DE2329811A1 - Verfahren zur zuechtung von mikroorganismen in n-paraffine enthaltenden naehrmedien - Google Patents

Verfahren zur zuechtung von mikroorganismen in n-paraffine enthaltenden naehrmedien

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DE2329811A1
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Yoshihiro Kohchi
Shigeyuki Kubota
Nagamasa Sassa
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Description

KANEGAFUCHI CHEMICAL INDUSTRIES CO., LTD. Osaka, Japan
11 Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen in n-Paraffine enthaltenden Nährmedien "
Priorität: 12. Juni 1972, Japan, Nr. $8 811/1972
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen, insbesondere zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen, wie Hefen oder Bakterien, in flüssigen Nährmedien, die n-Paraffine als einzige Kohlenstoffquelle enthalten.
Bei der Züchtung von Mikroorganismen, die Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoffquelle verwerten, sind Wachstumsgeschwindigkeit und Produktivität der Mikroorganismenzellen im allgemeinen gerin- . ger als bei Mikroorganismen, die Kohlenhydrate als Hauptkohlenstoffquelle verwerten. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die
Kohlenwasserstoffe in V/asser unlöslich sind, und eine große Men-' ge Sauerstoff bei der Züchtung unter Verwertung von Kohlenwasserstoffen notwendig ist.
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Beispielsweise ist die Züchtung von Mikroorganismen unter Verwertung von n-Paraffincn als Kohlenstoffquelle aus der US-PS 3 725 200 bekannt. Jedoch ist auch dieses Verfahren mit den vorgenannten Nachteilen behaftet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen in flüssigen Näfrrmedien unter Verwertung von η-Paraffinen als einzige Kohlenstoffquelle zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden und eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit und eine große Ausbeute an Mikroorganismenzellen erreicht wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen in einem Nährmedium, das mindestens ein η-Paraffin als einzige Kohlenstoffquelle enthält, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Züchtung in Gegenwart von mindestens einem Polyoxypropylenglykoldiäther durchführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Züchtung von η-Paraffine verwertenden Mikroorganismen, sondern auch für Mischkulturen von Mikroorganismen, d.h. zur gleichzeitigen Züchtung von η-Paraffine verwertenden Mikroorganismen s\ von Mikroorganismen,
/die η-Paraffine nicht verwerten können; vgl. japanische Patentveröffentlichung Nr. 8563/1970.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind die Wachstumsgeschwindigder Mikroorganismen und die Ausbeute an Mikroorganismen- _j
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zellen erhöht.
Die Wahl der eingesetzten η-Paraffine ist nicht kritisch. Bevorzugt sind η-Paraffine mit 9 bis 30, insbesondere 12 bis 17 Kohlenstoffatomen. Die Verteilung der einzelnen Bestandteile oder die Anteile der einzelnen η-Paraffine innerhalb dieser Grenzen sind nicht kritisch.
Die Polyoxypropylenglykoldiäther liegen irn Nährmedium in einer Konzentration von etwa 10 bis etwa 2000 ppm, vorzugsweise 20 bis 200 ppm vor. Diese Konzentrationsangabe gilt sowohl für kontinuierliche als auch für absatzweise Verfahren. Entweder v/erden die Diäther mit den η-Paraffinen vermischt, und das Gemisch wird in den Züchtungsbehälter gegeben, oder die Diäther werden direkt zusammen mit den η-Paraffinen in den Behälter eingespeist.
Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß Polyoxypropylenglykoldiäther in η-Paraffinen löslich sind, so daß dadurch die Mikroverteilung und Dispersion der n-Paraffine im Nährmedium begünstigt wird. Die feinverteilten und dispergierten n-Paraffine können leicht ah der Oberfläche der Mikroorganismenzellen im Nährmedium adsorbiert werden.
Es wurde"weiterhin festgestellt, daß die einmal adsorbierten η-Paraffine nicht leicht wieder entfernt werden, auch wenn das Nahrmedium mechanisch gerührt oder bewegt wird. Aus diesem Grunde wird die Assimilationsgeschwindigkeit von n-Paraffinen durch die Mikroorganismen gesteigert, und die V/achstumsgeschv;in-_j
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digkeit und die Ausbeute an Mikroorganismen erhöht sich in überraschendem Maße.
