NO174588B - Fremgangsmaate for kontinuerlig fremstilling av ulike biotekniske produktgrupper ved anvendelse av kontinuerlig membranreaktor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår anvendelse av en kontinuerlig membran-reaktor for produksjon av biotekniske produkter som f.eks. konsentrerte løsninger av anaerobe mikroorganismer eller fakultativt anaerobe mikroorganismer. Andre biotekniske produkter kan også fremstilles i apparaturen, f.eks. proteinhydrolysater fremstilt ved kontinuerlige enzym-reaksjoner og proteinpartikler ved kontrollert proteinaggre-gering.

De første industrielle fermenteringsprosessene som ble utviklet var basert på produksjon av mikroorganismer i reaktorer (fermentorer) og oppkonsentreringen av bakteriene i separate oppkonsentreringsenheter. Disse første prosessene ble operert satsvis. En slik satsvis prosess fører til lav gjennomsnittlig volumetrisk produktivitet (mikroorganisme-masseøkning pr. volum og tidsenhet). I tillegg varierte, på grunn av den satsvise produksjonen, belastningen på konsen-trer ingsenheten av mikroorganismemassen, slik at denne måtte overdimensjoneres i forhold til mikroorganismeproduksjonen i fermentoren. Den videre utviklingen førte til kontinuerlig dyrking av mikroorganismene i fermentorer. Derved økte volumetrisk produktivitet og belastningen på konsentrerings-enheten ble jevnere. Produktiviteten er avhengig av konsen-trasjonen av mikroorganismer i fermentoren. Ved anaerob vekst er mikroorganismekonsentrasjon begrenset ved inhibering av endeprodukter fra metabolismen. Maksimal mikroorganismekonsentrasjon er derfor begrenset av mikroorganismetilveksten når vekstmediet er optimalisert. Det er likevel mulig å øke mikroorganismekonsentrasjonen ut over denne begrensning ved å knytte fermentoren sammen med en oppkonsentreringsenhet. I oppkonsentreringsenheten fjernes de inhiberende metabolisme-komponentene fra mikroorganismemassen. Deler av den produ-serte mikroorganismemassen føres tilbake til fermentoren og en "kunstig" høy mikroorganismemassekonsentrasjon oppnås i fermentoren. Dette er kjent teknologi og anvendes både til etanolproduksjon og i biologisk vannrensing.

Oppfinnelsens bidrag til utviklingen er at beregninger viste at oppkonsentreringsenheter av typen "cross-flow" filtre-ringsapparatur hadde et dødvolum som er stort nok til å kunne benyttes som fermentorvolum. Hovedidéen ifølge oppfinnelsen er å dyrke mikroorganismer og biotekniske produkter i apparaturens dødvolum, slik at den fordyrende fermentoren ikke er nødvendig.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for kontinuerlig fremstilling av ulike biotekniske produktgrupper som anaerobe og fakultativt anaerobe mikroorganismeløsninger, proteinhydrolysater med øvre molekylvektsgrense og proteinaggregater med definert nedre størrelse, er kjennetegnet ved at man til fremstillingen anvender reaktorsløyfen og filtrerings-apparaturens dødvolum, og at det i reaktorsløyfen benyttes en integrert hydrosyklon for å separere væske og gass ved produksjon av høykonsentrerte mikroorganismeløsninger.

Filterapparaturens dødvolum kan endres enkelt ved å forandre rørsløyfens dimensjon, både lengde og diameter. For å oppnå samme produktivitet ved konvensjonell satsvis fermentering, kreves en fermentor som er ca. 50 ganger større enn en f ilterfermentor.

En slik høyproduktivitetsreaktor er avbildet i figur 1.

