DE3627743A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von biopolysaccharid-konzentraten mittels kontinuierlicher cross-flow-filtration - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur herstellung von biopolysaccharid-konzentraten mittels kontinuierlicher cross-flow-filtrationInfo
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- C12P19/06—Xanthan, i.e. Xanthomonas-type heteropolysaccharides
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
sterilen Biopolysaccharid-Konzentraten, bei dem eine das
Biopolysaccharid enthaltende Fermentationslösung kontinuierlich
mittels Cross-Flow-Filtration in einer Membraneinheit
bei konstanter Filtrationsrate konzentriert
wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens und die mit dem
Verfahren gewonnenen Biopolysaccharid-Konzentrate.
Biopolysaccharide aus Mikroorganismen haben aufgrund
ihrer ausgezeichneten Eigenschaften wie hohe Viskosität,
geringe Scher-Anfälligkeit, gute Stabilität gegenüber
Salzen und erhöhten Temperaturen und strukturviskoses
Verhalten in den letzten Jahren in der Industrie immer
mehr an Bedeutung gewonnen.
Die Tabelle 1 enthält eine Liste der zur Zeit technisch
eingesetzten Biopolysaccharide. Ein Anwendungsgebiet für
die Biopolysaccharide ist die Erdölindustrie und zwar
als Zusatz zu den Drill-Lösungen oder zu den Betriebsplatzwässern
zum Einpressen in die Lagerstätten für die
vermehrte Erdölgewinnung (tertiäre Erdölförderung).
Hierbei wird bevorzugt Xanthan eingesetzt.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Einsatz als Verdickungsmittel
bei der Herstellung von Lebensmitteln,
Farben oder von Kosmetika. Hierfür werden neben Xanthan
auch die anderen in der Tabelle 1 genannten Biopolysaccharide
eingesetzt. Weiterhin ist noch die Verwendung
von Dextran als pharmazeutisches Trägermaterial bekannt.
Wegen der Bedeutung der Biopolysaccharide enthält die
Literatur eine Vielzahl von Hinweisen, die sich insbesondere
mit der Optimierung der Fermentation befassen.
Nach EP-O 1 30 647 kann Xanthan zur Vermeidung von Aufspaltungen
in weniger produzierenden Selektanten nur mit
definiertem Medium produziert werden.
EP-O 0 44 659 beschreibt ein Repeated-Draw- and Fill-
System, bei dem nach einem Batch-Ansatz ein Rest der
Xanthan-Kultur im Fermenter verbleibt und mit frischem
Medium für eine erneute Fermentation aufgefüllt wird.
Nach AT 3 73 916 werden während der Anwachsphase essentielle
Nährstoffe als wachstumslimitierende Faktoren
eingesetzt, während der Produktionsphase werden anschließend
die essentiellen Nährstoffe auf den Optimalwert
ergänzt und zusätzlich noch das Wachstum regelnde
Substanzen zugesetzt.
Nach US 43 11 796 wird während einer kontinuierlichen
Kultur von Xanthomonas die Zellzahl erhöht, indem
schrittweise wachstumslimitierende Substanzen der umzusetzenden
Lösung zugegeben werden.
Nach US 42 18 538 wird die Xanthan-Fermentation in einem
2-Stufen-Prozeß durchgeführt. Zellvermehrung und
Xanthan-Produktion sind räumlich auf zwei Reaktoren
aufgeteilt.
US 44 07 950 und 44 07 951 beschreiben einen Xanthomonas-
Stamm, der auch in kontinuierlicher Kultur nicht
degeneriert.
Die Anmeldung GB 0 15 856 beschreibt die Optimierung
einer kontinuierlichen Fermentation durch Limitierung
von Metallionen.
Bedingt durch die unterschiedlichen Anwendungsgebiete
werden auch unterschiedliche Anforderung an die Biopolysaccharide
gestellt und zwar insbesondere in Bezug
auf Sterilität und Konzentration.
Die Sterilität der Präparate ist eine sehr wichtige
Forderung insbesondere für die Anwendung im Bereich der
Lebensmittelindustrie. Aber auch in der Erdölindustrie
ist die Sterilität eine unabdingbare Forderung, da eine
Kontamination mit fremden Mikroorganismen die Verstopfung
der Poren im erdölführenden Gestein zur Folge
hat.