Als Mikroorganismen können im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise η-Paraffine verwertende Hefen, wie Candida novellus (vgl. japanische Patentveröffentlichung Nr. 18 562/1970), Candida tropicalis, Candida guilliermondii, Candida rugosa, Candida parapusirosis und Zygosaccharomyces chikumaensis, so-.wie n-Paraffine verwertende Bakterien, wie Arthrobacter alkanicus, Bacillus megatherium, Bacillus subtilis und Lactobacillus casei» verwendet v/erden. Ferner werden auch Mikroorganismen von Kohlenwasserstoffe verwertenden Hefen der Gattungen Candida, Zygosaccharomyces oder anderer Gattungen zusammen mit Kohlenwasserstoffe nicht verwertenden Hefen der Gattung Rhodotorula oder anderer Gattungen in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen gezüchtet werden. Dabei v/erden die Ausbeute an erhaltenen Zellen sowie der Rohproteingehalt wesentlich gesteigert. Beispiele für Kohlenwasserstoffe nicht verwertende Mikroorganismen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Mischkultur verwendet werden können, sind Candida utilis, Rhodotorula rubra und Rhodotorula minuta.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Zusätze zu den Nährmedien verwendeten Polyoxypropylenglykoldiäther sollen vorzugsweise folgende Bedingungen erfüllen:
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(1) Sie sollen in η-Paraffinen im v/esentlichen löslich sein.
(2) Sie sollen bei den Züchtungstemperatüren mit Wasser nicht mischbar sein.
(3) Sie sollen auf die zu züchtenden Mikroorganismen keine Hemmwirkung ausüben.
(4) Sie sollen bei der im Nährmedium verwendeten Konzentration der η-Paraffine die Grenzflächenspannung zwischen den n-Paraffinen und dem Nährmedium in möglichst geringem Umfang vermindern.
Diese Bedingungen werden am besten von Polyoxypropylenglykoldiäthern der allgemeinen Formel I erfüllt
R - 0-(PO)n - R· (I)
in der R und R1, die gleich oder verschieden sind, jeweils einen gesättigten Rest eines Alkohols mit 1 bis 30, vorzugsweise 12 bis 16 Kohlenstoffatomen bedeuten, wobei sich diese Reste von einem einzigen Alkohol oder einem Gemisch aus verschiedenen Alkoholen ableiten können, und (PO)n einen Rest eines Polyoxypropylenoxids bedeutet. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäß verwendeten Polyoxypropylenglykoldiäther ein durchschnittliches Molekulargewicht von 500 bis 5000, insbesondere von 1000 bis 2000, auf. Diese Verbindungen sind in Wasser im wesentlichen unlöslich, aber in η-Paraffinen in allen Verhältnissen löslich.
Die vorgenannten Polyoxypropylenglykoldiäther können beispielsweise nach den Verfahren der GB-PS 813 495, der FR-PS 1 272 589 und der US-PS 3 393 242 hergestellt werden.
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Spezielle Beispiele für Polyoxypropylenglykoldiäther, die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind:
C14H29° ^P0^14C14H29: Polyoxypropylenglykolditetradecyläther, H, : Polyoxypropylenglykolhexadecylmethyl-
äther,
12^25: Polyoxypropylenglykolhexadecyl-
dodecyläther und ^Hq : Polyoxypropylenglykoldodecylbutyläther.
Als Nährmedien können zur Züchtung von Hefen oder Bakterien übliche wäßrige Nährmedien verwendet werden. Außer n-Paraffinen als einzige Kohlenstoffquelle können den Nährmedien anorganische oder organische Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak, Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid oder Harnstoff, Phosphorverbindungen, wie Phosphorsäure, Dikaliumhydrogenphosphat oder Kaliumdihydrogenphosphat, und andere anorganische Kalium-, Magnesium-, Eisen- oder Zinksalze, wie Kaliumchlorid, Magnesiumsulfat, Zinksulfat, Elsen(II)-sulfat oder Eisen(III)-sulfat, gegebenenfalls organische Salze, wie Eisencitrat oder Ammoniumacetat, sowie bekannte wachstumsfordernde Mittel, wie Maisquellwasser, Hefeextrakt oder Pepton, und Wachstumsfaktoren, wie Biotin, zugesetzt werden.
