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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung biologischer Prozesse Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung solcher biologischer
Prozesse, die mit Hilfe von Erregern zustande kommen, welche eine zusammenhängende
Haut bilden und an der Oberfläche wachsen. Derartige Erreger sind beispielsweise
Schimmelpilze, bestimmte Hefe-und Bakterienarten. Ihre Stoffwechselprodukte, die
durch Umsetzung, beispielsweise von Kohlehydraten, gewonnen werden können, sind
z. B. Citronensäure, Gluconsäure, Fumarsäure, Manniit u. dgl.
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Derartige biologische Prozesse werden im allgemeinen so durchgeführt,
daß ein Häutchen oder Filz des Erregers auf der Oberfläche der Nährlösung kultiviert
wird. Die Umsetzung findet lediglich an der Berührungsfläche des Erregers mit der
Flüssigkeit statt, d. h. an der Unterseite des Filzes bzw. der Oberfläche der Flüssigkeit;
wenn man die Ansammlung der Stoffwechselprodukte in der Berührungszone nicht verhindert,
so wird die Reaktion verzögert und führt nur zu einer mangelhaften Ausbeute.
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Man hat zur Beschleunigung der Reaktion bereits vorgeschlagen, die
-Flüssigkeit durch Umrühren oder Fließen sich unterhalb des Filzes fortbewegen zu
lassen. Bekannte Verfahren dieser Art bestehen darin, däß man die Nährlösung in
mehreren Stufen von einer flachen Schale zu einer darauffolgenden fließen läßt,
wobei in jeder dieser Schalen eine-Haut des Erregers gebildet ist. Ein derartiger
Umlauf der Flüssigkeit hat den Nachteil, daß der Filz leicht reißt oder untertaucht,
wodurch die Umsetzung unterbrochen wird. Zudem ist auch bei Verwendung von flachen
Schalen die Oberfläche der Flüssigkeit im Verhältnis zu ihrer Gesamtmenge nur gering,
so daß nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des umzusetzenden Substrates jeweils
in Berührung mit dem Erreger kommt.
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Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß man eine sehr wirksame
Umsetzung dann erzielen kann, wenn man den Erreger nicht unmittelbar auf der Nährlösung
schwimmen läßt, sondern auf einer Unterlage aus porösem Werkstoff, beispielsweise
Gewebe, Ton, Steingut o. -dgl., kultiviert, während die Nährlösung auf der anderen
Seite dieser Unterlage in ganz dünner Schicht entlang fließt. Man. kann beispielsweise
flache Schläuche aus Filtertuch hierfür nehmen, an deren Außenseite der Erreger
wächst, während in dem flachen Innenraum, der fast bis zu kapillaren Dimensionen
verengt sein kann, die Flüssigkeit entlang strömt. Die Geschwindigkeit des Durchgangs
der Nährlösung wird den jeweiligen Umständen angepaßt. Sie kann so .eingestellt
werden, daß die vollständige
Umsetzung in nur einem einzigen Durchtritt
erfolgt; das Verfahren kann aber auch unter mehrfachem Umlauf der Flüssigkeit durchgeführt
werden. In letzterem Falle können die Umwandlungsprodukte vor jedem neuen Umlauf
ganz oder teilweise entfernt werden, auch kann die verbleibende Lösung nach Bedarf
vor dem erneuten Umlauf sterilisiert undloder filtriert werden.
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Zur Einleitung des Wachstums des Erregers auf der Oberfläche der Unterlage
wird geeignetes Impfmaterial, z. B. trockene oder aufgeschwemmte Sporen oder Zellen
auf die Unterlage aufgesprüht und für Luftzutritt gesorgt. Auf der anderen Seite
der Unterlage läßt man Nährlösung in kontinuierlichem Strom oder diskontinuierlich
mit häufigen Absätzen zufließen und auf diese Weise durch die Poren der Unterlage
zu dem Erreger hinzutreten und das Wachstum fördern, wobei es sich aus der gesamten
Anordnung bereits von selbst ergibt, daß zu derjenigen Seite der Unterlage, auf
der sich die Nährlösung befindet, erheblich weniger Luft hinzutritt als zu der entgegengesetzten,
so daß ein Wachstum des Erregers auf dieser Seite vermieden wird. Die Bedingungen
der Temperatur, Luftzufuhr, Art und Konzentration der Nährlösung werden jeweils
dem Sonderfall angepaßt. Handelt es sich um Asp.ergillusarten, z. B. zur Citronensäurebildung,
so wird ein guter Filz erfahrungsgemäß innerhalb von 2 bis 3 Tagen gebildet.
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Hat der Filz eine genügend fortgeschrittene Entwicklungsstufe erreicht,
so kann eine andere Nährlösung gewählt werden, welche das weitere Wachstum des Erregers
einschränkt, ohne -seine enzymatische Stoffwechseltätigkeit wesentlich zu verlangsamen.
