RU2746229C1 - Method for producing xanthan gum - Google Patents
Method for producing xanthan gum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746229C1 RU2746229C1 RU2020124723A RU2020124723A RU2746229C1 RU 2746229 C1 RU2746229 C1 RU 2746229C1 RU 2020124723 A RU2020124723 A RU 2020124723A RU 2020124723 A RU2020124723 A RU 2020124723A RU 2746229 C1 RU2746229 C1 RU 2746229C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- xanthan gum
- stage
- xanthomonas
- cultivation
- producing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
- C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
- C12N1/205—Bacterial isolates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
- C12P19/04—Polysaccharides, i.e. compounds containing more than five saccharide radicals attached to each other by glycosidic bonds
- C12P19/06—Xanthan, i.e. Xanthomonas-type heteropolysaccharides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
- C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
- C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
- C12R2001/64—Xanthomonas
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Virology (AREA)
- Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии и касается способа получения ксантановой камеди. Ксантан (ксантановая камедь) – внеклеточный полисахарид, который представляет собой продукт жизнедеятельности бактерий Xanthomonas.The invention relates to biotechnology and relates to a method for producing xanthan gum. Xanthan (xanthan gum) is an extracellular polysaccharide that is a waste product of Xanthomonas bacteria.
Ксантановая камедь представляет собой микробиологический полимер, широко применяемый в пищевой, фармацевтической, косметической промышленности, а также при добыче нефти.Xanthan gum is a microbiological polymer widely used in the food, pharmaceutical, cosmetic and petroleum industries.
Стандартная технология производства ксантановой камеди предусматривает осаждение полисахаридов при помощи низших спиртов – изопропилового или этилового. The standard technology for the production of xanthan gum involves the precipitation of polysaccharides using lower alcohols - isopropyl or ethyl.
Из документа RU 2639557 (опубликован 2017.12.21) известен способ получения ксантановой камеди, включающий культивирование штамма Xanthomonas campestris 2017 на питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли, и перемешивания. Полученную культуральную жидкость центрифугируют. Для осаждения ксантана в супернатант добавляют этиловый спирт или изопропиловый спирт в соотношении 1:2. Общими признаками известного и заявленного способа являются культивирование штамма из вида Xanthomonas на питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли и последующим отделением ксантана. Однако, известный способ характеризуется невысоким выходом ксантановой камеди.From the document RU 2639557 (published 2017.12.21), a method for producing xanthan gum is known, including the cultivation of the Xanthomonas campestris 2017 strain on a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts, and stirring. The resulting culture fluid is centrifuged. To precipitate xanthan, ethyl alcohol or isopropyl alcohol is added to the supernatant in a ratio of 1: 2. Common features of the known and claimed method are the cultivation of a strain from the species Xanthomonas on a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts and subsequent separation of xanthan. However, the known method is characterized by a low yield of xanthan gum.
Известен способ получения раствора ксантановой камеди по патентному документу CN101240308 (МПК C08B37/00; C09K8/60; C12P19/06; опубл. 13.08.2008 г.). Способ получения ксантановой камеди включает культивирование бактерий Xanthomonas в питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли в условиях аэрации с отделением после завершения ферментации ксантановой камеди мембранной фильтрацией, причем культивирование проводят в две стадии, на первой стадии выращивают посевной материал, на второй стадии осуществляют ферментацию с получением культуральной жидкости, содержащей ксантановую камедь, при этом используют деионизованную воду. Общими признаками известного и заявленного способов являются культивирование бактерий вида Xanthomonas в питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли в условиях аэрации, причем культивирование проводят в две стадии, и отделение ксантановой камеди. Однако в известном способе не обеспечивается оптимальных условий роста бактерий, который обеспечивает повышение выхода продукта. Наиболее близким аналогом изобретения является техническое решение, описанное в патенте США US4299825 (опубликован 1981.11.10). Из прототипа известен способ получения ксантановой камеди, включающий культивирование бактерий Xanthomonas в питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли, с отделением после завершения ферментации ксантановой камеди двухступенчатой фильтрацией на мембранных фильтрах. Целевым продуктом в данном способе является вязкий раствор ксантана. Общими признаками известного и заявленного способов являются культивирование бактерий вида Xanthomonas в питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли, и отделение ксантановой камеди. Однако, известный способ не обеспечивает оптимальных условий для роста бактерий и, соответственно, высокого выхода продукта.A known method of obtaining a solution of xanthan gum according to patent document CN101240308 (IPC C08B37 / 00; C09K8 / 60; C12P19 / 06; publ. 13.08.2008). The method for producing xanthan gum includes the cultivation of Xanthomonas bacteria in a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts under aeration conditions with separation after the fermentation of xanthan gum by membrane filtration, and the cultivation is carried out in two stages, in the first stage the inoculum is grown, in the second stage fermentation is carried out to obtain a culture liquid containing xanthan gum, using deionized water. Common features of the known and claimed methods are the cultivation of bacteria of the Xanthomonas species in a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts under aeration conditions, and the cultivation is carried out in two stages, and the separation of xanthan gum. However, the known method does not provide optimal conditions for the growth of bacteria, which provides an increase in the yield of the product. The closest analogue of the invention is the technical solution described in US patent US4299825 (published 1981.11.10). A method for producing xanthan gum is known from the prototype, including the cultivation of Xanthomonas bacteria in a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts, with the separation after fermentation of xanthan gum by two-stage filtration on membrane filters. The target product in this method is a viscous xanthan solution. Common features of the known and claimed methods are the cultivation of bacteria of the Xanthomonas species in a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts, and the separation of xanthan gum. However, the known method does not provide optimal conditions for the growth of bacteria and, accordingly, a high yield of the product.
