DE2947740A1 - Verbessertes fermentationsverfahren zur herstellung von xanthan - Google Patents

Verbessertes fermentationsverfahren zur herstellung von xanthan

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DE2947740A1 DE19792947740 DE2947740A DE2947740A1 DE 2947740 A1 DE2947740 A1 DE 2947740A1 DE 19792947740 DE19792947740 DE 19792947740 DE 2947740 A DE2947740 A DE 2947740A DE 2947740 A1 DE2947740 A1 DE 2947740A1
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Description

PATENTANWÄLTE
DR, A. VAN DER WERTH DR. FRANZ LEDERER R. F. MEYER-ROXLAU
DIPL-ING. (1934-1974) DIPL-CHEM. DIPL-ING
8000 MÖNCHEN 80 LUCILE-GBAHN-STHASSE
TELEFON: (089)472947 TELEX: 524624 LEDER D TELEGH : LEOEBEHPATENT
6. November 1979 P.C. 612Ο/Λ
PFIZER INC.
235 East 42nd Street,· New York, N.Y. 10017, USA
Verbessertes Fermentationsverfahren zur Herstellung von
Xanthan
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Fermentationsverfahren zur Herstellung von Xanthan.
Zahlreiche Veröffentlichungen befassen sich mit der Herstellung hydrophiler Kolloide durch die aerobe Vermehrung von Bakterien der Gattung Xanthomonas in wässrigen Nährmedien. Die früheste Arbeit auf diesem Gebiet erfolgte bei The Northern Regional Research Laboratory of The United States Department of Agriculture, Peoria, Illinois, und ist in der US-PS 3 000 790 beschrieben. Abgewandelte Fermentationsverfahren sind beschrieben in den US-PS'en 3 020 206, 3 391 060, 3 427 226, 3 433 708, 3 271 267, 3 251 749, 3 281 329, 3 786, 3 565 763, 3 594 280 und 3 391 061.
Die von Xanthomonas produzierten hydrophilen Kolloide sind Polysaccharide, die Mannose, Glucose, Glucuronsäure, O-Acetyl-
030027/0617
29A77A0
Reste und Acetal-verknüpfte Brenztraubensäure enthalten. Diese Harze und ihre Derivate haben breite Anwendung auf dem Nahrungsmittelsektor und in der Industrie gefunden. Von besonderem Interesse ist die zunehmende Zuspitzung auf die Verwendung von Xanthomonas-Polymeren bei der Verdrängung von öl aus teilweise erschöpften Vorkommen oder Lagerstätten.
Die allmähliche Zugabe einer Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs, vorzugsweise Glucose, zu dem wässrigen Nährmedium im Verlauf einer Xanthomonas-Fermentation führt zu erheblich erhöhten Xanthanausbeuten.
Die Kostenfaktoren bei sekundärer und tertiärer Restölgewinnung und die konkurrierendeVerwendung von verdünnten Xanthomonas-Gesamtbrühen bei einer solchen Gewinnung zwingen aus wirtschaftlichen Gründen zur Steigerung der Fermentationskonzentration der Xanthomonas-Polymeren. Reduzierte Verschiffungskosten, Lagerkapazitäten für die Fermentationsbrühe und Handhabungskosten sind einige der daraus sich ergebenden Vorteile. Ferner werden verringerte Volumina an Lösungsmittel für die Gewinnung benötigt, wenn die Ausgangskonzentrationen der Fermentationsbrühe bei solchen Verfahren hoch sind, wo Xanthomonas-Harze für Anwendungsgebiete,wie dem Nahrungsmittelsektor, dem industriellen Bereich und der Restölgewinnung,gewonnen werden.
Eines der dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannten Verfahren zur Erhöhung der Fermentationsausbeute eines gewünschten mikrobiellen Produkts besteht darin, ein oder mehrere Nährmedien im Verlauf des Fermentationszyklus zuzusetzen. Dabei kann einfach zwischendurch eine Lösung, die eine Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs enthält, zugegeben werden.
Herkömmliche Medien für die Produktion von Xanthan (Xanthomonas-Polymer) enthalten ein geeignetes Kohlenhydrat in den wässrigen Nährmedien bei einer Konzentration von etwa 1 bis etwa 5 Gew.-/ Vol.-%. Geeignete Kohlenhydrate sind z.B. Glucose, Saccharose,
