WO1998016624A1 - Method of cultivating biomass - Google Patents

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WO1998016624A1
WO1998016624A1 PCT/DE1997/002277 DE9702277W WO9816624A1 WO 1998016624 A1 WO1998016624 A1 WO 1998016624A1 DE 9702277 W DE9702277 W DE 9702277W WO 9816624 A1 WO9816624 A1 WO 9816624A1
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methanol
cultivation
stage
cultivation stage
concentration
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PCT/DE1997/002277
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Inventor
Olaf Lehmann
Christiane Berndt
Klaus-Dieter Menzel
Dominik Driesch
Christian Wulfes
Toralf Gliem
Arnulf Christner
Matthias Hilliger
Karl Miersch
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Buna Sow Leuna Olefinverbund Gmbh
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00Microorganisms, 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
    • C12N1/32Processes using, or culture media containing, lower alkanols, i.e. C1 to C6

Definitions

  • the invention is used in the cultivation of methylotrophic microorganisms on the carbon substrate methanol and can be used both in research and in industry.
  • Methanol as a carbon source is an inexpensive substrate, which is also a waste product.
  • methanol has a growth-inhibiting effect if it acts on the microorganisms in higher concentrations and / or over a long period. The reason for this presumably lies in the formation of toxic intermediates, e.g. B. formaldehyde, and their accumulation with excess methanol. Concentrations greater than 0.5 g / l must already be considered as excess methanol.
  • Conventional fed-batch processes in which a larger amount of the C substrate is placed in the culture medium and added or supplemented after it has been consumed, can therefore hardly be used.
  • Methylobacterium it is not possible to cultivate Methylobacterium at a permanent methanol concentration of 0.5 - 10 g / l for a longer period than 20 - 30 h without stagnating growth.
  • Methods are therefore known in which the concentration of the methanol is determined by constant measurement and is kept at values below 0.5 g / l by cyclic or continuous additions. These processes require a high level of human and technical effort.
  • the invention has for its object to develop a method for growing methylotrophic microorganisms on the substrate methanol with a large increase in mass of the starting material (inoculated preserves, shake cultures).
  • the cultivation is to be carried out in stirred and ventilated fermenters and the biomass is to be used to form cellular products or storage materials.
  • the microorganisms are grown in stirred and aerated bioreactors in a k-stage fed-batch process, the average methanol concentration decreasing from stage to stage by the cultivation stage (k-2) with excess methanol, the cultivation stage (k-1) in first section with excess methanol and then with methanol rate limitation and the cultivation step (k) from the beginning under methanol rate limitation.
  • Rate limitation is a state in which the rate of the inflowing methanol is equal to the rate of the methanol consumed by the culture and there is no accumulation of methanol in the culture medium.
  • the cultivation method according to the invention can be carried out in such a way that, before the cultivation stage (k-2), further cultivation stages are carried out, which are carried out according to the same cultivation principle of the cultivation stage (k-2). Consequently In the case of multi-stage cultivation, the cultivation process always takes place in the last three cultivation stages - in those with the highest mass increase - according to the process steps according to the invention.
  • the average methanol concentration in the cultivation stage (k-2) is 2 to 6, preferably 2.5 g / l, in the cultivation stage (k-1) 0.5 to 2, preferably 1 g / l and in the cultivation stage (k ) 0 to 0.5 g / l.
  • the cultivation is carried out in all stages while avoiding growth oxygen limitation; a decrease in the dissolved oxygen concentration below 10% of the saturation concentration is avoided by known measures.
  • methanol is added to the culture medium before the inoculation in an amount of 2 to 10, preferably 3 to 6 g / l. Then the inoculation is carried out with a microorganism culture from shake cultures, canned vaccines or with culture solution, which was taken from one of the subsequent stages.
  • the cultivation is carried out at a constantly regulated pH with stirring and aeration until a biomass concentration sufficient for the inoculation of the cultivation stage (k-1) is reached.
  • proportioning to the alkali metered in via the pH control is metered in in a ratio of 7 to 10, preferably 8.5, mol of methanol to 1 mol of alkali.
  • An alkali can be, for example, NaOH, KOH or NH 4 OH, although divalent alkalis can also be used.
  • This ratio dosage can also be achieved by carrying out the titration with a mixture which contains 7 to 10 moles of methanol and at least 0.3 liters of water per mole of lye. It has been found that the concentration of methanol in the culture medium is almost constant or slightly decreasing over a longer period of time. The cultivation is stopped before the methanol reaches a very low, growth-limiting concentration. Thus, the cultivation in this stage is carried out continuously with methanol shot at a maximum specific growth rate corresponding to the other cultivation conditions (temperature, pH, etc.).
