DE3441085A1

DE3441085A1 - Verfahren zur erhoehung der biologischen aktivitaet bzw. stoffwechseltaetigkeit von mikroorganismen in einer fluessigen kultur

Info

Publication number: DE3441085A1
Application number: DE19843441085
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Sakado Saitama Nagashima; Akira Kasukabe Saitama Suzuki
Original assignee: Shinryo Corp
Current assignee: Shinryo Corp
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1985-05-23
Also published as: GB2149423B; JPS60105495A; FR2554827B1; BR8405751A; GB2149423A; DE3441085C2; GB8428252D0; FR2554827A1

Description

^Γ -2- 3441

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der biologischen Aktivität bzw. Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen in einer flüssigen Kultur oder einem flüssigen Substrat durch Anwendung von elektrischem Strom als Stimulator.

Mikrobiologische Reaktionen werden z.B. zur Herstellung von Miso und Soyasoße,bei der biologischen Behandlung von Abwasser und Faulschlamm angewendet. Im Gegensatz zu üblichen chemischen Verfahren erfordern die mikrobiologischen Verfahren keine hohen Drücke und Temperaturen. Ferner verbrauchen mikrobiologische Verfahren weniger Energie als chemische Reaktionen. Mikrobiologische Reaktionen verlaufen

jedoch zum Teil sehr langsam. Die Herstellung von Miso und Soyasoße (shoyu) erfordert mehrere Monate Fermentation. Die biologische Aufbereitung von Abwasserschlairm erfordert mindestens 10 Tage. Die Verwendung von Enzymen zur Erhöhung der biologischen Aktivität von Mikroorganismen und die Erzeugung von neuen Mikroorganismen mit verbesserter biologischer Aktivität durch DNA-Rekombinationstechnik hat vermutlich einen begrenzten Anwendungsbereich und ist technologisch aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der biologischen Aktivität bzw. Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen in Flüssigkeiten, z.B. flüssigen Kulturen, Abwasser oder anderen flüssigen Substraten zu schaffen, das wesentlich einfacher ist, als die üblichen Verfahren. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man die flüssige Kultur mit einem elektrischen Strom als Stimulator behandelt.

In den Zeichnungen wird die Erfindung noch näher erläutert. 35

L J

3441035

Figur 1 zeigt graphisch die Beziehung zwischen Inkubationszeit und der Menge an erzeugten Gasen.

Figur 2 zeigt graphisch die Beziehung zwischen der Züchtungsdauer und der Menge an erzeugter Milchsäure.

Figur 3 zeigt graphisch die Beziehung zwischen der Züchtungsdauer und der Zelldichte.

Figur 4 zeigt graphisch die Abhängigkeit der Konzentration des gelösten Sauerstoffs im flüssigen Substrat von der Behandlungsdauer.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf jedes flüssige Substrat, das aerobe oder anaerobe Mikroorganismen enthält. Flüssige Substrate mit anaeroben Mikroorganismen sind bevorzugt. Beispiele für bevorzugte flüssige Substrate bzw. Kulturen, die erfindungsgemäß behandelt werden können, sind Fermentationskulturen zur Herstellung von Miso und Shoyu, Alkohol, Milchsäure, Belebtschlamm, Faulschlamm und aktivierter Schlamm. Fermentationskulturen zur Herstellung von Milchsäure, Alkohol und zur biologischen Behandlung von Abwasser, Belebtschlamm und Faulschlamm sind besonders bevorzugt.

Erfindungsgemäß wird das flüssige Substrat bzw. die flüssige Kultur mit einem elektrischen Strom als Stimulator behandelt. Dies kann in einem Aktiviertank erfolgen, der mit Elektroden ausgerüstet ist. Die flüssige Kultur in dem Tank stammt aus einem Fermenter. Nach der Behandlung der Kulturflüssigkeit mit dem elektrischen Strom in dem Aktiviertank wird die KuItürflüssigkeit wieder in den Fermenter zurückgeführt. Der elektrische Strom kann auch auf die Kulturflüssigkeit in dem Fermenter angewendet werden, der mit Elektroden ausgerüstet ist. Die speziellen Bedingungen für die Anwendung des Stromes hängen von der Art der zu behandelnden flüssigen Kultur ab. Wechselstrom oder Gleichstrom kann kontinuierlich, in Abständen oder kurzzeitig bzw. puls.artig angewendet werden. Die Anwendung von pulsartigem Wechselstrom ist bevorzugt. Die elektrische Stromstärke beträgt gewöhn-

L J

344103d

lieh 1 Milliampere bis 100 Ampere, vorzugsweise 0,01 bis 20 Ampere. Sofern die Kulturflüssigkeit bzw. das flüssige Substrat anaerobe Mikroorganismen enthält, wird vorzugsweise elektrischer Strom einer Stärke von 0,05 bis 5 Ampere angewendet. Die Spannung ist nicht kritisch. Sie kann in einem verhältnismäßig breiten Bereich liegen. Gewöhnlich beträgt die Spannung 1 bis 10 Volt.