03 C027/0617
Maltose, Fructose, Lactose, bearbeitete, invertierte Zuckerrüben-Molassen, Invertzucker, filtrierte, verdünnte Qualitätsstärke oder Gemische dieser Kohlenhydrate. Die bevorzugte Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs ist Glucose.
Die Verwendung von Glucose-Konzentrationen über 5 Gew.-/Vol.-% in einem typischen oxydativen Xanthomonas-Fermentationsansatz führt zu zu starker Hemmung des Xanthomonas-Wachstums und zur Ansammlung toxischer Nebenprodukte (Säuren), die eine vorzeitige Beendigung der Fermentation verursachen. Es wurde gefunden, daß dieses Probl.em durch Zugabe oder "Nahrungszufuhr" von Glucose im Verlauf der Xanthomonas-Fermentation umgangen werden kann. Die allmähliche Zugabe von Glucose zum Fermentationsmedium, das anfangs wenig Glucose enthält oder Glucose-frei ist, ermöglicht nicht nur eine Glucosezugabe letztlich bis zu 7 Gew.-/ Vol.-I, sondern führt zu erheblich erhöhter Xanthankonzentration in der fertigen Fermentationsbrühe (5 Gew.-/Vol.-% und 70 % Ausbeute, bezogen auf die Gesamtglucose in dem Inoculum der zweiten Stufe und auf die Menge, die dem letzten Fermentator zugesetzt wurde). Dies bedeutet eine Steigerung von mehr als 60 % gegenüber einem herkömmlichen A'nsatzverfahren.
Das Fermentationsmedium kann unter den in der Literatur für die Xanthanproduktion beschriebenen ausgewählt werden. Ein bevorzugtes, chemisch definiertes Fermentationsmedium ist in der US-PS 4 119 546 beschrieben.
Die Zugabe von Glucoselösung (etwa 15 bis 50 Gew.-/VoI.-%) erfolgt unmittelbar nach der Beimpfung. Die Glucose wird für etwa 0 bis 24 h nach der Beimpfung exponentiell und von etwa 24 bis etwa 120 h mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt. Während der frühen Stadien tritt etwas Zuckeransammlung (8 g/l; Spitzen bei etwa 48 h) auf und fällt auf nicht nachweisbare Mengen (etwa 72 h). Andere Nährstoffe können mit der Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs ohne Änderung des Wesens der Erfindung zugeführt werden.
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Luft wird in den Produktionsfermentator mit herkömmlichen Mitteln eingeführt. Der Sauerstoffbedarf für die Fermentation kann den Anlagenbeschränkungen des Mischens und Sauerstofftransports angepaßt werden, um die Ansammlung toxischer Säure-Nebenprodukte herabzusetzen. Dies kann durch Herabsetzen der Zuführgeschwindigkeit der assimilierbaren Kohlenstoffquelle geschehen, bis der Sauerstoffbedarf der Sauerstofftransportkapazität des Systems besser entspricht.
Beispiel 1
Zellen von Xanthomonas campestris NRRL B-1459 aus einer Agar-Schrägkultur wurden in 2,8 1-Fernbach-Kolben überführt, die jeweils 500 ml-Mengen eines Mediums folgender Zusammensetzung enthielten:
Bestandteil g/l
Glucose 10,0
Diammoniumphosphat 2,O
Kaliumdihydrogenphosphat 1 ,0
Magnesiumsulfat 0,5
enzymatisch abgebautes Kasein 11,0
(N2 Amine YT)
pH - 6,8
Nach etwa 22 h Schütteln bei 28 °C wurde eine Teilmenge, die ausreicht, um ein 5 Vol.-/Vol.-%iges Inoculum zu liefern, jeweils in eine Reihe von Fernbach-Kolben, die 500 ml eines Mediums der folgenden Zusammensetzung enthielten, überführt:
Bestandteil g/l
Glucose (separat im Autoklaven) 30,0
Ammoniumnitrat 1,0
Magnesiumsulfat 0,1
Zitronensäure (wasserfrei) 1,0
03ÜÜ27/0617
Calciumhydroxid 0,1
Eisen(II)sulfat 0,01
Dikaliumhydrogenphosphat 4,1
Kaliumdihydrogenphosphat 0,69
Mangansulfat 0,03 pH - 6,8
