DE19833406A1 - Process for immobilizing microorganisms or enzymes - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen oder Enzymen, bei dem die Mikroorganismen oder Enzyme einem Trägermaterial zugegeben werden.The invention relates to a method for immobilizing Microorganisms or enzymes in which the microorganisms or Enzymes are added to a carrier material.
Bei der Durchführung biotechnologischer Prozesse werden Mikroorganismen oder Enzyme eingesetzt, um Produkte zu verändern. Da sich die Mikroorganismen oder Enzyme hierbei in der Regel nicht verändern, können große Mengen eines Produktes mit den gleichen Mikroorganismen oder Enzymen behandelt werden. Um dies zu erreichen, werden Mikroorganismen an Trägermaterialien angelagert und das Produkt wird an den Mikroorganismen entlang geführt. Die Mikroorganismen oder Enzyme bleiben somit im wesentlichen stationär an einem Ort, während das Produkt an den Mikroorganismen vorbeigeführt wird. Es ist jedoch auch möglich, immobilisierte Mikroorganismen durch ein Produkt hindurch zu führen, um während der Kontaktzeit zwischen dem Produkt und den Mikroorganismen oder Enzymen eine Behandlung des Produktes zu erzielen.When performing biotechnological processes Microorganisms or enzymes are used to change products. There the microorganisms or enzymes usually do not can change large quantities of a product with the same Microorganisms or enzymes are treated. To achieve this, microorganisms are attached to carrier materials and the product is guided along the microorganisms. The microorganisms or Enzymes thus remain essentially stationary in one place while the Product is guided past the microorganisms. However, it is also possible to immobilized microorganisms through a product lead to during the contact time between the product and the Microorganisms or enzymes to treat the product achieve.
Für diese Verfahren ist eine Immobilisierung von Mikroorganismen notwendig, das heißt, die Bindung der Mikroorganismen an ein Trägermaterial. Als Trägermaterial wird in der Technik beispielsweise ein poröses Glasmaterial oder ein Material auf der Basis von Zellulose verwendet. Je nach Oberflächeneigenschaften und Vorbehandlung dieser Materialien sind diese dazu geeignet, Mikroorganismen festzuhalten, ohne die Aktivität der Mikroorganismen oder Enzyme zu beeinträchtigen. Insbesondere durch das Umspülen der am Trägermaterial gebundenen Mikroorganismen kann in vielen Fällen die Effizienz der Behandlung des Produkts gesteigert werden.Immobilization of microorganisms is required for these processes necessary, that is, the binding of the microorganisms to a Backing material. In technology, for example, a is used as the carrier material porous glass material or a material based on cellulose used. Depending on the surface properties and pretreatment of these These materials are suitable for holding on to microorganisms without impair the activity of the microorganisms or enzymes. In particular, by washing around those bound to the carrier material In many cases, microorganisms can reduce the efficiency of the treatment of the Product can be increased.
Bei der Essigherstellung werden als Trägermaterialien Holzspäne verwendet. Hier ist das Immobilisieren der Mikroorganismen sehr einfach, da die Essigbildner sich leicht auf den meisten Materialien immobilisieren lassen. Für andere Mikroorganismen benötigt man komplexere Trägermaterialien, die in ihrer Oberflächenaktivität und Adsorptionsfähigkeit dahingehend beeinflußt werden, daß sich bestimmte Mikroorganismen an ihnen anlagern. Der Nachteil dieser Trägermaterialien ist ihr hoher Preis und ihre mangelhafte Massenverfügbarkeit.Wood chips are used as carrier materials in the production of vinegar used. Immobilizing the microorganisms is very easy here, because the vinegar formers easily immobilize on most materials to let. Other microorganisms require more complex ones Backing materials with surface activity and Adsorbability are influenced in that certain Store microorganisms on them. The disadvantage of these substrates is their high price and poor availability.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen oder Enzymen vorzuschlagen, das besonders kostengünstig durchführbar ist.The present invention is therefore based on the object Process for immobilizing microorganisms or enzymes propose that is particularly inexpensive to carry out.