  • methanol is added to the culture medium before the inoculation in an amount of 2 to 10, preferably 3 to 6 g / l. Then the inoculation is carried out with the complete culture solution from the cultivation stage (k-2), or with part of it.
  • the cultivation is carried out at a constantly regulated pH with stirring and aeration until a biomass concentration sufficient for the inoculation of the following cultivation stage (k) is reached.
  • an initially constant methanol dosage of 0.5 to 1.5, preferably 0.8 grams of methanol per liter of culture solution and hour is started.
  • the flow rate of this dosage can be increased by a factor of 1.5 to 10, preferably 3 to 4, until the end of the second cultivation stage. It was found in this procedure that there is an excess of methanol until about 8 to 15 hours after the inoculation and then that the methanol is consumed by reducing its concentration to a growth-limiting value close to 0. Furthermore, the growth of the culture is limited in methanol, that is to say that the amount of methanol flowing in is used up immediately and there is no accumulation of methanol in the culture medium. The amount of the methanol inflow rate determines the growth rate and the achievable biomass concentration.
  • the inoculation is carried out with the complete culture solution from the cultivation stage (k-1) or with a part thereof.
  • the cultivation is carried out at a constantly controlled pH with stirring and aeration until a sufficient biomass concentration is reached.
  • the methanol supply of the last cultivation stage (k) is carried out from the beginning as a continuous dosage, the inflow rate of the methanol being so is chosen that a flow equilibrium called rate limitation is established.
  • methanol addition of 0.05 to 1.05, preferably 0.2 to 0.4 g of methanol per g of biomass (dry matter) and hour.
  • a dosage can be implemented, for example, by increasing the rate of the methanol feed in the same time units by the same factor in the range of approximately 1.1 to 1.7 per hour (exponential profile).
  • the methanol dosage is only increased to such an extent that, given the maximum values for aeration, stirrer speed and fermenter pressure, the dissolved oxygen value does not fall below 10% of the saturation concentration.
  • Figures 1 - 3 show the course of the biomass growth, the alkali / methanol mixture or the methanol dosage, the methanol concentration and the p ⁇ 2 value in the 3 cultivation stages described.
  • Figure 1 1st cultivation level (k-2)
  • Figure 2 2nd cultivation level (k-1)
  • Figure 3 3rd cultivation level (k)
  • a biomass of approx. 42 kg dry matter is required on the C-substrate methanol in order to initiate the product formation process at a biomass concentration of approx. 20 g / l (dry matter) in a 4000 liter fermenter with a 2100 liter filling volume.
  • a mineral salt medium is used as the culture medium, which in the 1st stage contains all required mineral salts and trace elements for biomass growth up to 5 g / l (dry matter), in the 2nd stage all required mineral salts and trace elements except nitrogen for biomass growth up to 10 g / l l (dry matter) and in level 3 contains all required mineral salts and trace elements except nitrogen for biomass growth up to 30 g / l (dry matter).
  • 0.1 ml / l polypropylene glycol (PPG) is added to the medium before sterilization, further additions of this defoamer are carried out during the fermentation if necessary.
  • the cultivation takes place in all stages at a temperature of 31 - 32 ° C, an aeration rate of 0.4 to 0.6 vvm and an overpressure of 200 - 600 mbar as well as a constantly regulated pH value of 6.7 to 6.8 .
  • the first cultivation stage in the 30 l fermenter begins with the inoculation of the medium from a shaking culture carried out for 25 hours at 32 ° C., consisting of 6 shaking bottles with a filling volume of 400 ml each. A biomass starting concentration of 0.1 g / l (dry mass) is thus achieved. Before the inoculation, an amount of 60 g of methanol corresponding to 3 g / l is added to the culture medium. A mixture consisting of 75 ml of 45% sodium hydroxide solution, 427.5 ml of methanol and 475 ml of fully demineralized water is used to regulate the pH. Increasing the stirrer speed prevents the pO value from dropping below 20% of the saturation concentration.
  • the cultivation is ended at a biomass concentration of approx. 4 g / l (dry matter).
  • the methanol concentration at the end of the cultivation is 2 g / l.
  • the second cultivation stage begins with a biomass starting concentration of approx. 0.4 g / l (dry matter).
  • an amount of 600 g of methanol corresponding to 3 g / l is added to the culture medium.
  • 25% ammonium hydroxide solution is used to regulate the pH.
  • Increasing the stirrer speed prevents the pO 2 value from dropping below 20% of the saturation concentration.