Nach etwa 25 h Schütteln bei 28 0C wurde eine Menge, die ausreichte, ein 10%iges Inoculum zu liefern, in einen 14 1-Microferm-Fermentator überführt, der 2 vierblättrige Flachschaufelturbinen (11,9 cm bzw. 4,7" Durchmesser) und eine Sonde für gelösten Sauerstoff hatte.
Der Fermentator enthielt 5,8 1 eines Mediums folgender Zusammensetzung:
Bestandteil g/l
Ammoniumnitrat 1,0
Magnesiumsulfat 0,01
Zitronensäure (wasserfrei) 1,O
Dinatriumhydrogenphosphat 1,0
Mangansulfat 0,03
Eisen(II)sulfat O,O1
Calciumhydroxid 0,01
pH - 6,8
Eine sterile Glucoselösung (511 g in einem Gesamtvolumen von 1335 ml Wasser) wurde dem Fermentator (Inkubationstemperatur 28 0C) bei folgendem, von einem automatischen Zeitmesser gesteuertem Programmschema zugeführt:
030027/0 617
Zeit Zeitmesser ein
(h) (S) 		5,0 Zeitmesser aus
(S) 		Zufuhrgeschwin
digkeit (cm^/h)		 insgesamt angesam
meltes Zufuhrma
terial ( CITV^)
O 5,2 59,3 1 ,49 0,00
1 4,9 54,8 1 ,66 1 ,49
2 4,9 45,8 1,86 3,15
3 5,0 40,7 2,06 5,01
4 5,0 36,9 2,29 7,07
5 5,0 32,9 2,53 9,36
6 7,0 29,0 2,82 11,9
7 7,0 35,9 3,13 14,7
8 7,0 30,5 3,58 17,8
9 7,0 25,7 4,11 21,4
10 8,0 25,0 4,65 25,5
11 9,0 23,4 5,33 30,2
12 9,0 19,3 6,11 35,5
13 9,0 15,8 6,97 41 ,6
14 10,0 14,2 7,93 48,6
15 10,0 11,2 9,06 56,5
16 12,0 8,9 11 ,0 65,6
17 12,0 7,4 11,9 76,6
18 12,0 6,8 12,3 88,5
19-92 12,0 6,8 12,3 100,8-998,7
92-127 12,0 9,6 998,7-1335
Während der Fermentation wurde der pH-Wert mit 10 % NaOH und 10 % H3SO4 zwischen 6,5 und 6,9 gesteuert. Gelöster Sauerstoff wurde nach dem folgenden Fermentator-Geschwindigkeitsprogramm gesteuert:
030027/0617
Zeit (h) Geschwindigkeit (UpM) Belüftung (1/min)
O 400 4,0
19 4 50
24 470
25 600
26 670
27 720
28 750
30 830
31 860
32 910
33 970
34 1000
35 900 45 1OOO
50 1012 (max.)
Die Fermentation erfolgte für insgesamt 136 h, worauf keine nachweisbare Glucosemenge mehr vorlag. Die Xanthankonzentration war 5,1 Gew.-/Vol.-% mit 70%iger Ausbeute (bezogen auf die Inoculum-Glucose der zweiten Stufe und Gesamtglucose, die dem Fermentator zugesetzt wurde). Die Endviskosität war 42,75 Pa · s (42750 CP), gemessen mit einem Brookfield-Viskometer bei 12 UpM.
Beispiel 2
Das Verfahren des Beispiels 1 kann unter Ersatz von Glucose durch eine assimilierbare Kohlenstoffquelle aus der Gruppe Saccharose, Fructose, Inertzucker, Maltose, Lactose, Stärke, Stärkehydrolysate und deren Gemische wiederholt werden.
03 0 027/0617

Claims (4)

  1. P.C. 6120/A
    Patentansprüche
    V 1 · V«
    /erfahren zur Herstellung von Xanthomonas-Biopolymeren durch aerobes Vermehren eines Mikroorganismus der Gattung Xanthomonas in einem wässrigen Nährmedium, dadurch gekennzeichnet, daß dem wässrigen Nährmedium nach und nach eine Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs zugesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs Glucose, Saccharose, Maltose, Fructose, Lactose, Stärke, Stärkehydrolysate, Rohquellen des assimilierbaren Kohlenstoffs oder deren Gemische verwendet wird bzw. werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs Glucose verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle assimilierbaren Kohlenstoffs bis zu insgesamt mehr als 5 Gew.-/Vol.% zugesetzt wird.
    030027/0617
    ORIGINAL INSPECTED
DE2947740A 1978-11-30 1979-11-27 Fermentationsverfahren zur Herstellung von Xanthan Expired DE2947740C2 (de)

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GB2037791A (en) 1980-07-16
DE2947740C2 (de) 1982-09-16
AR226293A1 (es) 1982-06-30
DD147551A5 (de) 1981-04-08
NO153975C (no) 1986-06-25
GB2037791B (en) 1982-09-15
NO153975B (no) 1986-03-17
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