Исходя из предшествующего уровня техники, техническая проблема состоит в создании оптимального способа получения ксантановой камеди с высокими выходами.Based on the prior art, the technical problem is to provide an optimal method for producing xanthan gum in high yields.
Технический результат заключается в увеличении продуктивности способа, увеличении концентрации продукта в собранной среде, полученная ксантановая камедь имеет улучшенные физико-химические свойства и определенный интервал по молекулярной массе. В предложенном способе увеличена скорость роста бактерий, также увеличено содержание ксантана в культуральной жидкости. Предложенный способ обеспечивает высокую концентрацию клеток с повышенной биосинтетической активностью бактерий и тем самым увеличивает продуктивность способа и концентрацию продукта в собранной среде. Выход продукта увеличивается в связи с оптимизированными условиями для роста клеток. The technical result consists in increasing the productivity of the method, increasing the concentration of the product in the collected medium, the resulting xanthan gum has improved physical and chemical properties and a certain range of molecular weight. In the proposed method, the growth rate of bacteria is increased, and the content of xanthan in the culture liquid is also increased. The proposed method provides a high concentration of cells with increased biosynthetic activity of bacteria and thereby increases the productivity of the method and the concentration of the product in the collected medium. The product yield is increased due to the optimized conditions for cell growth.
Для достижения указанного технического результата в способе получения ксантановой камеди, включающем культивирование бактерий Xanthomonas в питательной среде, содержащей источники углерода, азота, минеральные соли, с отделением после завершения ферментации ксантановой камеди, при этом культивирование проводят в две стадии, на первой стадии выращивают посевной материал, на второй стадии осуществляют ферментацию с получением культуральной жидкости, содержащей ксантановую камедь, причём на первой стадии для приготовления питательной среды используют воду с пониженным содержанием дейтерия.To achieve the specified technical result in a method for producing xanthan gum, including the cultivation of Xanthomonas bacteria in a nutrient medium containing sources of carbon, nitrogen, mineral salts, with the separation after the completion of fermentation of xanthan gum, while the cultivation is carried out in two stages, in the first stage, the inoculum is grown , in the second stage, fermentation is carried out to obtain a culture liquid containing xanthan gum, and in the first stage, water with a reduced deuterium content is used to prepare the nutrient medium.
Отделение ксантановой камеди от культуральной жидкости можно проводить двухступенчатой фильтрацией, причём сначала фильтрацией на полых волокнах с отделением осадка с молекулярной массой больше или равно 300 кДа, а затем концентрирование ксантановой камеди на полых волокнах с пределом отсечения меньше или равно 100 кДа путём ультрафильтрации фильтрата, полученного на предыдущей стадии. В результате на первой стадии отделяют от культуральной жидкости бактерии, на второй – ксантановую камедь.The separation of xanthan gum from the culture liquid can be carried out by two-stage filtration, and first by filtration on hollow fibers with the separation of a precipitate with a molecular weight of more than or equal to 300 kDa, and then concentration of xanthan gum on hollow fibers with a cut-off limit of less than or equal to 100 kDa by ultrafiltration of the filtrate obtained at the previous stage. As a result, bacteria are separated from the culture liquid at the first stage, and xanthan gum at the second stage.
Отделение ксантановой камеди от образующейся в результате культивирования культуральной жидкости можно проводить путем осаждения одноатомным спиртом или фильтрацией. В рамках заявленного способа предложено использование фильтрации, в частности, двухступенчатой фильтрации, что позволяет усилить технический результат в части повышения выхода продукта относительно осаждения спиртом. Работа со спиртами имеет ряд трудностей, начиная с вредных и опасных факторов работы и заканчивая экономической неэффективностью, которая заключаются в расходе дополнительных компонентов, прекращении жизнедеятельности культуральной жидкости и дополнительное загрязнение остаточным количеством примесей готовой ксантановой камеди.The separation of xanthan gum from the culture liquid formed as a result of cultivation can be carried out by precipitation with monohydric alcohol or by filtration. Within the framework of the claimed method, the use of filtration, in particular, two-stage filtration, is proposed, which makes it possible to enhance the technical result in terms of increasing the yield of the product relative to precipitation with alcohol. Working with alcohols has a number of difficulties, ranging from harmful and hazardous factors of work and ending with economic inefficiency, which consists in the consumption of additional components, the termination of the vital activity of the culture liquid and additional contamination of the finished xanthan gum with residual impurities.
