignete Dosage der Enzymmischung kann außerdem der Spiegel freier Zucker in der Methanisierungsstufe auf ein optimales Niveau eingestellt und gehalten werden. So kann die Produktion von Biogas auf der Basis von Rapsschrot erhöht und die Umsatzzeiten deutlich verkürzt werden.According to the method is at a 2-phase growing preferred in the first stage of the process on crushed beet pulp (These themselves constitute residues from the processing of an agricultural product Products are available all year round to disposal) selectively prefers a mixed culture under suitable culture parameters consisting of such filamentous mushrooms produced, which produce hydrolytic enzymes. In a second Process stage is by adding the target substrate, here of rapeseed meal (which methanizes in the downstream process together with, for example, cattle manure is) selectively and selectively produces a conditioned mixed culture, the one adapted to the target substrate rapeseed meal spectrum hydrolytic Enzymes (cellulases, xylanases, chitinases, pectinases, proteases, Lipases, esterases) after a given culture period. The entire enzyme-containing fermentation material becomes the biogas process continuously added. The active enzymes close within the methanation stage the vegetable polymers of rapeseed meal on. By a suitable dosage of the enzyme mixture can also the Mirror free sugar in the methanation stage to an optimum Be set and maintained level. So can the production of Biogas based on rapeseed meal increases and sales times significantly shortened become.
Durch das neue Verfahren können außerdem viele andere, bislang ungenutzte Substrate wie Heu und Stroh einer Verwertung in Biogasanlagen zugeführt werden.By the new method can Furthermore many other untapped substrates like hay and straw Recycling in biogas plants are supplied.
Die vorliegende Erfindung, bestehend aus dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem erfindungsgemäßen Bioreaktor zur kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens ist nicht auf die beschriebene Anwendung beschränkt.The present invention consisting of the method according to the invention and the bioreactor according to the invention for continuous implementation of the method is not limited to the application described.
Die beschriebene Anwendung ist in folgendem Beispiel näher erläutert:The described application is explained in more detail in the following example:
Beispiel 1 (Zweiphasenkultur zur Erzeugung von Hydrolasegemischen für einen nachfolgenden Biogasprozess)Example 1 (two-phase culture for the production of hydrolase mixtures for a subsequent biogas process)
20 g nicht-autoklavierte Pressrübenschnitzel werden mit Pufferlösung auf einen Gesamtfeuchtegehalt von 50% und pH 6.0 gebracht und bei 30°C 11 Tage inkubier (1. Phase). In diesem Ansatz entwickelt sich eine Mischkultur aus Penicillium chrysogenum, Eurotium amstelodami, Aspergillus niger und Aspergillus tubingesis. Verschiedene Glucanasen, Xylanasen, Proteasen, Pectinasen, Esterasen und Lipasen werden von dieser Mischkultur sekretiert. Diese Mischkultur wird mit 10 g Rapsschrot, dass ebenfalls mit Pufferlösung auf 40% Feuchte und pH 5.5 gebracht wird, induziert (2. Phase). Als Kontrolle werden 10 g Pressrübenschnitzel unter sonst gleichen Bedingungen zugegeben. Nach 6 Tagen Inkubation bei 30°C zeigt sich eine Dominanz von Eurotium amstelodami und eine Zunahme der Xylanaseaktivität um den Faktor drei bei gleichbleibender Cellulaseaktivität im Vergleich zur Mischkultur (Phase 1) und zur Kontrolle. Die hydrolytische Gesamtaktivität, gemessen als Fluoresceindiacetat-Hydrolyse, steigt unter den gleichen Bedingungen um den Faktor 10. Mit diesem Enzymcoctail konnte im Laborversuch die Methanproduktion auf der Basis von Rapsschrot und Rindergülle (im Verhältnis 1:1, Gesamtfeuchtegehalt 65%) um 12% gegenüber der Kontrolle (Enzymcoctail durch Erhitzen inaktiviert) gesteigert werden. Mit dem Enzymcoctail des durch Zugabe von Pressrübenschnitzeln anstelle von Rapsschrot erhaltenen Ansatzes ergab sich immerhin noch eine Steigerung der Biogasausbeute um 4%.20 g non-autoclaved pressed beet pulp with buffer solution brought to a total moisture content of 50% and pH 6.0 and at 30 ° C 11 days Incubate (1st phase). In this approach, a mixed culture develops from Penicillium chrysogenum, Eurotium amstelodami, Aspergillus niger and Aspergillus tubingesis. Various glucanases, xylanases, Proteases, pectinases, esterases and lipases are derived from this mixed culture secreted. This mixed culture is mixed with 10 g rapeseed meal buffer solution brought to 40% humidity and pH 5.5 induced (2nd phase). As a control, 10 g of pressed beet pulp added under otherwise identical conditions. After 6 days incubation at 30 ° C shows a dominance of Eurotium amstelodami and an increase of xylanase by a factor of three with constant cellulase activity in comparison for mixed culture (phase 1) and for control. Total hydrolytic activity measured as fluorescein diacetate hydrolysis, increases under the same conditions by a factor of 10. With this enzyme coctail could in the laboratory experiment Methane production based on rapeseed meal and cattle manure (im relationship 1: 1, total moisture content 65%) by 12% compared to the control (Enzymcoctail inactivated by heating). With the enzyme coctail by adding pressed beet pulp after all, instead of rapeseed meal, the result was a further increase in biogas yield of 4%.
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