Gassdannende mikroorganismer vil skape problemer i et slikt lukket system. Gassen som dannes vil ikke forlate systemet gjennom samme filter som det forbrukte vekstmediet. For å kunne dyrke gassdannende mikroorganismer er det i reaktor-sløyf en satt inn en hydrosyklon (1) for å separere væske og gass. Gassen fjernes gjennom eget steriliserbart gassfilter (2). Denne gassen må fjernes fra mikroorganismeløsningen før mikroorganismene anvendes. Næringsmedium og eventuelt andre råstoffer, tilsettes reaktorsløyfen fra råstofftank (8). Væskenivået i hydrosyklonen (1) reguleres av den relative hastighet mellom filtratfluks og innpumping av vekstmedium. Surhetsgraden på reaktorløsningen måles (3) og reguleres ved tilsats av surhetsregulerende kjemikalier fra tank (9). Temperaturen i reaktoren reguleres med en varmeveksler (6) som styres via en temperaturmåler (7).

Filtrering av reaktorløsningen for å fjerne forbrukt medium eller andre reaksjonsløsninger, skjer ved cross-flow filtrering i filtermodulene (4). For filtrering kan benyttes alle kjente filtertyper for ultra- og mikrofiltrering laget av både uorganiske og organiske materialer. Filtrenes pore-størrelse tilpasses behovet i den enkelte prosess. Sirku-lasjonen over filteret og gjennom hydrosyklonen besørges av en pumpe (5). Lobe-pumpe er spesielt valgt til dette formålet for sin skånsomhet mot mikroorganismer og proteinpartikler. For å filtrere optimalt, måles sirkulasjonshastigheten og trykket ved inngangen og utgangen til filterenheten, samt trykket på filtratsiden. Da filtrene fra tid til annen må vaskes, er apparaturen utstyrt med to filterenheter (4) koplet parallelt, slik at det ene benyttes til filtrering av reaktorløsning, mens det andre rengjøres eventuelt skiftes og steriliseres. Partikler (mikroorganismer og proteinaggregater) og molekyler (enzymer) som ikke forlater filterreaktoren gjennom filtersystemet, kan tappes av separat (10).

Oppfinnelsen blir i det følgende forklart ved hjelp av noen eksempler som viser noen anvendelsesområder for den kontinuerlige membranreaktoren.

Eksempel 1

Den kontinuerlige membranreaktoren er konstruert spesielt for produksjon av anaerobe organismer, da det i næringsmiddel-industrien hovedsakelig benyttes anaerobe startkulturer, vesentlig til foredling av melk, kjøtt og grønnsaker. Startkul turens kvalitet "bestemmes av de vekstforhold organismene opplever i produksjonsreaktoren. Ved konvensjonell fremstilling endres vekstforholdene kontinuerlig under produksjonen. Startkulturens kvalitet varierer derfor med høstetidspunktet og uforutsette variasjoner i mediet under oppveksten. Et av problemene ved tradisjonell startkul turproduksjon er derfor å opprettholde riktig kvalitet på mikroorganismene.

Den homofermetative melkesyrebakterien Lactobacillus helveticus CNRZ 303 ble dyrket opp stasjonært i medium ved 40° C og etter 20 timer inokulert i sanitært filtrerings-utstyr.

Sukkerløsning i form av ultrafiltrert myse ble ført inn i anlegget (8). Mysen er tilført uorganiske næringsstoffer som vist i tabell 1.

For syrenøytralisering benyttes en løsning av NaOH. Ut av filtreringsenheten pumpes filtrat. Et typisk vekstforløp er vist i figur 2.

Konsentrert mikroorganismeløsning pumpes kontrollert ut av reaktorsløyfen når mikroorganismekonsentrasjonen har nådd ønsket nivå, f.eks. 60 g tørrvekt mikroorganismer pr. liter (10).

Forsøk har bekreftet at kontinuerlig fremstilling av startkulturer i den beskrevne membranreaktoren er egnet for å sikre riktig og reproduserbar kvalitet på produktet. I produksjonsfasen er alle prosessparametre, inkludert mediumkomponenter og mikroorganismekonsentrasjon konstant over tid, gjennom styrt tilsats av vekstbegrensende komponenter.