Diese Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, bei dem als Trägermaterial Kieselgur verwendet wird. This object is achieved with a generic method in which diatomaceous earth is used as the carrier material.
Kieselgur zeichnet sich durch eine extrem große Oberfläche aus, die als aktive Oberfläche dazu geeignet ist, Mikroorganismen zu immobilisieren. Je nach Anwendungsfall kann die Kieselgur auf unterschiedlichste Arten vorbehandelt werden, um eine selektive Anlagerung bestimmter Mikroorganismen oder Enzyme zu ermöglichen. Darüber hinaus ist Kieselgur infolge von umfangreichen Vorkommen preisgünstig zur Verfügung zu stellen und auch in großen Mengen verfügbar.Diatomaceous earth is characterized by an extremely large surface, which as active surface is suitable for immobilizing microorganisms. Depending on the application, diatomaceous earth can be used in many different ways be pretreated to selectively attach certain To enable microorganisms or enzymes. Beyond that Diatomaceous earth inexpensively due to extensive deposits To make available and also available in large quantities.
Vorteilhaft ist es, wenn die Kieselgur vor ihrer Verwendung zur Immobilisierung von Mikroorganismen thermisch behandelt wurde. Die thermische Behandlung der Kieselgur, insbesondere bei Temperaturen von 200°C bis 850°C führt zu einer Veränderung der Oberflächeneigenschaft der Kieselgur, die eine Anlagerung von Mikroorganismen oder Enzymen begünstigt und das Durchströmen von Rohstoffen oder Produkten erleichtert.It is advantageous if the diatomaceous earth is used before Immobilization of microorganisms was thermally treated. The thermal treatment of the diatomaceous earth, especially at temperatures of 200 ° C to 850 ° C leads to a change in the surface properties the diatomaceous earth, which is an accumulation of microorganisms or enzymes favors and the flow of raw materials or products facilitated.
Ein Verfahren zur Behandlung von Kieselgur bei Temperaturen von 200°C bis 850°C ist aus der DE 196 29 848 vorbekannt. Diese Schrift betrifft eine Anordnung zur Veredelung und Regenerierung von vorwiegend kieselgurenthaltenden Materialien, die insbesondere beim Filtrieren von Erzeugnissen der Getränkeindustrie, wie beispielsweise in Brauereien anfallen. Hierbei wird ein waagerecht angeordneter Drehofen zur thermischen Behandlung der kieselgurenthaltenden Materialien verwendet. In diesem Drehofen werden die Materialien aufgelockert und verrieselt und ein Heizgasstrom dient dem Verbrennen der der Kieselgur anhaftenden organischen Bestandteile. Der Heizgasstrom ist vom Austragende zum Eintragende des Drehofens gerichtet und der Drehofen weist im Inneren mindestens zwei Zonen mit unterschiedlichen mechanischen Fördermitteln auf, die sich vom Eintragende und vom Austragende zum Drehofeninneren erstrecken.A process for the treatment of diatomaceous earth at temperatures of 200 ° C up to 850 ° C is previously known from DE 196 29 848. This font concerns an arrangement for the refinement and regeneration of predominantly diatomaceous earth materials, particularly when filtering Products of the beverage industry, such as in breweries attack. Here, a horizontally arranged rotary kiln becomes thermal treatment of the materials containing diatomaceous earth. The materials are loosened and sprinkled in this rotary kiln a heating gas flow is used to burn the diatomaceous earth organic ingredients. The heating gas flow is from the discharge to Entry end of the rotary kiln directed and the rotary kiln points inside at least two zones with different mechanical funding on, which is from the entry and the discharge to the inside of the rotary kiln extend.
Insbesondere mit einer aus der DE 196 29 848 bekannten Vorrichtung behandelte Kieselgur hat sich hervorragend als Trägermaterial zur Immobilisierung von Mikroorganismen herausgestellt.In particular with a device known from DE 196 29 848 Treated diatomaceous earth has proven to be an excellent substrate for Immobilization of microorganisms highlighted.