In vielen Fällen (z. B. Lebensmittelindustrie) ist die
mit der Fermentation erhältliche Konzentration der Biopolysaccharide
nicht hinreichend. Hierfür wurden bisher
durch Fällung und anschließende Trocknung erhaltene
Tockenprodukte eingesetzt. Die Trockenprodukte werden
vor der Anwendung mit Wasser aufgenommen und auf die
jeweils benötigte Konzentration eingestellt.
Nachteilig bei der Herstellung von Trockenprodukten sind
die hohen Kosten. So ist z. B. bei der Herstellung von
Xanthan-Trockenprodukten das große Wasservolumen nach
der Fermentation sehr konstentreibend, da mit einem
doppelten Volumen an organischem Lösungsmittel (z. B.
Isopropanol oder Methanol) das Xanthan aus der wäßrigen
Phase ausgefällt werden muß. Der Verbrauch an organischen
Lösungsmitteln bedeutet trotz der teilweisen
Wiedergewinnung der Lösungsmittel ein erheblicher Anteil
an den Herstellungskosten.
Trockenprodukte können aber nicht überall eignesetzt
werden.
So kann z. B. wegen der Strukturveränderung während des
Trocknungsprozesses nur Flüssig-Xanthan in der Erdölindustrie
eingesetzt werden. Dabei entstehen, wenn die
Fermentationslösungen ohne Konzentrierung vom Herstellungsort
bis zum Ölfeld transportiert werden müssen,
erhebliche Transportkosten. Die Lagerung der Fermentationslösung
im Ölfeld in Kesselvolumina, die mindestens
denen der Fermentervolumina entsprechen müssen,
bedarf erhöhter Investitionskosten.
Die Sterilhaltung der gesamten Transportkette: Fermentation,
Transport, Lagerung im Ölfeld, Konditionierung
vor dem Einpressen in die Lagerstätte, erfordert
bei den benötigten großen Volumina einen erheblichen
Aufwand.
Sehr häufig kommt es auch zum "Miteinander-Verklumpen"
der Xanthomonas-Zellen nach der log. Phase und während
der Konzentrierungs- und Fällungsschritte. Dadurch wird
die Injizierbarkeit der so gewonnenen Lösung drastisch
durch Verstopfen der Poren reduziert.
Beschriebene Verfahren zur Konzentrierung von Xanthan
arbeiten nicht unter sterilen Bedingungen, die Konzentrierung
erfolgt durch viele Umpump-Schritte, die zeit-
und damit kostenaufwendig sind. Durch die langen Verweilzeiten
außerhalb des sterilen Bereiches ist die
Gefahr von Kontaminationen, die später das Ölfeld
blockieren oder zu Sperrungen für den Nahrungsmittelbereich
führen würden, sehr groß.
In der EP 00 69 523 wird nun ein Verfahren der Konzentratherstellung
mit Hilfe der Cross-Flow-Filtration beschrieben.
Das dort geschilderte Verfahren ist ein sogenanntes
"Batch-Verfahren". Dabei wird die Fermentationslösung
in eine separate Membraneinheit gegeben
und dort konzentriert.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß durch das Umfüllen
die Sterilität des Produktes nicht mehr gewährleistet
ist. Außerdem bringt dieses Verfahren, relativ
schlechte Resultate. So wird im Beispiel 1 eine Konzentrierung
beschrieben, bei der nach 100 Stunden, was etwa
70 Durchläufen durch die Membraneinheit entspricht, eine
Konzentrierung nur um den Faktor 2,8 erreicht wird.
Gleichzeitig stieg die Viskosität nur um etwa den Faktor
2 an, was auf Schädigung (Qualitätsminderung) des Xanthans
während des Prozesses schließen läßt. Im Beispiel
2 konnte durch eine leichte Erhöhung der Temperatur und
Verdoppelung des Drucks auf 18,5-20 bar der Zeitbedarf
für die Konzentrierung gesenkt werden. Der Konzentrierungsfaktor
in diesem Beispiel beträgt etwa 3,0 bei
einer gleichzeitigen relativen Verschlechterung der
Viskosität (wie Beispiel 1).
Bemerkenswert ist am Beispiel 2 noch, daß während der
Konzentrierung die Durchflußrate durch die Membraneinheit
um fast 60% abfällt. Im Beispiel 5 beträgt der
Abfall der Flußrate sogar über 90%. Der Abfall der
Flußrate deutet auf Verstopfungen in der Membraneinheit
hin.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man sehr
leicht sterile und auch hochviskose Biopolysaccharidkonzentrate
erhält, wenn man eine Fermentationslösung
kontinuierlich mittels Cross-Flow-Filtration in einer
Membraneinheit bei konstanter Filtrationsrate konzentriert.