  • the third cultivation stage begins with a biomass starting concentration of approx. 1 g / l (dry matter). 25% ammonia solution is used to regulate the pH.
  • the culture is now supplied with methanol exclusively via continuous metering.
  • the methanol dosage starts with an inflow rate of 600 g / h corresponding to 0.3 g / l and h immediately after the inoculation. From the second hour of cultivation, this inflow rate is increased continuously by a factor of 1.136 per hour. The increase is controlled by a computer every minute, by 0.2134% each.
  • the pO 2 value drops steadily and reaches a value of 30% around the 9th hour of cultivation.
  • the pO 2 value is kept in a range from 30 to 50% by gradually increasing the stirrer speed from 100 to 200 rpm. After reaching the upper stirrer speed of 200 rpm, the pO 2 value drops to 20% by the 23rd cultivation hour. From this point in time, when the inflow rate of the methanol has reached an amount of about 8100 g / h, the pO 2 value is regulated in a range of 10-20% of the saturation concentration via the methanol dosage. The dosage is reduced when the pO 2 value drops below 15% and increased when the pO 2 value rises above 15%.
  • the culture is in the state of methanol rate limitation, as in the second half of stage 2. Only in this way is it possible to react immediately to an increase in the pO 2 value or to reduce the methanol flow rate and thus to avoid oxygen limitation of growth.

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Abstract

Methylotrophic micro-organisms are cultivated in known manner on the carbon substrate, methanol, using continuous measuring and secondary feeding processes in order to restrict the methanol concentration to very low values. According to the invention, a cultivation method comprising a plurality of cultivation stages is carried out in agitated and aerated bioreactors, the average methanol concentration decreasing from one stage to the next owing to suitable feeding methods. To that end, the methanol fed in during the cultivation stage (k-2) is proportional to the alkaline solution added in metered amounts during the regulation of the pH, in the cultivation stage (k-1), as the specific dosage, and in the final cultivation stage (k) first as the specific and then as the pO2-regulated dosage. This method prevents an accumulation of toxic intermediates and avoids the need to measure and regulate the methanol concentration during the entire cultivation period, such that costs are considerably reduced, in particular when the method is applied on an industrial scale.

Description

Verfahren zur Anzucht von BiomasseProcess for growing biomass
Die Erfindung findet Anwendung bei der Anzucht methylotropher Mikroorganismen auf dem Kohlenstoffsubstrat Methanol und kann sowohl in der Forschung wie auch in der Industrie genutzt werden.The invention is used in the cultivation of methylotrophic microorganisms on the carbon substrate methanol and can be used both in research and in industry.
Methanol als Kohlenstoffquelle ist ein preisgünstiges Substrat, welches auch als Abfallprodukt anfällt. Methanol hat jedoch eine wachstumshemmende Wirkung, wenn es in höheren Konzentrationen und/oder über längere Zeit auf die Mikroorganismen einwirkt. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der Entstehung toxischer Intermediate, z. B. Formaldehyd, und deren Anhäufung bei Methanolüberschuß. Als Methanolüberschuß müssen hierbei bereits Konzentrationen größer als 0,5 g/l betrachtet werden. Übliche fed-batch Verfahren, wobei eine größere Menge des C- Substrates im Kulturmedium vorgelegt und nach dessen Verbrauch nachgefüttert bzw. ergänzt wird, sind daher kaum anwendbar. So ist es beispielsweise nicht möglich, eine Kultivierung von Methylobacterium bei einer dauerhaften Methanol- konzentration von 0,5 - 10 g/l über einen längeren Zeitraum als 20 - 30 h durchzuführen, ohne daß Wachstumsstagnationen auftreten. Es sind daher Verfahren bekannt, bei denen die Konzentration des Methanols durch ständige Messung erfaßt und durch zyklische oder kontinuierliche Zugaben auf Werten unter 0,5 g/l gehalten wird. Diese Verfahren erfordern einen hohen personellen und technischen Aufwand.Methanol as a carbon source is an inexpensive substrate, which is also a waste product. However, methanol has a growth-inhibiting effect if it acts on the