Eksempel 2

Tilgjengelig litteratur viser at ekte melkeallergi nesten utelukkende forekommer blant små barn i aldersgruppen 0-4 år. Videre er det vist at melkeprodukter hvor melkeproteinene er redusert i størrelse til under 10.000 D, ikke fremkaller allergiske reaksjoner. Det er gjennomført forsøk for fremstilling av melk som ikke fremkaller slik allergi i utsatte grupper.

Forsøkene gikk ut på å hydrolysere melkeproteiner til under 10.000 D ved å benytte kommersielle proteaser eller soppen Mucor mucedo, som er en særnorsk sopp som har lange tradi-sjoner ved fremstilling av gammelost, hvor soppens proteaseaktivitet benyttes til hydrolyse av proteiner i skummet melk. I denne aktuelle produksjonsprosessen er man generelt avhengig av en reaktor hvor miljøbetingelser for optimal proteaseaktivitet kan kontrolleres (temperatur, pH, konsen-trasjon av mineraler, etc). Videre vil det i prosessen være behov for kontinuerlig å separere proteiner med størrelse under 10.000 D fra de større melkeproteiner og de hydrolyser-ende enzymer. Den kontinuerlige membranreaktoren ifølge oppfinnelsen, inneholder de tekniske løsningene på de nevnte forhold, og synes derfor ideell til formålet. I membranreaktoren oppnås redusert forbruk av enzym, idet enzymet holdes tilbake i reaktorsløyfen (aktiv immobilisering av enzymet). Enzymene kommer heller ikke med i produktstrømmen og kan derved ikke forårsake ukontrollert proteinhydrolyse og dannelse av bitre komponenter utenfor membranreaktoren. I tillegg hindres at melkeproduktet tilføres protein (enzym) med molvekt over 10.000 D som kan virke allergifremkallende.

Eksempel 3

Meieriprodukter med redusert fettinnhold har hatt en sterk fremgang i markedet. Spesielt gjelder dette drikkemelk-området hvor lettmelk i dag er et ledende produkt. Andre typer meieriprodukter med redusert fettinnhold, f.eks. ost og yoghurt, oppfattes foreløpig av forbrukerne som kvalitativt dårligere enn de ordinære produkter. Årsaken er i hovedsak knyttet til faktorer som konsistens og aroma.

Markedstrender tyder fortsatt på en økt overgang fra ordinære produkter til produkter med redusert fettinnhold, og prognoser tyder på at dette vil øke i tiden fremover.

Da proteinpartikler med størrelse i området 0,1-3 jjm kan ha fettlignende egenskaper, er slike proteinbaserte fett-erstattere idag etterspurt som komponent for kvalitetsfor-bedring av næringsmidler med redusert fettinnhold.

Produksjon og konsentrering av slike proteinpartikler med den angitte størrelse krever nøye kontroll med kinetikkforhold og miljøbetingelser (temperatur, pH og mineralsammensetning). Den kontinuerlige membranreaktoren ifølge oppfinnelsen vil gi god kontroll av disse parametre.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av ulike biotekniske produktgrupper som anaerobe og fakultativt anaerobe mikroorganismeløsninger, proteinhydrolysater med øvre molekylvektsgrense og proteinaggregater med definert nedre størrelse, karakterisert ved at man til fremstillingen anvender reaktorsløyfen og fil-trer ingsapparaturens dødvolum, og at det i reaktorsløyfen benyttes en integrert hydrosyklon (1) for å separere væske og gass ved produksjon av høykonsentrerte mikroorganisme-løsninger .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at væskenivået i hydrosyklonen (1) anvendes til å regulere forholdet mellom mengden som føres inn og ut av reaktorsløyfen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, karakterisert ved at temperaturen reguleres med en varmeveksler (6), pH reguleres ved tilsats av pH-regulerende kjemikalier (9), og styring av hastighet på mikroorganismetilvekst reguleres gjennom tilførsel av vekstbegrensende komponent pr. tidsenhet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved bruk av Mucor mucedo eller enzymer derav til fremstilling av proteinhydrolysater.