Die Konzentrierung erfolgt in einem einmaligen
Durchlauf durch die Membraneinheit. Bevorzugt erfolgt
die Konzentrierung bei einer Temperatur von 40°C bis ca.
80°C. Eine Temperatur von 50°C bis 70°C ist besonders
bevorzugt. Die Zuführung der Fermentationslösung erfolgt
am besten aus einer kontinuierlichen Fermentation wobei
der Fermenter ebenfalls kontinuierlich mit sterilisierter
Nährlösung gespeist wird. Die Konzentrierungsrate
ist wenigstens 2fach, kann aber problemlos je nach
Bedarf auf das 5- bis 7fache oder noch mehr gesteigert
werden.
Geeignet ist das Verfahren zur Herstellung von Konzentraten
der Biopolysaccharide aus der Gruppe Xanthan,
Alginat, Curdlan, Scleroglucan, Pullulan und Dextran.
Bevorzugt wird das Verfahren zur Herstellung von Xanthankonzentraten,
wobei das Xanthan durch Fermentation
von Xanthomonas campestris gewonnen wird. Bevorzugt
eingesetzt werden dabei Mutanten oder Selektanten von
Xanthomonas campestris. Ganz besonders bevorzugt ist
Xanthomonas campestris, der unter der Bezeichnung DSM
3806 bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen,
Griesebachstraße 8 in D-3400 Göttingen, hinterlegt
wurde.
Die Fermentation erfolgt bevorzugt ohne den Zusatz von
Antischaummittel, da diese zur Abnahme der Filtrationsleistung
der Membraneinheit führen können. In einem
solchen Fall erfolgt die Abtrennung des Schaums durch
eine Antischaumzentrifuge.
Die Fermentationslösung die der Membraneinheit zur
Konzentrierung zugeführt wird, besitzt üblicherweise
eine Viskosität von mehr als 10 000 cps. Viskositäten
von 15 000 bis 20 000 cps gelten als bevorzugt. Das nach
der Konzentrierung erhaltene Produkt besitzt eine
Viskosität von wenigstens 20 cps. Viskositäten beim
Produkt von 80 000 cps sind bevorzugt.
Es sind aber auch Viskositäten von mehr als 100 000 cps
erhältlich.
Für verschiedene Anwendungen kann sich die Notwendigkeit
ergeben, daß dem Konzentrat noch ein Biozid zur Verbesserung
der Lagerfähigkeit zugesetzt werden muß. Die
Zugabe des Biocids erfolgt normalerweise nach der Konzentrierung
in einem der Membraneinheit nachgeschalteten
Mischer, wobei statische Mischer bevorzugt eingesetzt
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es leicht und
unter sterilen Bedingungen Biopolysaccharid-Konzentrate
herzustellen die anschließend stabilisiert werden
können, so daß die Lagerung und der Transport der konzentrierten
Lösungen unter sterilen Bedingungen kein
Problem mehr darstellt. Die so erhaltenen Konzentrate
ändern sich in ihren physikalischen Eigenschaften nicht,
d. h., sie sind nach Verdünnung ohne Verstopfung der
Poren im Ölgestein direkt injizierbar.
Überraschenderweise wurde zusätzlich gefunden, daß auch
die Xanthomonas-Zellen während der Konzentrierung und
der anschließenden Lagerung bzw. bei dem Transport nicht
mehr aneinanderlagern und somit die Filtereigenschaften
nicht beeinträchtigt werden. Die Zellen bleiben als
Einzelzellen im Konzentrat und können ohne Anstieg des
Injektionsdrucks im Ölfeld eingepreßt werden.
Die Konzentrierung Biopolysaccharidlösungen mit Hilfe
der Cross-Flow-Filtration wird vorteilhaft in einem
Schritt durchgeführt. Dabei wird der mittlere Transmembrandruck
so gewählt (ca. 2-6 bar), daß der gesamte
Abtrennungsprozeß in einer Stufe erfolgt und somit eine
Rückführung der vorkonzentrierten Lösung nicht nötig
ist. Durch hohen Druck und große Fließgeschwindigkeit
im Filtermodul wird erreicht, daß eine Konzentrierung
z. B. um den Faktor 5 in einer Stufe erfolgen kann. Die
dabei angewendete Temperatur liegt vorteilhaft bei 50°C.
Dieses erhöht die Filtrationsgeschwindigkeit, und
gleichzeitig wird die Kontaminationsgefahr erniedrigt,
da nicht sehr viele Mikroorganismen bei diesen Temperaturen
sich vermehren können.