microorganisms in higher concentrations and / or over a long period. The reason for this presumably lies in the formation of toxic intermediates, e.g. B. formaldehyde, and their accumulation with excess methanol. Concentrations greater than 0.5 g / l must already be considered as excess methanol. Conventional fed-batch processes, in which a larger amount of the C substrate is placed in the culture medium and added or supplemented after it has been consumed, can therefore hardly be used. For example, it is not possible to cultivate Methylobacterium at a permanent methanol concentration of 0.5 - 10 g / l for a longer period than 20 - 30 h without stagnating growth. Methods are therefore known in which the concentration of the methanol is determined by constant measurement and is kept at values below 0.5 g / l by cyclic or continuous additions. These processes require a high level of human and technical effort.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen die Methanolkonzentration durch den Einsatz einer in-situ-Methanolsonde auf niedrigen Werten geregelt wird. Suzuki et. al. [Appl. Microbiol. Biotechnol. (1986) 24, S 370 - 374] regeln die Methanolkonzentration bei 0,5 ± 0,2 g/l. Dazu nutzen sie eine Methanolsonde, die aus einer porösen Teflonmembran und einem Flammenionisationsdetektor besteht. Der PID-Regler für die Methanoldosage wird auf einem PC implementiert. Über die (^-Konzentration im Abgas, die über eine Abgasanalyse bestimmt wird, werden die Regelparameter für die Regelung der Methanoldosage abgeschätzt. Pomerleau et. al. (Preprints of the 6th Int. Conference on Computer Applications in Biotechnology, Garmisch-Partenkirchen, Germany, May 14-17, 1995) benutzen im Prinzip die gleiche Anordnung, geben jedoch nicht an, welche Methanolsonde sie benutzen.Methods are also known in which the methanol concentration is regulated at low values by using an in-situ methanol probe. Suzuki et. al. [Appl. Microbiol. Biotechnol. (1986) 24, S 370 - 374] regulate the methanol concentration at 0.5 ± 0.2 g / l. To do this, they use a methanol probe consisting of a porous Teflon membrane and a flame ionization detector. The PID controller for the methanol dosage is implemented on a PC. The control parameters for controlling the methanol dosage are estimated via the (^ concentration in the exhaust gas, which is determined via an exhaust gas analysis. Pomerleau et. Al. (Preprints of the 6th International Conference on Computer Applications in Biotechnology, Garmisch-Partenkirchen, Germany , May 14-17, 1995) use in In principle, the same arrangement, but do not indicate which methanol probe you use.
Nachteilig an dieser Verfahrensweise sind die hohen Kosten der Sonde, deren nicht hinreichend gesicherte Langzeitstabilität sowie die relativ aufwendigenDisadvantages of this procedure are the high costs of the probe, its insufficiently secured long-term stability and the relatively expensive
Regelstrategien.Control strategies.
Für die industrielle Biomassegewinnung in größeren Maßstäben sind Verfahren erforderlich, bei denen eine Massenvermehrung des mikrobiologischen Ausgangsmaterials (Impfkonserven, Schüttelkulturen) um den Faktor 100 000 oder mehr erfolgt. Diese Massenvermehrungen erfordern mehrstufige Anzuchtprozesse mit möglichst einfacher Verfahrensweise.For the industrial production of biomass on a larger scale, processes are required in which the mass of the microbiological starting material (inoculated preserves, shake cultures) is increased by a factor of 100,000 or more. These mass increases require multi-stage cultivation processes with the simplest possible procedure.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anzucht von methylo- trophen Mikroorganismen auf dem Substrat Methanol mit einer hohen Massenvermehrung des Ausgangsmaterials (Impfkonserven, Schüttelkulturen) zu entwickeln. Die Anzucht soll in gerührten und belüfteten Fermentoren durchgeführt und die Biomasse zur Bildung zellulärer Produkte oder Speicherstoffe genutzt werden.The invention has for its object to develop a method for growing methylotrophic microorganisms on the substrate methanol with a large increase in mass of the starting material (inoculated preserves, shake cultures). The cultivation is to be carried out in stirred and ventilated fermenters and the biomass is to be used to form cellular products or storage materials.