Бактерии Xanthomonas выбирают из группы: Xanthomonas campestris, Xanthomonas axonopodis, Xanthomonas sp., Xanthomonas cynarae, Xanthomonas citri, Xanthomonas euversicatoria, Xanthomonas perforans, Xanthomonas gardneri, Xanthomonas fuscans и Хanthobacter viscosus.Xanthomonas bacteria are selected from the group: Xanthomonas campestris, Xanthomonas axonopodis, Xanthomonas sp., Xanthomonas cynarae, Xanthomonas citri, Xanthomonas euversicatoria, Xanthomonas perforans, Xanthomonas gardneri, Xanthomonas fuschobac and vishoomonas fuschobacteri bacteri.
В частном случае осуществления способа после второй фильтрации дополнительно проводят распылительное высушивание ксантановой камеди. In the particular case of the method, after the second filtration, spray drying of xanthan gum is additionally carried out.
В предпочтительном варианте способа осадок, образовавшийся после первой ультрафильтрации, подают на вторую стадию культивирования.In a preferred embodiment of the method, the precipitate formed after the first ultrafiltration is fed to the second stage of cultivation.
В частном случае осуществления способа культивирование на первой стадии проводят от 24 до 44 часов. В качестве источника углерода могут быть использованы глюкоза в количестве, например, от 2,0 до 3,0 % мас и гидролизат рыбокостной муки в количестве от 2,0 до 6,0% мас, в качестве источника азота могут быть использованы меласса в количестве, например, от 2 до 3% мас. и сульфат аммония в количестве от 0,1 до 0,5% мас., а в качестве минеральных солей м,огут быть использованы гидрофосфат калия и гептагидрат сульфата магния в количестве, например, от около 0,005 до около 0,02% мас. In the particular case of the implementation of the method, the cultivation in the first stage is carried out from 24 to 44 hours. As a carbon source, glucose can be used in an amount, for example, from 2.0 to 3.0% by weight and a hydrolyzate of fish bone meal in an amount from 2.0 to 6.0% by weight; as a nitrogen source, molasses can be used in an amount , for example, from 2 to 3% wt. and ammonium sulfate in an amount from 0.1 to 0.5 wt.%, and as mineral salts, potassium hydrogen phosphate and magnesium sulfate heptahydrate in an amount, for example, from about 0.005 to about 0.02 wt.%, can be used.
В одном из случаев осуществления способа на второй стадии культивирования используют воду с пониженным содержанием дейтерия.In one of the cases of implementation of the method in the second stage of cultivation, water with a reduced deuterium content is used.
Для приготовления питательной среды возможно использование воды с содержанием дейтерия в количестве 10-20 ppm.For the preparation of the nutrient medium, it is possible to use water with a deuterium content of 10-20 ppm.
Технический результат достигается за счёт использования воды с пониженным содержания дейтерия («лёгкой» воды) для питательной среды, при использовании которой происходит повышение роста и выхода посевного материала, что как следствие, приводит к более высокому выходу ксантановой камеди.The technical result is achieved due to the use of water with a reduced deuterium content ("light" water) for the nutrient medium, when using which there is an increase in the growth and yield of inoculum, which, as a result, leads to a higher yield of xanthan gum.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Водород имеет два стабильных изотопа — протий (Н) — 1H и дейтерий (D) — 2H. У кислорода три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O. Содержание воды, состоящей из лёгких стабильных изотопов 1H2 16O («лёгкой воды», в отличие от содержащей повышенное количество тяжелого изотопа водорода 2H «тяжёлой воды») в природной воде составляет 99,73 — 99,76 мол.%. Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1H2 16O является предельным случаем изотопной чистоты. Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. В природной воде весовая концентрация тяжёлых изотопологов может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой, например, с содержанием минеральных солей. Изотопологи отличаются друг от друга по физическим, химическим и биологическим свойствам. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о различии физико-химических свойств легкой воды и деионизированной воды природного изотопного состава [V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15-25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8-13]. В наибольшей степени эффекты лёгкой воды проявляются на биологических объектах, для которых характерны каскадные реакции. Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений её изотопного состава. Лёгкая (обогащенная Н или обедненная D) вода обладает высокой биологической активностью. A water molecule is made up of two hydrogen atoms and one oxygen atom. Hydrogen has two stable isotopes - protium (H) - 1 H and deuterium (D) - 2 H. Oxygen has three stable isotopes: 16 O, 17 O and 18 O. The content of water, consisting of light stable isotopes 1 H 2 16 O ("Light water", as opposed to containing an increased amount of heavy hydrogen isotope 2 H "heavy water") in natural water is 99.73 - 99.76 mol.%. Light water as a monoisotopic composition 1 H 2 16 O is the limiting case of isotopic purity. Natural water is a multicomponent mixture of isotopologues. In natural water, the weight concentration of heavy isotopologues can reach 2.97 g / kg, which is a significant value comparable, for example, with the content of mineral salts. Isotopologues differ from each other in physical, chemical and biological properties. The results of experimental studies indicate the difference in the physicochemical properties of light water and deionized water of natural isotopic composition [V. Goncharuk, VB Lapshin, TN Burdeinaya, TV Pleteneva, AS Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15-25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8-13]. The effects of light water are most pronounced on biological objects, which are characterized by cascade reactions. The reaction of biosystems when exposed to water can change depending on the quantitative and qualitative changes in its isotopic composition. Light (H-rich or D-depleted) water has a high biological activity.