Durch das im Vergleich zu anderen Verfahren langsamere Aufheizen und langsamere Abkühlen der Kieselgur und die Anwendung niedrigerer Temperaturen ergibt sich eine schonende Behandlung der Kieselgur und eine Zerstörung der Diatomeen wird verhindert. Deshalb werden zur Behandlung der Kieselgur Temperaturen von vorzugsweise weniger als 750°C vorgeschlagen. Dies schont die Kieselgur.Due to the slower heating compared to other processes and slower cooling of the diatomaceous earth and lower application A gentle treatment of diatomaceous earth and temperatures results destruction of the diatoms is prevented. That is why Treatment of kieselguhr temperatures of preferably less than 750 ° C suggested. This protects the diatomaceous earth.
Die thermische Behandlung eignet sich jedoch vor allem auch für die Rückgewinnung von Kieselgurschlämmen, die vor allem organische Substanzen enthalten, da während der thermischen Behandlung die brennbaren organischen Substanzen verbrannt werden können. Um eine möglichst weitgehende Verbrennung in kurzer Zeit zu erzielen, werden möglichst hohe Temperaturen angestrebt und es wird deshalb vorgeschlagen, daß die Kieselgur bei Temperaturen von über 350°C behandelt wird.However, the thermal treatment is particularly suitable for Recovery of diatomaceous earth sludges, mainly organic Contain substances because during the thermal treatment the combustible organic substances can be burned. To one to achieve the greatest possible combustion in a short time As high a temperature as possible and it is therefore suggested that the diatomaceous earth at temperatures above 350 ° C is treated.
Insbesondere die Behandlung der Kieselgur in einem Drehofen führt zu einer schonenden thermischen Behandlung der Kieselgur, wobei ein Drehofen gemäß der DE 196 29 848 zu hervorragenden Ergebnissen geführt hat.In particular, the treatment of the diatomaceous earth in a rotary kiln leads to a gentle thermal treatment of the diatomaceous earth, whereby a Rotary kiln according to DE 196 29 848 for excellent results has led.
Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß bei der thermischen Behandlung der Heizgasstrom vom Austragsende zum Eintragsende des Drehofens gerichtet ist, wobei die in der DE 196 29 848 angegebenen Temperaturen zu einer hinreichenden Verbrennung der an der Kieselgur anhaftenden organischen Bestandteile im Heizgasstrom führen. Im Hinblick auf die Ausgestaltung eines vorteilhaften Drehofens, die Gas- und Temperaturführung wird vollständig auf die DE 196 29 848 Bezug genommen, in der auch die Verwendung eines Luft- oder Sauerstoffzusatzes erwähnt ist. Darüber hinaus können auch reduzierende Bereiche im Drehofen das Behandlungsergebnis verbessern.This is particularly due to the fact that in the thermal Treatment of the heating gas flow from the discharge end to the entry end of the Drehofens is directed, the specified in DE 196 29 848 Temperatures for sufficient combustion of the diatomaceous earth lead adhering organic components in the heating gas flow. With regard on the design of an advantageous rotary kiln, the gas and Temperature control is completely based on DE 196 29 848 taken in which also the use of an air or Oxygen addition is mentioned. They can also be reducing Areas in the rotary kiln improve the treatment result.
Die beschriebene thermische Vorbehandlung der Kieselgur kann je nach Einsatzzweck so variiert werden, daß bestimmte Mikroorganismen oder Enzyme sich an die Kieselgur anlagern und Rohstoffe und Produkte des zu behandelnden Materials problemlos durch die Kieselgurschüttung hindurchtreten können. Ablagerungen von Rohstoffen oder Produkten an der Kieselgur sollten vermieden werden, um ein Verblocken der freien Durchgangsbereiche zu vermeiden.The thermal pretreatment of the diatomaceous earth described can vary depending on Purpose are varied so that certain microorganisms or Enzymes attach to the diatomaceous earth and raw materials and products of the treating material easily through the diatomaceous earth fill can step through. Deposits of raw materials or products The diatomaceous earth should be avoided to block the free Avoid passage areas.