Die Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen 1 - 9 dargestellte Verfahren gelöst. Dazu werden die Mikroorganismen in gerührten und belüfteten Bioreaktoren in einem k-stufigen fed-batch-Prozeß angezüchtet, wobei die durchschnittliche Methanolkonzentration von Stufe zu Stufe abnimmt, indem die Kultivierungsstufe (k-2) unter Methanolüberschuß, die Kultivierungsstufe (k-1 ) im ersten Abschnitt mit Methanolüberschuß und danach mit Methanol-Ratenlimitation und die Kultivierungsstufe (k) von Beginn an unter Methanol-Ratenlimitation geführt wird. Als Ratenlimitation wird hierbei ein Zustand bezeichnet, bei dem die Rate des zufließenden Methanols gleich der Rate des von der Kultur verbrauchten Methanols ist und keine Akkumulation von Methanol im Kulturmedium auftritt. Das erfindungsgemäße Anzuchtverfahren kann so durchgeführt werden, daß vor der Kultivierungsstufe (k-2) weitere Kultivierungsstufen vorgeschaltet sind, welche nach dem gleichen Anzuchtprinzip der Kultivierungsstufe (k-2) durchgeführt werden. Somit erfolgt das Anzuchtverfahren bei mehrstufigen Anzuchten immer in den letzten drei Kultivierungsstufen - in denen mit der höchsten Massenvermehrung - nach den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten.The object is achieved by the method presented in claims 1-9. For this purpose, the microorganisms are grown in stirred and aerated bioreactors in a k-stage fed-batch process, the average methanol concentration decreasing from stage to stage by the cultivation stage (k-2) with excess methanol, the cultivation stage (k-1) in first section with excess methanol and then with methanol rate limitation and the cultivation step (k) from the beginning under methanol rate limitation. Rate limitation is a state in which the rate of the inflowing methanol is equal to the rate of the methanol consumed by the culture and there is no accumulation of methanol in the culture medium. The cultivation method according to the invention can be carried out in such a way that, before the cultivation stage (k-2), further cultivation stages are carried out, which are carried out according to the same cultivation principle of the cultivation stage (k-2). Consequently In the case of multi-stage cultivation, the cultivation process always takes place in the last three cultivation stages - in those with the highest mass increase - according to the process steps according to the invention.
Es wurde gefunden, daß unter dieser Verfahrensweise die wachstumsinhibierende Wirkung des Methanols vermieden wird.It has been found that the growth-inhibiting effect of methanol is avoided using this procedure.
Die durchschnittliche Methanolkonzentration beträgt dabei in der Kultivierungsstufe (k-2) 2 bis 6, vorzugsweise 2,5 g/l, in der Kultivierungsstufe (k-1) 0,5 bis 2, vorzugsweise 1 g/l und in der Kultivierungsstufe (k) 0 bis 0,5 g/l. Die Kultivierung erfolgt in allen Stufen unter Vermeidung von Sauerstofflimitation des Wachstums; ein Absinken der Gelöst-Sauerstoff-Konzentration unter 10 % der Sättigungskonzentration wird durch bekannte Maßnahmen vermieden.The average methanol concentration in the cultivation stage (k-2) is 2 to 6, preferably 2.5 g / l, in the cultivation stage (k-1) 0.5 to 2, preferably 1 g / l and in the cultivation stage (k ) 0 to 0.5 g / l. The cultivation is carried out in all stages while avoiding growth oxygen limitation; a decrease in the dissolved oxygen concentration below 10% of the saturation concentration is avoided by known measures.
In der Kultivierungsstufe (k-2) wird dem Kulturmedium vor der Beimpfung Methanol in einer Menge von 2 bis 10 , vorzugsweise 3 bis 6 g/l zugesetzt. Danach erfolgt die Beimpfung mit einer Mikroorganismenkultur aus Schüttelkulturen, Impfkonserven oder mit Kulturlösung, welche aus einer der Folgestufen entnommen wurde. Die Kultivierung wird bei konstant geregeltem pH-Wert unter Rührung und Belüftung geführt, bis eine für die Beimpfung der Kultivierungsstufe (k-1 ) ausreichende Biomassekonzentration erreicht ist. Zur Nachführung des beim Wachstum verbrauchten Methanols wird proportional zu der über die pH-Regelung zudosierten Lauge in einem Verhältnis von 7 bis 10 , vorzugsweise 8,5 Mol Methanol zu 1 Mol Lauge zudosiert. Eine Lauge kann beispielsweise NaOH, KOH oder NH4OH sein, wobei jedoch auch zweiwertige Laugen werwendet werden können. Diese Verhältnisdosage kann auch dadurch realisiert werden, indem die Titration mit einem Gemisch durchgeführt wird, welches je Mol Lauge 7 bis 10 Mol Methanol und mindestens 0,3 Liter Wasser enthält. Es wurde gefunden , daß dadurch die Konzentration des Methanols im Kulturmedium über einen längeren Zeitraum nahezu konstant bzw. schwach abfallend ist. Die Kultivierung wird beendet, bevor das Methanol eine sehr niedrige, wachstumslimitierende Konzentration erreicht. Somit erfolgt die Kultivierung in dieser Stufe durchgehend unter Methanolüber- schuß bei einer den übrigen Kultivierungsbedingungen (Temperatur, pH-Wert usw.) entsprechenden maximalen spezifischen Wachstumsrate.In the cultivation stage (k-2), methanol is added to the culture medium before the inoculation in an amount of 2 to 10, preferably 3 to 6 g / l. Then the inoculation is carried out with a microorganism culture from shake cultures, canned vaccines or with culture solution, which was taken from one of the subsequent stages. The cultivation is carried out at a constantly regulated pH with stirring and aeration until a biomass concentration sufficient for the inoculation of the cultivation stage (k-1) is reached. To replenish the methanol consumed during growth, proportioning to the alkali metered in via the pH control is metered in in a ratio of 7 to 10, preferably 8.5, mol of methanol to 1 mol of alkali. An alkali can be, for example, NaOH, KOH or NH 4 OH, although divalent alkalis can also be used. This ratio dosage can also be achieved by carrying out the titration with a mixture which contains 7 to 10 moles of methanol and at least 0.3 liters of water per mole of lye. It has been found that the concentration of methanol in the culture medium is almost constant or slightly decreasing over a longer period of time. The cultivation is stopped before the methanol reaches a very low, growth-limiting concentration. Thus, the cultivation in this stage is carried out continuously with methanol shot at a maximum specific growth rate corresponding to the other cultivation conditions (temperature, pH, etc.).