Известно, что в лёгкой воде изменяется скорость протекания химических реакций, сольватация ионов, их подвижность и т.д. Лёгкая вода оказывает стимулирующее действие на живые системы, существенно повышает их активность, жизнестойкость к различным негативным факторам, репродуктивную деятельность, улучшает и ускоряет обмен веществ [патент РФ 2438765]. Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава воды. На разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод, полученных с помощью различных технологических процессов, относящихся к категории изотопно-легких, со сниженной в той или иной мере по сравнению с исходной концентрацией дейтерия. Т.е. количественные и качественные показатели изотопного состава воды существенным образом отражаются на ее эффективности при использовании воды в качестве растворителя или ингредиента.It is known that in light water the rate of chemical reactions, the solvation of ions, their mobility, etc. change. Light water has a stimulating effect on living systems, significantly increases their activity, resistance to various negative factors, reproductive activity, improves and accelerates metabolism [RF patent 2438765]. The reaction of biosystems when exposed to water can change depending on the quantitative and qualitative changes in the isotopic composition of water. At different objects, positive biological activity of waters obtained using various technological processes belonging to the category of isotope-lungs, with a decrease in one way or another in comparison with the initial concentration of deuterium, was recorded. Those. quantitative and qualitative indicators of the isotopic composition of water significantly affect its efficiency when using water as a solvent or ingredient.
В рамках заявленного изобретения вода с пониженным содержанием дейтерия используется как основа питательной среды на первой стадии культивирования бактерий и приводит к значительно росту бактерий.Within the scope of the claimed invention, deuterium-depleted water is used as the basis of the nutrient medium in the first stage of bacterial cultivation and leads to significant bacterial growth.
На фиг. 1 приведен график, наглядно показывающий увеличение выхода бактерий Xanthomonas при времени культивирования в течении 24-44 часов на первой стадии с использованием воды, обедненной дейтерием.FIG. 1 is a graph clearly showing the increase in the yield of Xanthomonas bacteria with a cultivation time of 24-44 hours in the first stage using deuterium-depleted water.
Ксантановая камедь (ксантан) — химическое соединение полисахарид (C35H49O29)n. Свойства ксантана регулируют изменяя условия жизни бактерий. Главная цепь полимера идентична молекуле целлюлозы. Ответвления представляют собой остатки молекул глюкозы, маннозы, глюкуроновой кислоты, а также пировинограднокислые (пируватные) и ацетильные группы. Число пируватных групп определяет вязкость водных растворов ксантана. Поскольку ксантановая камедь является микробиологическим продуктом, его характеристики в большой степени зависят от микроорганизмов-продуцентов. Изменяя условия их жизнедеятельности можно регулировать молекулярную массу и свойства ксантана. Xanthan gum (xanthan) is a chemical compound polysaccharide (C 35 H 49 O 29 ) n . Xanthan's properties regulate the changing living conditions of bacteria. The polymer backbone is identical to the cellulose molecule. Branches are residues of glucose, mannose, glucuronic acid molecules, as well as pyruvic acid (pyruvate) and acetyl groups. The number of pyruvate groups determines the viscosity of aqueous solutions of xanthan. Since xanthan gum is a microbiological product, its characteristics are highly dependent on the producing microorganisms. By changing the conditions of their life, it is possible to regulate the molecular weight and properties of xanthan.
Влияние использования воды с пониженным содержанием дейтерия на технический результат обусловлено высокими скоростями образования и разрыва водородных связей при культивировании бактерий. Влияние легкой воды на жизнедеятельность бактерий оказывает влияние также и на физико-химические свойства ксантана, что позволяет получить повышенный выход ксантана определенной молекулярной массы при отделении методом фильтрации.The effect of using water with a low deuterium content on the technical result is due to the high rates of formation and breaking of hydrogen bonds during the cultivation of bacteria. The effect of light water on the vital activity of bacteria also influences the physicochemical properties of xanthan, which makes it possible to obtain an increased yield of xanthan of a certain molecular weight when separated by filtration.