Erst wenn der Filz erschöpft oder zu dick geworden ist, um noch wirtschaftlich zu
arbeiten, w ird er durch eine neue Kultur ersetzt.
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Vor einer neuen Beimpfung der Unterlage wird die ganze Anlage zweckmäßig
sterilisiert, z. B. mit Heißdampf; es wird auch dafür Sorge getragen, daß die während
des Wachstums und der Umsetzungen zutretende Luft steril ist. Die Nährlösung und
gegebenenfalls die Luft im Innern der Anlage werden auf der für das Wachstum oder
die Umsetzung jeweils optimalen Temperatur gehalten. Die Vorgänge können unter normalem,
erhöhtem oder vermindertem Druck stattfinden. Es können Einrichtungen vorgesehen
sein, die eine Belüftung des Filzes undloder der durchfließenden Flüssigkeit gestatten.
Der Zutritt fremder Organismen an der Atmosphäre soll zweckmäßig ausgeschlossen
sein.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Darstellung von Citronensäure
aus Kohlehydraten mittels einer Schimmelpilzart.
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In den beiliegenden Zeichnungen ist eine Anlage zur Durchführung des
neuen Verfahrens beispielsweise wiedergegeben. Es stellen dar Fig. r einen senkrechten
Schnitt durch die ganze Anlage, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den. Einlaufteil
eines Einzelelementes, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Einzelelement, Fig. 4
eine Ansicht des Kopfteiles eines Einzelelementes.
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Die Anlage besteht aus mehreren senkrecht angeordneten Einzelelementen
A, z. B. Schläuchen aus Filtertuch oder Röhren aus Ton, Steingut o. dgl. Diese Schläuche
oder Röhren haben zweckmäßig einen Querschnitt von der Form einer verlängerten Ellipse,
bei welcher sich schließlich die abeiden Längsseiten berühren können, und werden
an einem Ende an den im Längsschnitt Y-förmigen Trögen l3 befestigt, die zu mehreren
auf einer geeigneten Stütze angeordnet sind. Die Gesamtheit der Elemente A befindet
sich in einem Turm bzw. einer Kammer E, welche derartige Dimensionen hat, daß die
Einzelelemente j e mehrere Zoll voneinander entfernt sind. Oberhalb der Tröge D
ist innerhalb oder außerhalb der Kammer E ein Behälter F mit konstantem Niveau angeordnet,
dem die sterile Nährlösung von einem beliebigen Punkt aus zugeführt werden kann.
Der Behälter F besitzt (egelbare Öffnungen oder Ventile G, welche die Zufuhr der
Nährlösung zu jedem der Tröge D regeln.
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Damit die Nährlösung über die ganze Breite der Schläuche bzw. Röhren
A, gleichmäßig verteilt wird, können die Schenkel der Tröge D verengt oder, wie
aus Fig.2 ersichtlich ist, unten ganz geschlossen sein; in letzterem Falle sind
seitliche Öffnungen H zu beiden Seiten des Schenkels angebracht. Die Schenkel der
Tröge D sind so breit gehalten, daß die innere Oberfläche C der Schläuche A über
ihre ganze Länge zusammenhaften. Auf diesem Wege wird die Flüssigkeit zu einer ganz
dünnen Schicht auseinandergezogen und der Luftzutritt in das Innere der Schläuche
derart beschränkt, daß kein unerwünschtes Wachstum des Erregers im Innern der Elemente
A stattfinden kann.
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Die Flüssigkeit, welche die Schläuche A durchflossen hat, sammelt
sich am Boden der Kammer in dem Sammelbehälter K, von wo aus sie entweder in die
gleiche Kammer zurückgeschickt oder einer anderen Kammer zugeführt oder ganz aus
dem Umlauf gezogen werden kann. An dem Ausflußrohr des Behälters K kann ein hier
nicht gezeichnetes
Filter angebracht werden. Ferner kann die Flüssigkeit
nach der Filtration in Rohrschlangen o. dg1. sterilisiert werden.
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An den Seitenwänden der Kammer E befinden sich normalerweise verschlossene
Schaulöcher L, die eine Beobachtung des Innenraumes gestatten und zur Beimpfung
der Schläuche nach der Sterilisierung der Anlage dienen, indem durch sie hindurch
die Sporen der Organismen in den Innenraum hineingestäubt werden. Zu der Kammer
gehören auch hier nicht gezeichnete direkte und indirekte Dampfleitungen zum Sterilisieren
und Erwärmen, ferner Einrichtungen zur Schaffung von Über- und Unterdruck. Die Kammer
kann' aus Blech oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein, jedoch
sollen alle diejenigen Teile, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, säurefest
sein und keinen Einfluß auf die Stoffwechselprodukte ausüben.