In der Kultivierungsstufe (k-1) wird dem Kulturmedium vor der Beimpfung Methanol in einer Menge von 2 bis 10, vorzugsweise 3 bis 6 g/l zugesetzt. Danach erfolgt die Beimpfung mit der vollständigen Kulturlösung aus der Kultivierungsstufe (k-2), oder mit einem Teil davon. Die Kultivierung wird bei konstant geregeltem pH-Wert unter Rührung und Belüftung geführt, bis eine für die Beimpfung der folgenden Kultivierungsstufe (k) ausreichende Biomassekonzentration erreicht ist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der 1. bis 10. , vorzugsweise 3. bis 7. Kultivierungsstunde wird eine zunächst konstante Methanoldosage von 0,5 bis 1,5 , vorzugsweise 0,8 Gramm Methanol pro Liter Kulturlösung und Stunde gestartet. Die Zuflußrate dieser Dosage kann bis zum Ende der zweiten Kultivierungsstufe um den Faktor 1,5 bis 10 , vorzugsweise 3 bis 4 erhöht werden. Es wurde gefunden, daß bei dieser Verfahrensweise bis etwa 8 bis 15 Stunden nach der Beimpfung Methanolüberschuß vorliegt und danach eine Auszehrung des Methanols erfolgt, indem dessen Konzentration auf einen wachstumslimitierenden Wert nahe 0 absinkt. Im Weiteren erfolgt das Wachstum der Kultur Metha- nol-ratenlimitiert, das heißt, daß die zufließende Methanolmenge sofort verbraucht wird und es zu keiner Akkumulation von Methanol im Kulturmedium kommt. Der Betrag der Methanolzuflußrate bestimmt dabei die Wachstumsgeschwindigkeit und die erreichbare Biomassekonzentration.In the cultivation stage (k-1), methanol is added to the culture medium before the inoculation in an amount of 2 to 10, preferably 3 to 6 g / l. Then the inoculation is carried out with the complete culture solution from the cultivation stage (k-2), or with part of it. The cultivation is carried out at a constantly regulated pH with stirring and aeration until a biomass concentration sufficient for the inoculation of the following cultivation stage (k) is reached. At a certain point in time within the 1st to 10th, preferably 3rd to 7th cultivation hours, an initially constant methanol dosage of 0.5 to 1.5, preferably 0.8 grams of methanol per liter of culture solution and hour is started. The flow rate of this dosage can be increased by a factor of 1.5 to 10, preferably 3 to 4, until the end of the second cultivation stage. It was found in this procedure that there is an excess of methanol until about 8 to 15 hours after the inoculation and then that the methanol is consumed by reducing its concentration to a growth-limiting value close to 0. Furthermore, the growth of the culture is limited in methanol, that is to say that the amount of methanol flowing in is used up immediately and there is no accumulation of methanol in the culture medium. The amount of the methanol inflow rate determines the growth rate and the achievable biomass concentration.
In der letzten Kultivierungsstufe (k) wird dem Kulturmedium vor Beimpfung beziehungsweise am Beginn der Kultivierung kein Methanol zugesetzt. Die Beimpfung erfolgt mit der vollständigen Kulturlösung aus der Kultivierungsstufe (k-1) oder mit einem Teil davon. Die Kultivierung wird bei konstant geregeltem pH-Wert unter Rührung und Belüftung geführt, bis eine ausreichende Biomassekonzentration erreicht ist.In the last cultivation stage (k), no methanol is added to the culture medium before inoculation or at the beginning of the cultivation. The inoculation is carried out with the complete culture solution from the cultivation stage (k-1) or with a part thereof. The cultivation is carried out at a constantly controlled pH with stirring and aeration until a sufficient biomass concentration is reached.