Использование лёгкой воды на второй стадии культивирования оказывает дополнительное влияние на процесс культивирования бактерий и образующуюся ксантановую камедь.The use of light water in the second stage of cultivation has an additional effect on the process of cultivation of bacteria and the resulting xanthan gum.
Дополнительно при использовании воды с пониженным содержанием дейтерия на второй стадии культивирования совместно с условиями проведения первой стадии культивирования, наблюдается увеличение выхода ксантана с определенной молекулярной массой в пределах от 100 до 300 кДа и изменение физико-химических свойств полученной ксантантановой камеди. Additionally, when using water with a reduced deuterium content in the second stage of cultivation together with the conditions for the first stage of cultivation, an increase in the yield of xanthan with a certain molecular weight in the range from 100 to 300 kDa and a change in the physicochemical properties of the obtained xanthan gum are observed.
За счёт использования двухступенчатой фильтрации обеспечивается непрерывность процесса производства, т.к. живые бактерии культуры Xanthomonas возвращаются в процесс ферментации – на вторую стадию культивирования. В изобретении использование двухступенчатой фильтрации на полых волокнах разных размеров позволяет не только отделить штамм для последующего использования, но также провести отделение конечного продукта с обеспечением более высокой степени чистоты конечного продукта. В изобретении используется ультрафильтрация ксантановой камеди, отделяя бактерии от полисахарида: по завершении процесса ферментации из культуральной жидкости фильтром на полых волокнах с размером пор 300 кДа в качестве осадка отделяются бактерии, а фильтрат подается на такого же типа фильтр с размером пор 100 кДа. За счёт использования фильтров с размером пор 100 кДа, на котором осадком является концентрат полисахаридов с более высокой молекулярной массой, обеспечивается снижение концентрации низкомолекулярных метаболитов, которые поступают в фильтрат, что позволяет говорить о повышении чистоты конечного готового продукта. The use of two-stage filtration ensures the continuity of the production process. live bacteria of the Xanthomonas culture return to the fermentation process - to the second stage of cultivation. In the invention, the use of two-stage filtration on hollow fibers of different sizes allows not only to separate the strain for subsequent use, but also to carry out the separation of the final product, ensuring a higher degree of purity of the final product. In the invention, ultrafiltration of xanthan gum is used, separating bacteria from the polysaccharide: at the end of the fermentation process, bacteria are separated from the culture liquid by a hollow fiber filter with a pore size of 300 kDa, and the filtrate is fed to the same type of filter with a pore size of 100 kDa. Due to the use of filters with a pore size of 100 kDa, on which the precipitate is a concentrate of polysaccharides with a higher molecular weight, a decrease in the concentration of low molecular weight metabolites that enter the filtrate is ensured, which allows us to speak of an increase in the purity of the final finished product.
Экспериментальным путём подобраны фильтрационные элементы – полые волокна, которые имеют дополнительное преимущество по обеспечению контролируемости процесса. Использование ультрафильтрации на полых волокнах позволяет выделить полисахарид без применения спиртов и сделать процесс непрерывным.Filtration elements - hollow fibers were selected experimentally, which have an additional advantage in ensuring the controllability of the process. The use of ultrafiltration on hollow fibers makes it possible to isolate the polysaccharide without the use of alcohols and to make the process continuous.
Изобретение поясняется графиком, представленным на фиг. 1, поясняющий влияние использования воды, обедненной дейтерием, на концентрацию бактерий в культуральной среде, где 1 – рост клеток при использовании обычной воды для питательной среды, 2 – рост клеток при использовании воды с пониженным содержанием дейтерия (10 ppm). Из графика наглядно виден значительный рост количества бактерий при уменьшении содержания дейтерия в воде.The invention is illustrated by the graph shown in FIG. 1, explaining the effect of using deuterium-depleted water on the concentration of bacteria in the culture medium, where 1 - cell growth when using ordinary water for the culture medium, 2 - cell growth when using water with a reduced deuterium content (10 ppm). The graph clearly shows a significant increase in the number of bacteria with a decrease in the content of deuterium in water.
Синтез ксантановой камеди согласно настоящему изобретению описан ниже. The synthesis of xanthan gum according to the present invention is described below.