Bei der Züchtung von n-Paraffineverwertenden Mikroorganismen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind keine speziellen ZUchtungsbedingungen notwendig. Die Züchtung kann absatzweise oder kontinuierlich bei pH-V/erten von 3,5 bis 6,0, vorzugsweise 4,0 bis 5,0 und bei Temperaturen von 25 bis 400C, vorzugsweise
bis 350C durchgeführt werden! Die Konzentration der n-Paraffi=]
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ne wird beim kontinuierlichen Verfahren vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 1 Prozent {Gewicht/Volumen) und beim absatzweisen Verfahren im Bereich von etwa 2 bis etwa 3 Prozent (Gewicht/Volumen) gehalten. Vorzugsweise wird während der Züchtung ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie sterile Luft, in das Nährmedium eingeleitet, um den Verlauf der aeroben Züchtung zu erleichtern. Die Belüftungsgeschwxndigkeit ist nicht kritisch und kann nach bekannten Verfahren auf den günstigsten Wert eingestellt werden. Beispielsweise hängt die Belüftungsgeschwindigkeit von der Art der Züchtung, den verwendeten Mikroorganismen und dem Volumen des Nährmediums ab. Der Druck, bei dem die Züchtung durchgeführt wird, ist nicht kritisch. Vorzugsweise v/ird sie unter Atmosphärendruck vorgenommen. Das Verfahren kann
unter den in der US-PS 3 725 200 beschriebenen Bedingungen durchgeführt werden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zellkonzentration nicht kritisch, jedoch gibt es bei den meisten Verfahren einen bevorzugten Bereich. Vorzugsweise wird die Zellkonzentration beim kontinuierlichen Verfahren auf 1,5 bis
Zellen.
2 Prozent gehalten, während die /endkonzentration beim absatzweisen Verfahren vorzugsweise 2 bis 3 Prozent beträgt.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
In allen Beispielen beträgt die Belüftungsgeschv/indigkeit v/ährend der ganzen Züchtungszeit 30 Liter pro Minute.
Die Beispiele 1 bis 3 erläutern die Wirkung von Polyoxypropylenglykoldiäthern auf die Ausbeute und die relative Wachstunsgeschwindigkeit der angegebenen Hefen. Beispiel 4 erläutert,
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daß Polyoxypropylenglykoldiäther eine verbesserte Haftung der η-Paraffine an den Mikroorganismenzellen hervorruft. Beispiel 5 läutert die Wirkung von Polyoxypropylenglykoldiäthern auf die Ausbeute an den angegebenen Bakterien. Alle Beispiele werden bei Aimosphärendruck durchgeführt.
Beispiel 1
In 500 ml fassende Sakaguchi-Kolben v/erden Nährmedien der füllenden Zusammensetzung gegeben:
(I) n-Paraffin
η-Paraffin (C12-C1V) 1>0 g
(il) flüssiges Nährmedium
Wasser 50 ml
Harnstoff 0,25 g
KH2PO4 ' 0,2 g
K2HPO4 0,2 g
MgSO4-7H2O 60 mg
FeSO4-7H2O 0,5 mg
-MnSO4-7H2O 0,5 mg
NaCl 1,5 mg
ZnSO4* 7H2O 0,5 mg
CuSO4.7H2O 0,25 mg
Biotin 0,0005 mg
Die erhaltenen Nährmedien werden 10 Minuten bei 120°C in einem Autoklaven sterilisiert, wonach der pH-Wert mit Natriumhydroxid auf 5,0 eingestellt wird. Sodann werden die Nährmedien unter Verwendung einer Platinöse mit Candida novellus (Hefe der Gattung Candida) angeimpft und mit 1 mg, 3 mg bzw. 5 mg Poly-
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oxypropylenglykolhexadecyldodecyläther (Verbindung 1) der Formel C1ßH^^0(P0)1^C12H25 versetzt. Anschließend wird unter Schütteln und einer Belüftungsgeschwindigkeit von 30 Liter/Minute bei Temperaturen von 300C 24 bzw. 48 Stunden gezüchtet. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle I zusammengefaßt.