Die Methanolversorgung der letzten Kultivierungsstufe (k) wird von Beginn an als eine kontinuierliche Dosage durchgeführt, wobei die Zuflußrate des Methanols so gewählt wird, daß sich ein als Ratenlimitation bezeichnetes Fließgleichgewicht einstellt.The methanol supply of the last cultivation stage (k) is carried out from the beginning as a continuous dosage, the inflow rate of the methanol being so is chosen that a flow equilibrium called rate limitation is established.
Dies wird erreicht durch eine spezifische Methanolzudosage von 0,05 bis 1 ,05, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 g Methanol pro g Biomasse (Trockenmasse) und Stunde. Eine solche Dosage ist beispielsweise dadurch realisierbar, indem die Rate des Methanolzulaufes in gleichen Zeiteinheiten um immer den gleichen Faktor im Bereich von etwa 1 ,1 bis 1 ,7 pro Stunde gesteigert wird (Exponentialprofil). Die Methanoldosage wird dabei nur so weit erhöht, daß bei gegebenen maximalen Werten von Belüftung, Rührerdrehzahl und Fermenterinnendruck ein Gelöst- Sauerstoffwert von 10% der Sättigungskonzentration nicht unterschritten wird.This is achieved by a specific methanol addition of 0.05 to 1.05, preferably 0.2 to 0.4 g of methanol per g of biomass (dry matter) and hour. Such a dosage can be implemented, for example, by increasing the rate of the methanol feed in the same time units by the same factor in the range of approximately 1.1 to 1.7 per hour (exponential profile). The methanol dosage is only increased to such an extent that, given the maximum values for aeration, stirrer speed and fermenter pressure, the dissolved oxygen value does not fall below 10% of the saturation concentration.
AusführungsbeispielEmbodiment
Die Abbildungen 1 - 3 zeigen den Verlauf des Biomassewachstums, der Laugen- Methanol-Gemisch- bzw. der Methanoldosage, der Methanolkonzentration sowie des pθ2-Wertes in den 3 beschriebenen Kultivierungsstufen.Figures 1 - 3 show the course of the biomass growth, the alkali / methanol mixture or the methanol dosage, the methanol concentration and the pθ2 value in the 3 cultivation stages described.
Abbildung 1 : 1. Kultivierungsstufe (k-2) Abbildung 2: 2. Kultivierungsstufe (k-1 ) Abbildung 3: 3. Kultivierungsstufe (k)Figure 1: 1st cultivation level (k-2) Figure 2: 2nd cultivation level (k-1) Figure 3: 3rd cultivation level (k)
Zur Gewinnung von Polyhydroxybuttersäure mit Metylobakterium spec. auf dem C- Substrat Methanol wird eine Biomasse von ca. 42 kg Trockenmasse benötigt, um im 4000 I-Fermenter mit 2100 I Füllvolumen den Produktbildungsprozeß bei einer Biomassekonzentration von etwa 20 g/l (Trockenmasse) einzuleiten. Zur Gewinnung dieser Menge an Biomasse wird ausgehend von Schüttelkulturen ein 3stufiger aufeinanderfolgender Kultivierungsprozeß (k=3) im 30 I-Fermenter mit 20 I Füllvolumen, im 300 I-Fermenter mit 200 I Füllvolumen und im 4000 I-Fermenter mit 2000 I Anfangs-Füllvolumen durchgeführt. Als Kulturmedium findet ein Mineralsalzmedium Verwendung, welches in der 1. Stufe alle benötigten Mineralsalze und Spurenelemente für ein Biomassewachstum bis 5 g/l (Trockenmasse), in der 2. Stufe alle benötigten Mineralsalze und Spurenelemente außer Stickstoff für ein Biomassewachstum bis zu 10 g/l (Trockenmasse) und in der Stufe 3 alle benötigten Mineralsalze und Spurenelemente außer Stickstoff für ein Biomassewachstum bis zu 30 g/l (Trockenmasse) enthält. Zur Entschäumung werden dem Medium vor der Sterilisation 0,1 ml/l Polypropylenglycol (PPG) zugesetzt, weitere Zugaben dieses Entschäumers erfolgen bedarfsweise während der Fermentation.For the production of polyhydroxybutyric acid with Metylobacterium spec. A biomass of approx. 42 kg dry matter is required on the C-substrate methanol in order to initiate the product formation process at a biomass concentration of approx. 20 g / l (dry matter) in a 4000 liter fermenter with a 2100 liter filling volume. To obtain this amount of biomass, a three-stage successive cultivation process (k = 3) in a 30 l fermenter with a 20 l filling volume, in a 300 l fermenter with a 200 l filling volume and in a 4000 l fermenter with an initial filling volume of 2000 l is carried out from shake cultures carried out. A mineral salt medium is used as the culture medium, which in the 1st stage contains all required mineral salts and trace elements for biomass growth up to 5 g / l (dry matter), in the 2nd stage all required mineral salts and trace elements except nitrogen for biomass growth up to 10 g / l l (dry matter) and in level 3 contains all required mineral salts and trace elements except nitrogen for biomass growth up to 30 g / l (dry matter). For defoaming, 0.1 ml / l polypropylene glycol (PPG) is added to the medium before sterilization, further additions of this defoamer are carried out during the fermentation if necessary.