Для культивирования в колбы вносят синтетическую питательную среду в количестве, составляющем 1/5 объёма колбы. Синтетическая питательная среда представляет собой мясо-пептидный бульон (ГОСТ 20730-75. Питательные среды. Мясо-пептидный бульон, включающий Пептон ферментативный, экстракт мясной и натрия хлорид), разбавленный водой с пониженным содержанием дейтерия (20 об. % питательного бульона и 80 об. % воды). При необходимости стандартный синтетический бульон может быть обогащен углеводами, солями. Посевным материалом является штамм Xanthomonas campestris ВКМ-615. Доза на колбу составляет 106 клеток/см3. Микробные культуры штаммов выращивают при температуре (32±1)°С в течение (48±4)ч с постоянным механическим перемешиванием. Питательную среду в количестве 50 см3 вносят в колбы емкостью 250 см3, и 100 см3 - в колбы 750 см3. Засевают колбы, концентрация клеток в начальной стадии культивирования должна составлять не менее 106 клеток/см3. Культивирование ведется при (32+2,0)°С, в режиме 150-160 об/мин, в течение (32±4) ч. По окончании процесса культивирования оценивают прирост биомассы путем определения общего количества микробных клеток, в случае необходимости - количества жизнеспособных клеток методом определения концентрации колониеобразующих единиц (КОЕ). Ориентировочно общее количество (5-7)*109 клеток/мл.For cultivation, a synthetic nutrient medium is introduced into the flasks in an amount equal to 1/5 of the volume of the flask. The synthetic nutrient medium is a meat-peptide broth (GOST 20730-75. Nutrient media. Meat-peptide broth, including enzymatic peptone, meat extract and sodium chloride), diluted with water with a reduced deuterium content (20 vol.% Nutrient broth and 80 vol. . % water). If necessary, a standard synthetic broth can be enriched with carbohydrates, salts. The seed is the Xanthomonas campestris strain VKM-615. The dose per flask is 106 cells / cm3... Microbial cultures of strains are grown at a temperature of (32 ± 1) ° С for (48 ± 4) h with constant mechanical stirring. Culture medium in the amount of 50 cm3 introduced into flasks with a capacity of 250 cm33, and 100 cm3- in flasks 750 cm3... Flasks are inoculated, the concentration of cells in the initial stage of cultivation should be at least 106 cells / cm3... Cultivation is carried out at (32 + 2.0) ° С, in the mode of 150-160 rpm, for (32 ± 4) hours. At the end of the cultivation process, the biomass growth is assessed by determining the total number of microbial cells, if necessary, the number viable cells by the method of determining the concentration of colony-forming units (CFU). Approximate total number (5-7) * 10nine cells / ml.
В целях сопоставления были проведены эксперименты, в которых состав обеих питательных сред был идентичен друг другу, за исключением воды, состав оборудования и технологии приготовления посевного бактериального материала также были идентичны.For comparison purposes, experiments were carried out in which the composition of both nutrient media was identical to each other, with the exception of water, the composition of the equipment and the technology for preparing the inoculum of the bacterial material were also identical.
Концентрация дейтерия в воде определялась методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Результаты по подготовке культуры на питательной среде с различной водой: на обычной воде с концентрацией дейтерия 156 ppm (опыт 1) и на воде с концентрацией дейтерия 10 рpm (опыт 2) показаны на фигуре 1, где отображены зависимости концентрации клеток (роста посевного материала (штамм Xanthomonas campestris ВКМ-615) во времени. Показана интенсификация процесса роста клеток при использовании воды, обедненной дейтерием, в качестве основы для питательной среды при подготовке культуры.The concentration of deuterium in water was determined by the method of nuclear magnetic resonance (NMR). The results of culture preparation on a nutrient medium with different water: on ordinary water with a deuterium concentration of 156 ppm (experiment 1) and on water with a deuterium concentration of 10 ppm (experiment 2) are shown in figure 1, which shows the dependences of the cell concentration (growth of inoculum ( strain Xanthomonas campestris VKM-615) in time The intensification of the process of cell growth when using deuterium-depleted water as the basis for the nutrient medium during the preparation of the culture is shown.
Повышение количества клеток в посевном материале приводит также к увеличению выхода продукта – ксантановой камеди.An increase in the number of cells in the inoculum also leads to an increase in the yield of the product - xanthan gum.
Полученный на лёгкой воде посевной материал ввели в биореактор, содержащий необходимую питательную среду оптимального состава, в котором поддерживаются заданные условия для аэробного продуцирования бактериями внеклеточной ксантановой камеди. The inoculum obtained in light water was introduced into a bioreactor containing the necessary nutrient medium of optimal composition, in which the specified conditions are maintained for the aerobic production of extracellular xanthan gum by bacteria.
Ферментёр заполняется водой, обедненной дейтерием, в количестве 75 литров. Далее в него последовательно добавляются следующие компоненты для формирования питательной среды для выращивания культуры ксантановых бактерий: Меласса -500 г, Глюкоза - 700 г. 50% раствора, панкреатический гидролизат рыбы (рыбной муки) - 500 г., K2HPO4 – гидрофосфат калия - 100 г., дрожжевой экстракт - 125 г. (0,5 заводской баночной упаковки), пеногаситель (подсолнечное масло) - 5-10 мл., (NH4)2SO4*6H2O (гексагидрат сульфата аммония) - 250 грамм, MgSO4*7H2O (гептагидрат сульфата магния) - 15-20 г, NaOH (гидроксид натрия, иное название каустическая сода) - 50 г.The fermenter is filled with 75 liters of deuterium-depleted water. Further, the following components are successively added to it to form a nutrient medium for growing a culture of xanthan bacteria: Molasses -500 g, Glucose - 700 g. 50% solution, pancreatic hydrolyzate of fish (fish meal) - 500 g, K 2 HPO 4 - potassium hydrogen phosphate - 100 g, yeast extract - 125 g (0.5 factory can pack), defoamer (sunflower oil) - 5-10 ml., (NH 4 ) 2 SO 4 * 6H2O (ammonium sulfate hexahydrate) - 250 grams, MgSO 4 * 7H 2 O (magnesium sulfate heptahydrate) - 15-20 g, NaOH (sodium hydroxide, another name for caustic soda) - 50 g.