Eine wissenschaftliche Erklärung für die gefundene Erhöhung der biologischen Aktivität bzw. Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen bei Anwendung eines elektrischen Stromes als Stimulator gibt es nicht. Erfindungsgemäß soll die Stärke des angewendeten Stroms nicht so groß sein, daß anorganische oder organische Substanzen in dem flüssigen Substrat bzw. der flüssigen Kultur oxidiert oder reduziert werden. Bei Anwendung von Gleichstrom erfolgt natürlich Elektrolyse des Wassers. Die bei der Elektrolyse gebildeten" Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff sind jedoch vernachlässigbar. Es ist bekannt, daß bei der Anwendung eines elektrischen Stromes auf lebende Organismen deren biologische Aktivität gehemmt oder sogar unterdrückt werden kann. Bei Anwendung einer zu hohen Stromstärke können die Organismen ihre Lebensfähigkeit verlieren. Erfindungsgemäß läßt sich die biologische Aktivität bzw. der Stoffwechsel der Mikroorganismen signifikant erhöhen, wenn die Bedingungen bei der Anwendung des elektrischen Stromes richtig gewählt sind. Die biologische Aktivität der Mikroorganismen besteht in der Assimilation und in ihrer Vermehrung sowie der Dissimilation, bei der StoffWechselprodukte gebildet werden. Vermutlich wird im erfindungsgemäßen Verfahren hauptsächlich die Dissimilation gefördert. Jedenfalls werden die Mikroorganismen in der Kulturflüssigkeit stimuliert und ihre Aktivität durch Anwendung eines elektrischen Stroms erhöht.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

~ ⁵ " J A 4 ! U d

Beispieli

In einem Fermenter mit einem Fassungsvermögen von 2,5 Liter wird ein synthetisches Substrat aus Kuhmilch und Stärke unter anaeroben Bedingungen biologisch abgebaut. Die Reaktionsbedingungen sind folgende: Temperatur im Fermenter: 37⁰C, Fermentationszeit: 20 Tage; organische Beschickung 1,0 bis 1,5 g VSS/1 000 ml pro Tag. Als Impfschlamm wird Faulschlamm (Belebtschlamm; Abwasserschlamm) verwendet. Der Faulschlamm wird aus einem Belebtschlammbecken in einer Menge von 2000 ml/min entnommen und in einen Aktiviertank eingespeist und dort mit einem elektrischen Strom als Stimulator behandelt. Sodann wird der Belebtschlamm wieder in den Fermenter zurückgeführt. Der Aktivierungsbehälter enthält eine Anode und eine Kathode aus Kohlenstoff. Es wird ein

• Wechselstrom einer Spannung von 45 Volt angelegt. Die Stromstärke beträgt somit 2 Ampere, die durch den Ab-' ' wasserschlamm fließen. Der Strom fließt während einer vorgegebenen Zeit von 30 Minuten während eines Zeitraums von 0,03 Sekunden pro cc des AbwasserSchlamms. Die Anwendung des elektrischen Stroms wird in Zeitabständen während 8 Stunden für einen Tag fortgesetzt. Der gleiche Versuch wird mit einer synthetischen Probe aus Kuhmilch und Stärke als Vergleich durchgeführt, die nicht mit elektrischem Strom behandelt wird. Die entstandene Menge an Gasen in Abhängigkeit von der Inkubationszeit ist in Figur 1 wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß im erfindungsgemäßen Verfahren 40 bis 80 % mehr Gase erzeugt werden als beim herkömmlichen Verfahren ohne Stromanwendung. Die im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Gase enthalten 45 bis 54 % Methan, während im Vergleichsversuch die Gase weniger Methan (40 bis 48 %) enthalten. Somit kann erfindungsgemäß die Methankonzentration erhöht werden.

L J

- 6 - 344103?