Tabelle I
Menge der Mikroorganismenzellen nach beendeter Züchtung (Ausbeute an getrockneten. Zellen in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen der geernteten Kultur)
Züchtungs-
dauer 0 (Kontrolle) 1 mg 3 mg 5 mg
24 0,80% 0,92% 0,98% 1,06%
48 1,58% 1,76% 1,80% 1,98%
Beispiel 2
In einen 30 Liter fassenden Glasfermenter werden kontinuierlich n-Paraffine(C12-C^y) und das flüssige Nährmedium der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 eingeleitet. Die Konzentration an η-Paraffinen im Nährmedium beträgt 0,5 Prozent (Gev/icht/Volumen). Anschließend wird das Nährmedium mit einem Mikroorganismengemisch aus Candida novellus und Rhodotorula rubra (Species, die n-Paraffine nicht verwertet) angeimpft; V/ährend der Züchtung wird eine Mikroorganismenzel-. lenkonzentration von 1,5 Prozent (Gewicht/Volumen), eine Temperatur von 300C, ein pH-Wert von 4,5 (eingestellt mit NaOH) und ein ZUchtungsvolumen von 18 Litern aufrechterhalten. V/ährend der Züchtung wird Verbindung 1 (vgl. Beispiel 1) kontinuierlich dem Nährmedium in solchen Mengen zugesetzt, daß , ihre Konzentration im Nährmedium 30 bis 200 ppm beträgt. Die
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- ίο -
Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt. In dieser Tabelle finden sich auch die Ergebnisse eines Vergleichsversuchs, ohne Zusatz von Verbindung 1.
Tabelle II
Kontrolle Zusatz von Verbindung 1
Zellenkonzentration im Λ Lc- Λ L(-
Glasfermenter . ι,ό ί^ο
relative Wachstumsgeschwin- r» on η ή/ digkeit (1/h) °'20 °'24
Ausbeute (bezogen auf
η-Paraffine, Gewicht/Gev/icht 102 11.5
Beispiel 3
In einen 2000 Liter fassenden Fermenter mit Rührwerk werden kon-
tinuierlich η-Paraffine (ci2~C17' vgl* BeisPiel 1) 1^ ein Nähr medium der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 eingespeist. Die n-Paraffinkonzentration im Nährmedium beträgt 0,5 Prozent (Gev/icht/Volumen). Anschließend wird das Nährmedium mit einem Mikroorganismengemisch aus Candida novellus und Rhodotorula rubra angeimpft. Während der Züchtung wird eine Konzentration der Mikroorganismenzellen von 1,5 Prozent (Gewicht/ Volumen),eine Belüftungsgeschwindigkeit von 30 Liter/Minute, eine Temperatur von 300C, ein pH-Wert von 4,5 und ein Züchtungsvolumen von 1200 Litern aufrechterhalten. Während der Züchtung wird Verbindung 1 (vgl. Beispiel 1) kontinuierlich in solchen Mengen zugesetzt, daß ihre Konzentration im Nährmediura 30 bis 200 ppm beträgt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefaßt. Zum Vergleich v/ird die Züchtung auch ohne Verwendung Verbindung 1 durchgeführt.
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Tabelle III
Zellenkonzentration in % (Gewicht/Volumen)
relative V/a chs turns geschwindigkeit (1/h)
Ausbeute (bezogen auf η-Paraffine, Gewicht/Gewicht in %)
Kontrolle
1,52
0,20
105
Zusatz von Verbindung 1
1,50 0,22
116
Beispiel 4
Die gemäß Beispiel 3 erhaltenen Kulturen (mit und ohne Zusatz von Verbindung 1) werden kontinuierlich in eine liefemilch und eine überstehende Flüssigkeit aufgetrennt. Die Konzentration an n«rParaffinen in jeder Phase wird IR-spektroskopisch bestimmt. In folgender Tabelle sind die Analysenwerte vor und nach der Abtrennung der Zellen angegeben. Alle Prozentangaben beziehen sich auf Gewicht pro Volumen.
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Tabelle IV Analyse vor der Abtrennung der Zellen
Kontrolle
Zellenkonzentration 1,50 %
n-Paraffine 0,48 %
Flüssigkeitsvolumen 200 ml
Analyse nach Abtrennung der Zellen Hefemilch-Phase Kontrolle
Zellenkonzentration n-Paraffine
Flüssigkeitsvolumen
Überstand
Zellenlconzentration n-Paraffine
Flüssigkeitsvolumen
6,00 %
1,60 %
50 Liter
Zusatz von Verbindung 1
1,47 % 0,52 % 200 ml
Zusatz von Verbindung 1
6,12 % 2,10 % -48 Liter
0,11 %
150 Liter
0,02 % 152 Liter
Daraus geht hervor, daß die n-Paraffine in der Hefemilch in größeren Mengen vorhanden sind, wenn die Züchtung unter Zusatz von Verbindung 1 vorgenommen v/ird, wobei die Menge der n-Paraffine vor der Abtrennung der Zellen bei beiden Versuchen annähernd gleich ist. Dies zeigt, daß durch Zusatz der Verbindung 1 die Adsorption von η-Paraffinen an die Mikroorganismenzellen erhöht v/ird.