Um eine bessere Durchmischung und damit Produktion von
Xanthan mit gleicher Molekülstruktur zu erhalten, erfolgt
die kontinuierliche Fermentation erfindungsgemäß,
mit vergrößerten axial wirkenden Rührern, z. B. vom Typ
Ekato-Intermig, mit einem Durchmesser von 0,7-0,8 des
Fermenterdurchmessers.
Der gesamte Prozeß, von der Vorbereitung der Nährlösung
über Sterilisation der Nährlösung, Fermentation, Erhitzung
auf 50°C, Konzentrierung mit Hilfe der Cross-
Flow-Filtration, Kontitionierung mit Stabilisierungsmittel,
läßt sich vorteilhaft in einer fest miteinander
verrohrten Kompakteinheit durchführen. Dadurch ist eine
hohe Sicherheit in der Prozeßführung gewonnen, die es
erlaubt, in kurzer Zeit auch unter die Fermentation
ungünstigen Bedingungen überall die Produktion von
Xanthan-Konzentrat durchzuführen. In einer solchen
Kompakteinheit können auch rekombinante (genetisch
manipulierte) Mikroorganismen zum Einsatz kommen.
Die Bereitstellung von Konzentration führt auch zu
wesentlich geringeren Kosten bei der Herstellung von
Trockenprodukten durch die Einsparung von Lösungsmitteln
für die Fällung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
kontinuierlichen Herstellung eines sterilen Biopolysaccharid-
Konzentrats durch kontinuierliche Fermentation
und anschließend kontinuierliche Konzentrierung der
Fermentationslösung in einer steril geführten Kompakteinheit.
Die steril geführte Kompakteinheit ist dadurch
gekennzeichnet, daß man in einem steril führbaren
Reaktorsystem
- a) in einem Medium-Tank die Fermentations-Nährlösung ansetzt,
- b) die Nährlösung in einem Wärme-Austauscher-System kontinuierlich sterilisiert,
- c) durch kontinuierliche Fermentation eines Biopolysaccharid bildenden Mikroorganismus in einem sterilen Bioreaktor mit vergrößertem, axial wirkendem Mischer eine Biopolysaccharid-Lösung herstellt, wobei Wachstum und Biopolysaccharid- Bildung parallel erfolgen,
- d) die Biopolysaccharid-Lösung mit Hilfe der Cross- Flow-Filtration kontinuierlich bei erhöhter Temperatur konzentriert,
- e) und gegebenenfalls dem Konzentrat mittels eines statischen Mischers ein stabilisierendes Agent (Biocid) zusetzt.
Bevorzugtes Biopolysaccharid in diesem Verfahren ist das
Xanthan.
Xanthan enthält Glucose, Mannose, Glucuronsäure, Acylreste
und acetalverknüpftes Pyruvat. Es gehört zu einer
Vielzahl von Biopolymeren, die seit längerer Zeit für
den technischen Einsatz optimiert werden und auch bereits
breite Anwendung finden (Tabelle 1).
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung
eines sterilen, hochviskosen Biopolysaccharid-
Konzentrates bestehend aus einer fest verschweißten
Kompakteinheit, beinhaltend (Vergleiche Zeichnung 4):
- - einen Mediumtank (1)
- - eine kontinuierliche Sterilisationsanlage (2)
- - eine unten gerührte Fermentationseinheit (3)
- - einen kontinuierlich arbeitenden Wärmeaustauscher (4)
- - eine kontinuierlich betriebene Cross-Flow-Membraneinheit (5) und gegebenenfalls
- - einen kontinuierlich gefahrenen statischen Mischer (6)
Vor Beginn der Herstellung des sterilen, hochviskosen
Biopolysaccharid-Konzentrates in dem integrierten System
wird die fest verschweißte Kompakteinheit als Gesamtanlage
sterilisiert.
Bevorzugt eingesetzt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung von Xanthan-Konzentraten.
Die einzelnen Teile des Reaktorsystems sind fest über
Rohre miteinander verbunden. Bevorzugt ist die Verbindung
durch verschweißen, weil dadurch die Sterilität
des Reaktorsystems am besten zu gewährleisten ist.
Wenn notwendig kann das Reaktorsystem noch eine Antischauzentrifuge
enthalten.