Weitere Einsatzmöglichkeiten der Kieselgur zur Immobilisierung der Mikroorganismen oder Enzymen eröffnen sich, wenn die Kieselgur mit die Oberflächenaktivität beeinflussenden Substanzen behandelt wird. Diese Behandlung wird vorzugsweise nach der thermischen Behandlung durchgeführt und ermöglicht die selektive Anlagerung oder Abstoßung bestimmter Inhaltstoffe des zu behandelnden Mediums durch eine gezielte Beeinflussung der Oberflächenaktivität, wie beispielsweise der Adsorptionsfähigkeit der Kieselgur. Zur Beeinflussung der Oberflächenaktivität kommen je nach zu behandelndem Inhaltsstoff organische oder anorganische Zusatzmittel zum Einsatz, mit denen die Kieselgur entweder behandelt wird oder die der Kieselgur zugegeben werden.Other possible uses of diatomaceous earth to immobilize the Microorganisms or enzymes open up when the diatomaceous earth contains the Substances influencing surface activity is treated. This Treatment is preferred after the thermal treatment carried out and enables selective attachment or rejection certain ingredients of the medium to be treated by a targeted Influencing surface activity, such as that Adsorptive capacity of the diatomaceous earth. To influence the Surface activity comes depending on the ingredient to be treated organic or inorganic additives used with which the Diatomaceous earth is either treated or added to the diatomaceous earth become.
Zur Behandlung der Oberfläche sind beispielsweise Metallösungen oder Salze geeignet. Je nach eingesetzten Mikroorganismen oder Enzymen und zu behandelndem Medium muß jedoch von Fall zu Fall eine ggf. notwendige Behandlung der Kieselgur durch einfache Versuche optimiert werden.For the treatment of the surface are, for example, metal solutions or Suitable salts. Depending on the microorganisms or enzymes used and the medium to be treated must, however, necessary treatment of the diatomaceous earth optimized by simple experiments become.
Eine einfache Art zur Durchführung des Verfahrens liegt darin, daß die Kieselgur vorgelegt wird und zunächst die Mikroorganismen oder Enzyme und anschließend das zu behandelnde Medium über die Kieselgur geleitet wird. Dadurch lagern sich zunächst die Mikroorganismen oder Enzyme an der Kieselgur an und beim anschließenden Durchströmen der Kieselgur wird das zu behandelnde Medium durch die Mikroorganismen oder Enzyme verändert. Vorzugsweise wird das zu behandelnde Medium auf die optimale Reaktionstemperatur vorgeheizt und anschließend in einem isolierten Bioreaktor mit die Mikroorganismen oder Enzymen in Verbindung gebracht.A simple way of performing the method is that the Diatomaceous earth is presented and first the microorganisms or enzymes and then passed the medium to be treated over the diatomaceous earth becomes. As a result, the microorganisms or enzymes initially accumulate the diatomaceous earth on and when it subsequently flows through the diatomaceous earth is the medium to be treated by the microorganisms or Enzymes changed. Preferably, the medium to be treated is on the optimal reaction temperature preheated and then in one isolated bioreactor with the microorganisms or enzymes in Connected.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of the method according to the invention is in the figure shown and is explained in more detail below.
Es zeigt,
die Figur schematisch, eine Anordnung zur Behandlung eines Mediums
mit immobilisierten Mikroorganismen.It shows,
the figure schematically, an arrangement for treating a medium with immobilized microorganisms.