Подготовленный ферментёр с питательной средой закрывается крышкой, посуда с компонентами питательной среды (50% водные растворы NaOH и глюкозы) помещаются в автоклав и обрабатываются в соответствии с требованиями. The prepared fermenter with the culture medium is closed with a lid, the dishes with the components of the culture medium (50% aqueous solutions of NaOH and glucose) are placed in an autoclave and processed in accordance with the requirements.
Ферментация проводится при следующих условиях. Температура ферментации 300С, рН =7,2-7,5. Число оборотов магнитной мешалки 150 об/мин. Поддержание рН осуществляется 50% раствором NaOH. Углеводная подпитка 50% раствором глюкозы. Проводится контроль оптической плотности и вязкости культивируемого раствора. Время ферментации 72 часа.Fermentation is carried out under the following conditions.
При достижении необходимой концентрации клеток подключается фильтр на полых волокнах с порами на 300 кДа МР-2М-300 для отделения ксантановой камеди и возврата бактерий Xanthomonas campestris обратно в ферментёр для продолжения процесса наращивания ксантана. Отделённая ксантановая камедь при вязкости 350 сПз передаётся на второй этап очистки - при давлении 1,5 атм фильтруется через фильтр на полых волокнах с порами 100 кДа УФМ-2М-100. Далее отделённый ксантан при вязкости 1800 сПз высушивают на распылительной сушилке при 80°C до постоянной массы. Количество ксантана определено весовым методом. Выход сухого ксантана составляет 51,5 г/л.When the required cell concentration is reached, a hollow fiber filter with pores of 300 kDa MP-2M-300 is connected to separate the xanthan gum and return the Xanthomonas campestris bacteria back to the fermenter to continue the xanthan growth process. The separated xanthan gum with a viscosity of 350 cps is transferred to the second stage of purification - at a pressure of 1.5 atm, it is filtered through a hollow fiber filter with pores of 100 kDa UFM-2M-100. Further, the separated xanthan with a viscosity of 1800 cps is dried in a spray dryer at 80 ° C to constant weight. The amount of xanthan was determined by the gravimetric method. The dry xanthan gum yield is 51.5 g / l.
Полученный ксантан подвергается выходному контролю в соответствии с показателями отрасли, где он планируется к использованию.The resulting xanthan gum is subjected to final control in accordance with the indicators of the industry where it is planned to be used.
В случае использования двухступенчатой фильтрации процесс наработки ксантана может продолжаться неограниченно долго при сохранении и защите среды от контаминации посторонней микрофлорой.In the case of using two-stage filtration, the xanthan production process can continue indefinitely while maintaining and protecting the environment from contamination by extraneous microflora.
Также возможно отделение полученной культуральной жидкости одноатомным спиртом. Для этого полученную культуральную жидкость обрабатывали на центрифуге в течение 30 минут при 8000 об/мин для отделения бактерий. Для осаждения ксантана в супернатант (надосадочная жидкость) добавляли этиловый спирт в соотношении 1:2, затем смесь выдерживали в холодильнике при 4°C в течение 24 часов. Далее осажденный ксантан при вязкости 1560 сПз высушивают при 80°C до постоянной массы. Количество ксантана определено весовым методом. Выход сухого ксантана составляет 11,6 г/л.It is also possible to separate the obtained culture liquid with monohydric alcohol. For this, the resulting culture fluid was centrifuged for 30 minutes at 8000 rpm to separate bacteria. To precipitate xanthan in the supernatant (supernatant), ethyl alcohol was added in a ratio of 1: 2, then the mixture was kept in a refrigerator at 4 ° C for 24 hours. Next, the precipitated xanthan with a viscosity of 1560 cps is dried at 80 ° C to constant weight. The amount of xanthan was determined by the gravimetric method. The dry xanthan gum yield is 11.6 g / l.
Таким образом, процесс наработки ксантана может продолжаться неограниченно долго при сохранении и защите среды от контаминации посторонней микрофлорой. При сравнении технологий осаждения спиртом и ультрафильтрацией, разница в выходе продукта по сухому ксантану более чем в 4 раза (11,6 г/л со спиртом и 51,5 г/л с применением лёгкой воды и ультрафильтрации).Thus, the process of xanthan production can continue indefinitely while maintaining and protecting the environment from contamination by extraneous microflora. When comparing precipitation technologies with alcohol and ultrafiltration, the difference in the product yield for dry xanthan is more than 4 times (11.6 g / l with alcohol and 51.5 g / l with light water and ultrafiltration).