Es ist vorteilhaft, wenn die kontinuierliche Fermentation
zur Bildung einer stabilen, homogenen Xanthan-
Lösung unter Verwendung eines Axial-Rührsystems mit
vergrößertem Rührdurchmesser durchgeführt wird.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich die
Biopolysaccharidkonzentrate direkt beim Anwender in der
jeweilig benötigten Konzentration herzustellen. Die
Konzentrate können dann direkt im Herstellungsprozeß für
Lebensmittel, Farben usw. eingesetzt werden. Es fallen
keine Kosten mehr für Lagerung und Transport der Biopolysaccharide
mehr an. Weiterhin ergibt sich die
Möglichkeit das Reaktorsystem in einem transportablen
Container einzubauen. Ein solcher Container wird dann
zu Beispiel zu einem Ölfeld gebracht, wo dann die Biopolysaccharide
in den gewünschten Mengen und Konzentrationen
vor Ort produziert werden.
Von einer Abimpfung des Stammes Xanthomonas campestris
Ko 19/23 (DSM 3806) werden Zellen mit der Impflösung von
einer Arbeitskonserve in einem 1-l-Erlenmeyerkolben mit
200 ml Vorkultur-Nährlösung übertragen. Die Vorkultur-
Nährlösung besteht aus: Hefeextrakt (0,3%), Bacto-
Pepton Difco (0,5%), Malzextrakt Difo (0,3%), Leitungswasser,
pH=7,0 mit KOH eingestellt, 20 Minuten
bei 121°C im Autoklaven sterilisiert; nach Abkühlen
werden 10 ml einer fünfprozentigen sterilen Glucose-
Lösung zugesetzt.
20 Kolben mit Xanthomonas campestris werden über Nacht
auf der Schüttelmaschine bebrütet und nach 18 Stunden
von der Schüttelmaschine auf einen 300 l-Fermenter
(200 l Arbeitsvolumen) übertragen. Die Nährlösung besteht
aus Hefeextrakt 0,8%, Saccharose 5%, Glutaminsäure
0,2%, Desmophen 40 ml. Der pH-Wert wird mit
45%iger NaOH-Lösung auf 6,5 eingestellt. Der Sterilisation
wird 30 Minuten bei 121°C durchgeführt. Die
Fermentationsbedingungen sind: Temperatur 28°C, Belüftungsrate
0,5 vvm, Rührung 800 Upm, Druck 0,2 bar Überdruck,
Laufzeit 50 Stunden. Nach dieser Zeit beträgt die
Viskosität 18 000 cps (cps=Centipoise; Viskosität).
Für die Konzentrierung der Xanthan-Kulturlösung bei 50°C
wird das Pellicon-System, ein spiralförmig gewickeltes
Ultrafiltrationsmodul der Fa. Millipore, eingesetzt. Es
ist so konstruiert, daß mehrere Ultrafiltrationsmembranen
alternierend mit Kunststoff-Separatoren
konzentrisch um einen hohlen Kern gewickelt sind. Das
Produkt fließt am oberen Ende in das Modul, strömt
tangential abwärts, parallel zur Modulachse. Diese
Konfiguration besitzt breite freie Kanäle, so daß die
Fließraten sehr hoch gehalten werden können. Als
Filtermaterial werden 4,6 m² Polysulfon mit einer Ausschlußgrenze
von 100 000 MG eingesetzt. Das Ergebnis
ist in Fig. 1 wiedergegeben. Bis zu einer fünffachen
Konzentrierung ist keine Abnahme der Konzentrierungsgeschwindigkeit
(Flußrate) zu beobachten.
Die Anzucht der Xanthanlösung erfolgt wie im Beispiel
1. Die Viskosität der Kulturlösung beträgt nach 55
Stunden 20 000 CPS.
Für die Konzentrierung der Xanthan-Kulturlösung bei 50°C
wird das Millipore-Kassettensystem Prostak mit einer
Durapore-Membran (Polyvinylidendifluorid; 0,2 µm,
0,83 m²) eingesetzt. Die Ultrafiltrationseinheit wird
ohne Vorfilter betrieben. Membran und Gerät werden vor
dem Gebrauch bei 121°C über 30 Minuten sterilisiert. Die
Fließgeschwindigkeit durch die Membran während der
Konzentrierung bleibt mit etwa 35 l/m² · h auch bei einem
hohen Eindickungsgrad um den Faktor 5 konstant.
Die Anzucht der Xanthanlösung erfolgt wie in den Beispielen
1 und 2. Die Viskosität der Xanthanlösung vor
Beginn der Konzentrierung beträgt 19 600 cps. Für die
Konzentrierungsversuche bei unterschiedlichen Temperaturen
wird das Pellicon-System, wie im Versuch 1, eingesetzt.