Eine Kieselgur, die in einer Brauerei zur Filtration von Bier verwendet worden ist, weist große Menge organischer Stoffe auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine derartige Kieselgur zunächst mit einer Vorrichtung nach der DE 196 29 848 behandelt. Die Verfahrensparameter, die Temperatur und Luftführung werden sämtlich wie in dieser Offenlegungsschrift beschrieben, durchgeführt. Die so vorbehandelte Kieselgur 1 wird in einen isolierten Bioreaktor 2 eingebracht und anschließend wird eine Suspension aus Wasser und Mikroorganismen durch den Reaktor geleitet. Hierbei lagern sich die Mikroorganismen an die Kieselgurpartikel an. Das Gemisch aus Wasser und Mikroorganismen wird zunächst eine Zeit lang im Kreislauf gepumpt und anschließend wird eine Lösung des zu behandelnden Produktes zunächst temperiert und anschließend durch den Reaktor geleitet. Am Ausgang des Reaktors wird beispielsweise eine spezielle Konzentration des zu behandelnden Produktes gemessen und entsprechend dieser Konzentration wird die Durchflußgeschwindigkeit durch den Reaktor geregelt.A diatomaceous earth used in a brewery to filter beer contains large amounts of organic matter. According to the present exemplary embodiment, such a kieselguhr is first treated with a device according to DE 196 29 848. The process parameters, the temperature and air flow are all carried out as described in this laid-open specification. The diatomaceous earth 1 pretreated in this way is introduced into an isolated bioreactor 2 and then a suspension of water and microorganisms is passed through the reactor. The microorganisms attach themselves to the diatomaceous earth particles. The mixture of water and microorganisms is first pumped in a circuit for a while and then a solution of the product to be treated is first tempered and then passed through the reactor. At the outlet of the reactor, for example, a special concentration of the product to be treated is measured and the flow rate through the reactor is regulated according to this concentration.
Im vorliegenden Beispiel hat der Reaktor ein Volumen von 10 Litern. Durch diesen Reaktor werden 50 Liter einer Suspension aus Wasser und Milchsäurebakterien des homofermentativen Stammes Lactobazillus plantarum mit einer Zellzahl von 107 Zellen pro Milliliter im Kreislauf bei einem Volumenstrom von 1 Liter pro Minute durch den Reaktor geleitet. Dabei wird der Reaktor 2 durch Erwärmen des Mediums 3 am Wärmeübertrager 4 auf 34°C temperiert. Anschließend wird mit der Pumpe 5 eine Melasse-Lösung durch den Reaktor geleitet. Auch die Melasse-Lösung wird zunächst auf 34°C temperiert und dann über ein Dosierventil 6 dem Reaktor 2 zugeleitet. Am Auslauf 7 des Reaktors 2 ist eine pH-Meßeinrichtung 8 angeordnet, die den pH-Wert mißt. Die Höhe des pH-Werts wird zur Regelung des Durchflusses mittels des Dosierventils 6 verwendet. Bei einem pH-Wert <3,5 wird die Durchflußmenge reduziert und bei einem pH-Wert <3,5 wird die Durchflußmenge erhöht. In the present example, the reactor has a volume of 10 liters. 50 liters of a suspension of water and lactic acid bacteria of the homofermentative strain Lactobacillus plantarum with a cell count of 10 7 cells per milliliter are circulated through this reactor at a volume flow of 1 liter per minute through this reactor. The reactor 2 is heated to 34 ° C. by heating the medium 3 on the heat exchanger 4 . A molasses solution is then passed through the reactor with the pump 5 . The molasses solution is also first heated to 34 ° C. and then fed to the reactor 2 via a metering valve 6 . At the outlet 7 of the reactor 2 , a pH measuring device 8 is arranged, which measures the pH. The level of the pH is used to regulate the flow by means of the metering valve 6 . The flow rate is reduced when the pH is <3.5 and the flow rate is increased when the pH is <3.5.
Durch die an der Kieselgur angelagerten Lactobazillen kommt es zu einer Vergärung der in der Melasse enthaltenen Glucose zur Milchsäure. Dieses kann nach Vergärung durch Fällung aus dem Eluat gewonnen werden.The lactobacilli attached to the diatomaceous earth cause one Fermentation of the glucose contained in the molasses to lactic acid. This can be obtained from the eluate after fermentation by precipitation.
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