Beispiel 5
Unter Verwendung von Leitungswasser wird ein flüssiges Nährmedium der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
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Phosphorsäure 0,5 % 7,0 eingestellt.
Ammoniumsulfat 0,3 %
NaCl 0,1 %
MgSO4-7H2O 2000 ppm
CaCl2- 2H2O 400 ppm
PeSO4-7H2O 400 ppm
ZNSO^H0O 80 ppm
MnSO4-6H2O 8 ppm
CuSO4-^H2O 2 ppm
pH-Wert mit KOH auf
30 ml dieses Nährmediums und 0,3 g η-Paraffine (C12""C17^ jeweils in einen 500 ml fassenden SakagucM-Kolben gegeben und bei 120°C in einem Autoklaven sterilisiert. Anschließend wird das Nährmedium unter Verwendung einer Platinöse mit Arthrobacter alkanicus angeimpft. Sodann werden 0,6 mg, 1,8 mg bzw. 3,0 mg Polyoxypropylenglykolhexadodecyläther (Verbindung 1) zugesetzt, und die Züchtung wird bei einer Belüftungsgeschwindigkeit von 30 Liter/Minute 18 bzw. 36 Stunden bei 300C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefaßt.
Tabelle V
Menge der Mikroorganismenzellen nach beendeter Züchtung (Ausbeute an getrockneten Zellen in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen der geernteten Kultur) ,
0 (Kontrolle) Zusatz von 6 mg Verbindung 1 51
91
? 0 mg
Züchtungs
dauer
0,37
0,72
P-L 46
88
I1 0,
0,
VO VJl
VO CD
18
36
0,
0,
o,
o,
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Claims (16)

r 14- Patentansprüche
1. Verfahren zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen in einem Nährmedium, das mindestens ein η-Paraffin als einzige Kohlenstoffquelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man die Züchtung in Gegenwart von mindestens einem. Polyoxypropylenglykoldiäther durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Polyoxypropylenglykoldiäther der allgemeinen Formel I verwendet,
R-O- (PO)n - R· (I)
in der R und R1, die gleich oder verschieden sind, jeweils den Rest eines gesättigten Alkohols mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, der sich von einem einzigen Alkohol oder von einem Alkoholgemisch ableitet, und (PO)n einen Polyoxypropylenoxidrest mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 500 bis 5000 bedeuten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen η-Paraffine verwertenden Mikroorganismus oder ein Gemisch aus η-Paraffine verwertenden und η-Paraffine nicht verwertenden Mikroorganismen verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Züchtung absatzweise durchführt.
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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Züchtung kontinuierlich durchführt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Polyoxypropylenglykoldiäther in einer Konzentration von etwa 10 bis etwa 2000 ppm dem tyährmedium zusetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Polyoxypropylenglykoldiäther zuerst mit den ri-Paraffinen
mischt und das Gemisch dem Nährmedium zusetzt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Züchtung bei einem pH-Wert von 3,5 Ms 6,0, einer Temperatur von 25 Ms 400C und einem Gehalt an η-Paraffinen von 0,01
bis 1 Prozent (Gewicht/Volumen) durchführt.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als η-Paraffine verwertende Mikroorganismen Candida novellus,
Candida tropicalis, Candida guilliermondii, Candida rugosa,
Candida parapusirosis, Zygosaccharomyces chikumaensis,
Arthrobacter alkanicus, Bacillus megatherium, Bacillus
subtilis oder Lactobacillus casei verwendet.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polyoxypropylenglykoldiäther Polyoxypropylenglykolditetradecyläther, Polyoxypropylenglykolhexadecylmethyläther, Polyoxypropylenglykolhexadecyldodecyläther, Polyoxypropylenglykoldodecylbutyläther oder ein Gemisch dieser Verbindungen verwen
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11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man η-Paraffine mit 9 bis 30 Kohlenstoffatomen verwendet.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man η-Paraffine mit 12 bis 17 Kohlenstoffatomen verwendet.
13· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die n-Paraffinkonzentration bei kontinuierlicher Züchtung auf etwa 0,01 bis etwa 1 Prozent (Gewicht/Volumen) und bei absatzweiser Züchtung anfänglich auf 2 bis 3 Prozent (Gewicht/ Volumen) einstellt.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Züchtung Luft zuführt.
15. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Züchtung bis zu einer Zellenkonzentration von etwa 2 bis etwa 3 Prozent durchführt.
16. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Zellenkonzentration auf 1,5 bis 2 Prozent hält.
309881/0909
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