Um den Einfluß der Temperatur auf die Filtrationsleistung
auszutesten, wird ein Fermenteransatz mit einer
Monopumpe im Kreis durch das Pellicon-Spiralsystem
gepumpt und sowohl Permeat als auch Retentat in den
Fermenter zurückgegeben, wo beide Flüssigkeiten wieder
gleichmäßig gemischt werden.
Der mittlere Transmembrandruck
[(P Eingang - P Ausgang ) : 2-P Permeat ] beträgt 3,15 bar
(P Eingang = 6,7; P Ausgang = 0,4; P Permeat = 0), so daß
der Konzentrierungsfaktor nach einmaligem Umpumpen 5
beträgt, d. h. 80% der Eingangslösung werden als
Permeat abgegeben, 20% als Konzentrat. Die Temperatur
im Fermenter wird auf 30°C eingestellt und der Filtrationsversuch
bei dieser Temperatur durchgeführt. In
diesem Versuch beträgt die Filtrationsrate 24 l/m² · h.
Anschließend wird die Temperatur in der Membraneinheit
auf 35°C erhöht und erneut die Filtrationsrate bestimmt.
Sie ist auf 25 l/m² gestiegen. Der nächste Versuch wird
bei 40°C durchgeführt. Als Ergebnis steigt die Filtrationsleistung
auf 26 l/m² · h. Bei 45°C wird eine Filtrationsleistung
von 28 l/m² · h, bei 50°C eine Filtrationsleistung
von 39 l/m² · h und bei 55°C eine Filtrationsleistung
von 40 l/m² · h erreicht (vgl. Fig. 2).
Die Herstellung des sterilen, hochviskosen Xanthan-
Konzentrates erfolgt in einem integrierten System, bestehend
aus einer fest verschweißten Kompakteinheit,
beinhaltend: (Vergleiche Zeichnung 4)
- - einen Mediumtank (1)
- - eine kontinuierliche Sterilisationsanlage (2)
- - eine unten gerührte Fermentationseinheit (3)
- - einen kontinuierlich arbeitenden Wärmeaustauscher (4)
- - eine kontinuierlich betriebene Cross-Flow-Membraneinheit (5) und
- - einen kontinuierlich gefahrenen statischen Mischer (6)
Vor Beginn der Herstellung des sterilen, hochviskosen
Xanthan-Konzentrates in dem integrierten System wird die
fest verschweißte Kompakteinheit als Gesamtanlage
sterilisiert.
Dabei wird die kontinuierliche Sterilisationsanlage (2)
mit einer Wasserfüllung in der Produktleitung mit 5 bar-
Dampf bei 140°C sterilisiert. Die gleichzeitige
Sterilisation der übrigen Anlagenteile 3, 4, 5 und 6
erfolgt mit 1,4 bar-Dampf bei 120°C. Dabei fließt der
Dampf von der Fermentations-Echtheit (3) zum Wärmeaustauscher
der kontinuierlichen Sterilisationsanlage (2 c)
sowie über die Produktleitung durch den kontinuierlich
arbeitenden Wärmeaustauscher (4), die kontinuierlich
betriebene Cross-Flow-Membraneinheit (5) und den
kontinuierlich gefahrenen statischen Mischer (6). Die
Sterilisationszeit für alle Anlagen-Teile der Kompakteinheit
beträgt 60 Minuten.
Die Impfgutanzucht erfolgt wie im Beispiel 1. Der Impfgutkolben
wird 24 Stunden bei 28°C auf der Schüttelmaschine
bei 290 Upm bebrütet, 20 Kolben der Vorkultur
dienen als Impfgut für den 300 l Fermenter.
Die Nährlösung für die Produktion, bestehend aus Hefeextrakt
(0,8%), Saccharose (5,0%), Glutaminsäure
(0,2%), pH-Wert 6,5 mit NaOH, wird in einem offenen
Kessel angesetzt und kontinuierlich über die kontinuierliche
Sterilisationseinheit (Spiralaustauscher für
Vorheizen (2 a), Sterilisation (2 b) und Kühlen (2 c) für
60 sec bei 140°C sterilisiert: Im Vorheizer wird mit
bereits steriler Nährlösung auf 70°C vorgeheizt (Wärmerückgewinnung
beträgt 80%). Im Sterilisator wird
indirekt mit 5-bar-Dampf auf 140°C aufgeheizt. Die zu
sterilisierende Nährlösung durchfließt die Heißhaltestrecke
für 60 sec, und wird im ersten Austauscher vorgekühlt.