Представленные примеры иллюстрируют заявленный способ и подтверждают достижение технического результата при реализации способа, который обеспечивается за счет использования воды с пониженным содержанием дейтерия при культивировании, а также отражают усиление технического результата при отделении ксантановой камеди методом фильтрации.The presented examples illustrate the claimed method and confirm the achievement of the technical result when implementing the method, which is ensured by using water with a reduced deuterium content during cultivation, and also reflect the enhancement of the technical result when separating xanthan gum by filtration.
Claims (12)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124723A RU2746229C1 (en) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Method for producing xanthan gum |
PCT/RU2021/050212 WO2022019807A1 (en) | 2020-07-24 | 2021-07-13 | Method for producing xanthan gum |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124723A RU2746229C1 (en) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Method for producing xanthan gum |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2746229C1 true RU2746229C1 (en) | 2021-04-09 |
Family
ID=75353478
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020124723A RU2746229C1 (en) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Method for producing xanthan gum |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2746229C1 (en) |
WO (1) | WO2022019807A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117286082B (en) * | 2023-11-24 | 2024-01-30 | 内蒙古工业大学 | Xanthomonas campestris and method for producing low-viscosity xanthan gum by fermentation |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4299825A (en) * | 1980-07-03 | 1981-11-10 | Celanese Corporation | Concentrated xanthan gum solutions |
RU2547006C2 (en) * | 2010-08-31 | 2015-04-10 | СиПи КЕЛКО Ю.Эс., ИНК. | Fast-hydrating high-viscosity xanthan gum |
RU2639557C1 (en) * | 2017-09-27 | 2017-12-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Технический Центр "Биотех" | Xanthomonas campestris bacteria strain - xanthan producer |
-
2020
- 2020-07-24 RU RU2020124723A patent/RU2746229C1/en active
-
2021
- 2021-07-13 WO PCT/RU2021/050212 patent/WO2022019807A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4299825A (en) * | 1980-07-03 | 1981-11-10 | Celanese Corporation | Concentrated xanthan gum solutions |
RU2547006C2 (en) * | 2010-08-31 | 2015-04-10 | СиПи КЕЛКО Ю.Эс., ИНК. | Fast-hydrating high-viscosity xanthan gum |
RU2639557C1 (en) * | 2017-09-27 | 2017-12-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Технический Центр "Биотех" | Xanthomonas campestris bacteria strain - xanthan producer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2022019807A1 (en) | 2022-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPS6047694A (en) | Production of xanthomonus heteropolysaccharide and heteropolysaccharide prepared therefrom and use thereof | |
RU2464307C1 (en) | Gluconacetobacter hansenii gh-1/2008 bacterial strain - bacterial cellulose producer | |
US11866756B2 (en) | Methods for co-producing erythritol and arabinose by using xylose mother liquor | |
RU2746229C1 (en) | Method for producing xanthan gum | |
CN107267422B (en) | Comamonas testosteroni HHALA-001 and method for producing L-alanine by using same | |
CN117126898B (en) | Process for preparing valine by biotechnology | |
CN113321580B (en) | Method for producing malic acid | |
CN102220396B (en) | Simple fermentation method for acarbose | |
CN115125278B (en) | Feed supplement liquid for producing polysialic acid and preparation method of polysialic acid | |
US10907223B2 (en) | Method to produce a polysaccharide gel by increasing the pH of the polysaccharide | |
CN106591401B (en) | Fermentation promoter for increasing yield of gentamicin C1a and addition method thereof | |
CN116179356A (en) | Method for high-density heterotrophic culture of chlamydomonas reinhardtii and application thereof | |
JPS59227294A (en) | Pseudomonas microorganism and use thereof | |
Rosalam et al. | Cell free xanthan gum production using continuous recycled packed fibrous-bed bioreactor-membrane | |
NZ198239A (en) | Two-stage production of ethanol by fermentation | |
CN109321613B (en) | Method for producing D-mannose | |
KR101204971B1 (en) | Methods for Purifying Lactic Acid from Lactic Acid Fermented Broth Comprising Ammonium Lactate | |
CN106893749B (en) | Method for improving hyaluronic acid yield by externally adding metabolite in fermentation process | |
JP4303526B2 (en) | (-)-2-Deoxy-shiro-inosose production method | |
RU2661792C2 (en) | Biotechnological method of obtaining lactic acid | |
US8445042B2 (en) | Xanthan gum production from sugarcane fluids | |
CN101294178A (en) | Method for improving hyaluronic acid volume of production of fermentation production with two-stage cultivation method | |
RU2404247C2 (en) | Method of obtaining butanol | |
Barber et al. | The production of free sulphur from l-cystine by a soil bacterium | |
CN115678925A (en) | Preparation method of calcium propionate |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20220420 |