Beispiel2

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von Milchsäure wird in der in Beispiel 1 verwendeten Vorrichtung untersucht. Eine flüssige Kultur mit 10 % Glukose, die mit Lactobacillus delbrueckii beimpft worden ist, wird in den Fermenter eingeleitet und absatzweise während 4 Tagen bei einer kontrollierten Temperatur von 45⁰C fermentiert. Während der Züchtungszeit wird die Kultur aus dem Fermenter in einer Menge von 2,6 Liter/min entnommen, in einen Aktivierungsbehälter eingespeist und dort mit einem elektrischen Strom als Stimulus behandelt. Sodann wird die behandelte Kulturflüssigkeit wieder in den Fermenter zurückgeleitet. An die beiden Elektroden des Aktivierungsbehälters wird eine Wechselstromspannung von 20 Volt angelegt. Es wird eine Stromstärke von 2 Ampere erhalten, die während eines Zeitraumes von 0,02 Sekunden pro cc während einer vorgegebenen Zeit von 30 Minuten durch die Kultur fließt. Die Behandlungsdauer mit dem elektrischen Strom besteht aus drei Stufen:

Die ersten 42 Stunden nach Beginn des Versuches, die Stunden 54 bis 72 und die Stunden 87 bis 96. Die Ergebnisse des Versuches sind in den Figuren 2 und 3 wiedergegeben. Aus Figur ist ersichtlich, daß im erfindungsgemäßen Verfahren 30 % mehr Milchsäure gebildet wird als beim Verfahren ohne Strombehandlung. Aus Figur 3 ergibt sich, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Abtötung der Lactobazillen auftritt.

Beispiel 3

500 mg aktivierter Schlamm mit einem Feststoffgehalt von 8000 ppm werden mit Sauerstoff belüftet und gesättigt. Es wird ein Wechselstrom einer Stärke von 1,85 Ampere und einer Spannung von 100 Volt während 120 Sekunden als Stimulus angewendet. Der behandelte Schlamm wird mit 20 ml synthetischem Abwasser (BOD: 1600 mg/1000 ml) vermischt. Das Gemisch wird unter Ausschluß von Luft gerührt, um die Ab-

20 25

35

- 7 - 3441035

.j hängigkeit der Konzentration des gelösten Sauerstoffs von der Behandlungsdauer zu bestimmen. Der gleiche Versuch wird mit einem Gemisch aus 20 ml synthetischem Abwasser und 500 ml aktiviertem Schlamm durchgeführt, das nicht mit einem c elektrischen Strom stimuliert wird. Die Ergebnisse der beiden Versuche sind in Figur 4 zusammengefaßt. Die Neigung jeder Kurve zeigt die Atmungsrate des aktivierten Schlammes. Der mit einem elektrischen Strom behandelte aktivierte Schlamm nimmt 60 mg 0- pro 1000 ml - Std. auf, während der

■J0 aktivierte Schlamm ohne elektrische Strombehandlung 32 mg 0„ pro 1000 ml - Std. aufnimmt. Der erfindungsgemäß behandelte aktivierte Schlamm atmet also um 5 3 % rascher als der unbehandelte Schlamm. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch wirksam die biologische Aktivität aerober Mikroorganismen erhöht.

L J

Claims

VOSSIUS-VOSSIUS-TAUCHNER · HEUNEMANN · RAUH PATENTANWÄLTE SIEBERTSTRASSE 4 · 8OOO MÜNCHEN 86 · PHONE: (O89) 4-7 4-O75 CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN · TELEX 5-29 4-53 VOPAT D u.Z.: T 434 (Vo/kä) Case: FP/S-35-29 SHINRYO CORPORATION Tokyo, Japan 10 Verfahren zur Erhöhung der biologischen Aktivität bzw. StoffWechseltätigkeit von Mikroorganismen in einer flüssigen Kultur " 1S Priorität: 11.11.1983, Japan, Nr. 212 092/1983 Patentansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung der biologischen Aktivität bzw. Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen in einer flüssigen Kultur, dadurch gekennzeichnet, daß man die flüssige Kultur mit elektrischem Strom

als Stimulator behandelt.
25

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man elektrischen Strom pulsartig anwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als pulsartigen Strom Wechselstrom verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man elektrischen Strom einer Stärke

von 0,01 bis 20 Ampere verwendet. 35

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als flüssige Kultur Belebtschlamm oder Faulschlamm verwendet.

L J