Eine Temperatursonde am Ende der Heißhaltestrecke
und eine Abschaltautomatik sorgen dafür daß bei
Abfall der Temperatur innerhalb des Systems die Nährlösung
nicht in den Fermenter gepumpt, sondern im Kreis
gefahren wird.
Im letzten Austauscher wird mit Kaltwasser die vorgekühlte
Nährlösung auf Arbeitstemperatur (28°C) vorgekühlt.
Anschließend wird die Nährlösung in verschweißten
Leitungen direkt dem Fermenter zugeführt. Eintritt der
Nährlösung in den Fermenter ist unterhalb des untersten
vergrößerten axial wirkenden Intermig-Rührers.
Nach Befüllen des Fermenters mit 200 l Nährlösung wird
die Zuführung vorerst gestoppt und der Batch-Ansatz
von der Schüttelmaschine beimpft.
Nach Beimpfen des Fermenters werden folgende Bedingungen
eingehalten: 800 Upm Rührung, 100 l/min Belüftungsrate,
0,2 bar Überdruck, 28°C Temperatur. Eine
Antischaumzentrifuge (3 a) vom Typ Ekato mit 900 Upm
Umlaufgeschwindigkeit zerstört in dieser Phase den
Schaum.
56 Stunden nach Beimpfung wird eine optimale Viskosität
von 20 000 cps erzielt und das Verfahren auf kontinuierliche
Fermentation umgestellt, indem über die kontinuierliche
Sterilisationseinheit 5 l/h sterile Nährlösung
unterhalb des untersten Rührers zugegeben und gleichzeitig
über eine Pumpe von der Oberfläche 5 l/h Xanthan-
Lösung abgezogen werden. Nach einer Adaptionszeit von
40 h ist die Viskosität der abfließenden Kulturlösung
konstant, die Zellzahl ist konstant, die Abgaswerte sind
konstant, d. h., die Kultur ist im Steady State. Fig. 3
zeigt den Xanthan-Gehalt der abgezogenen
Kulturlösung.
Die aus dem Bioreaktor mittels einer Monopumpe abgezogene
Xanthanlösung wird in einem Wärmeaustauscher
mit Heißwasser auf 50°C erhitzt und über ein Pellicon-
System der Firma Millipore konzentriert. Das spiralförmig
gewickelte Ultrafiltrationsmodul hat eine 1,0 m²
Polysulfon-Membran mit einer Ausschlußgrenze von
100 000 MG. Mit einem mittleren Transmembrandruck von
4,5 bar [(P Eingang + P Ausgang ) : 2-P Permeat ] werden
in einer Stufe die 5 l/h auf ca. 1 l/h konzentriert. Das
Permeat verläßt das System, während das sterile, hochviskose
Xanthan-Konzentrat über einen statischen Mischer
mit Formalin vermischt wird, so daß eine Xanthanlösung
mit 1% Formalin stabilisiert und mit einem Gehalt von
6,2% die Kompakteinheit verläßt. Dieses Xanthan-Konzentrat
kann z. B. in sterile Container direkt abgefüllt und
unter sterilen Bedingungen transportiert, gelagert (bei
Zimmertemperatur) und weiterverarbeitet werden. Die
kontinuierliche Fermentation und die kontinuierliche
Cross-Flow-Filtration laufen 600 Stunden im Steady State
ohne Kontamination und ohne Unterbrechung für Reinigungsarbeiten.
Das so hergestellte Xanthan-Konzentrat hat eine Viskosität
von 100 000 cps. Der Xanthangehalt beträgt 8,1%,
gemessen als Isopropanol-Xanthan-Präzipitat. Sowohl die
zweiprozentige Xanthan-Lösung nach der Fermentation wie
auch das 8,1%ige Xanthan-Konzentrat nach der Cross-
Flow-Filtration sind nach entsprechender Verdünnung ohne
Druckanstieg in beliebiger Menge durch ein 1,2 µm
Membranfilter (Schleicher & Schüll) filtrierbar, was
beweist, daß die Struktur des Xanthans sich bei der
Konzentrierung nicht verändert hat.
Die Vorkultur, die kontinuierliche Sterilisation der
Nährlösung und das Anfahren der Kultur erfolgen wie im
Beispiel 4. Nach 60 Stunden Laufzeit wird dann in zwei
Schritten die Verdünnungsrate von 0,025 h-1 (5 l/h
Austauschrate) auf 0,05 h-1 (10 l/h Austauschrate)
erhöht. Nach weiteren 20 Stunden wird erneut das Steady
State erreicht.
Die Konzentrierung erfolgt in diesem Beispiel mit einem
Millipore-Kassettensystem Prostak mit einer Durapore-
Membran (Polyvinylidendifluorid, 0,2 µm). Es wird 300
Stunden kontinuierlich eine 4,5%ige Formalin-stabilisierte
Xanthan-Lösung produziert, ohne Kontamination und
ohne Unterbrechung für Reinigungsarbeiten.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines sterilen Biopolysaccharid-
Konzentrats, dadurch gekennzeichnet, daß
man eine das Biopolysaccharid enthaltende Fermentationslösung
kontinuierlich mittels Cross-Flow-
Filtration in einer Membraneinheit bei konstanter
Filtrationsrate konzentriert.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 wobei die Konzentrierung
oberhalb 40°C erfolgt.
3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2 bei dem die
Konzentrierung der Fermentationslösung bei einem
einmaligen Durchlauf durch die Membraneinheit
wenigstens 2fach ist.
4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 zur Herstellung
von Konzentraten von Biopolysacchariden
aus der Gruppe Xanthan, Alignat, Curdlan,
Scleroglucan, Pullulan und Dextran.
5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung
von Xanthan-Konzentraten aus Fermentationslösungen
von Xanthomonas campestris.
6. Sterile Biopolysaccharid-Konzentrate hergestellt
mit dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5.
7. Steriles Xanthan-Konzentrat hergestellt mit dem
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5.
8. Verwendung der Biopolysaccharid-Konzentrate nach
den Ansprüchen 6 und 7 in der tärtiären Erdölförderung,
als Verdickungsmittel oder Trägermaterial
in der Lebensmittel-, Farben- und der Pharmazeutischen-
Industrie oder zur Herstellung von Biopolysaccharid-Trockenprodukten.
9. Vorrichtung zur Herstellung eines sterilen, hochviskosen
Biopolysaccharid-Konzentrates bestehend
aus einer fest verschweißten Kompakteinheit,
beinhaltend:
- - einen Mediumtank (1)
- - eine kontinuierliche Sterilisationsanlage (2)
- - eine unten gerührte Fermentationseinheit (3)
- - einen kontinuierlich arbeitenden Wärmeaustauscher (4)
- - eine kontinuierlich betriebene Cross-Flow- Membraneinheit (5) und gegebenenfalls
- - einen kontinuierlich gefahrenen statischen Mischer (6).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Herstellung von
Xanthan-Konzentraten.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863627743 DE3627743A1 (de) | 1986-08-16 | 1986-08-16 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von biopolysaccharid-konzentraten mittels kontinuierlicher cross-flow-filtration |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863627743 DE3627743A1 (de) | 1986-08-16 | 1986-08-16 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von biopolysaccharid-konzentraten mittels kontinuierlicher cross-flow-filtration |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3627743A1 true DE3627743A1 (de) | 1988-02-18 |
DE3627743C2 DE3627743C2 (de) | 1990-08-16 |
Family
ID=6307477
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19863627743 Granted DE3627743A1 (de) | 1986-08-16 | 1986-08-16 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von biopolysaccharid-konzentraten mittels kontinuierlicher cross-flow-filtration |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3627743A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002051874A1 (de) * | 2000-12-22 | 2002-07-04 | Clemens Posten | Elektrofiltration von biopolymeren |
WO2003016545A2 (en) * | 2001-08-15 | 2003-02-27 | Ciba Specialty Chemicals Holding Inc. | Process for the production of scleroglucan |
CN1106448C (zh) * | 1997-11-05 | 2003-04-23 | 中国科学院微生物研究所 | 从发酵液中提取普鲁兰的技术和工艺 |
Citations (1)
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DE3423594A1 (de) * | 1984-06-27 | 1986-01-02 | Akzo Gmbh, 5600 Wuppertal | Weinklaerung mittels crossflow-filtration |
-
1986
- 1986-08-16 DE DE19863627743 patent/DE3627743A1/de active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3423594A1 (de) * | 1984-06-27 | 1986-01-02 | Akzo Gmbh, 5600 Wuppertal | Weinklaerung mittels crossflow-filtration |
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WO2003016545A3 (en) * | 2001-08-15 | 2003-10-16 | Ciba Sc Holding Ag | Process for the production of scleroglucan |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3627743C2 (de) | 1990-08-16 |
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