Die Kultivierung erfolgt in allen Stufen bei einer Temperatur von 31 - 32 °C, einer Belüftungsrate von 0,4 bis 0,6 vvm und einem Überdruck von 200 - 600 mbar sowie einem konstant geregelten pH-Wert von 6,7 bis 6,8.The cultivation takes place in all stages at a temperature of 31 - 32 ° C, an aeration rate of 0.4 to 0.6 vvm and an overpressure of 200 - 600 mbar as well as a constantly regulated pH value of 6.7 to 6.8 .
Die 1. Kultivierungsstufe im 30 I-Fermenter beginnt mit der Beimpfung des Mediums aus einer 25 Stunden bei 32 °C geführten Schüttelkultur, bestehend aus 6 Schüttelflaschen mit je 400 ml Füllvolumen. Damit wird eine Biomasse-Startkonzentration von 0,1 g/l (Trockenmasse) erreicht. Vor der Beimpfung wird dem Kulturmedium eine Menge von 60 g Methanol entsprechend 3 g/l zugesetzt. Zur Regelung des pH-Wertes wird ein Gemisch, bestehend aus 75 ml 45 %ige Natronlauge, 427,5 ml Methanol und 475 ml vollentsalztes Wasser verwendet. Durch Erhöhung der Rührerdrehzahl wird verhindert, daß der pO -Wert unter 20 % der Sättigungskonzentration absinkt. Nach 17 Stunden wird die Kultivierung bei einer Biomassekonzentration von ca. 4 g/l (Trockenmasse) beendet. Die Methanolkonzentration beträgt am Ende der Kultivierung 2 g/l. Mit Überimpfung des kompletten Inhaltes des 30 I-Fermenters in den 300 I-Fermenter beginnt die 2. Kultivierungsstufe mit einer Biomasse-Startkonzentration von ca. 0,4 g/l (Trockenmasse). Vor der Beimpfung wird dem Kulturmedium eine Menge von 600 g Methanol entsprechend 3 g/l zugesetzt. Zur Regelung des pH- Wertes wird 25 %ige Ammoniumhydroxidlösung verwendet. Durch Erhöhung der Rührerdrehzahl wird verhindert, daß der pO2-Wert unter 20 % der Sättigungskonzentration absinkt. Ab der 4. Stunde wird eine konstante Methanoldosage von 160 g/h entsprechend 0,8 g/l und h gestartet. Von der 10. bis zur 22. Kultivierungsstunde wird diese Dosage linear bis auf 600 g/h entsprechend 3 g/l und h gesteigert. Bis zur 13. Stunde sinkt die Methanol konzentration stetig ab, zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine Methanolauszehrung, die bis zum Ende der Kultivierung anhält. In diesem als Ratenlimitation bezeichneten Zustand ist die Menge des zufließenden Methanols gleich der Menge des von der Kultur verbrauchten Methanols, die Methanolkonzentration ist nicht mehr meßbar. Zur 22. Kultivierungsstunde wird die Fermentation bei einer Biomassekonzentration von 10,4 g/l (Trockenmasse) beendet.The first cultivation stage in the 30 l fermenter begins with the inoculation of the medium from a shaking culture carried out for 25 hours at 32 ° C., consisting of 6 shaking bottles with a filling volume of 400 ml each. A biomass starting concentration of 0.1 g / l (dry mass) is thus achieved. Before the inoculation, an amount of 60 g of methanol corresponding to 3 g / l is added to the culture medium. A mixture consisting of 75 ml of 45% sodium hydroxide solution, 427.5 ml of methanol and 475 ml of fully demineralized water is used to regulate the pH. Increasing the stirrer speed prevents the pO value from dropping below 20% of the saturation concentration. After 17 hours, the cultivation is ended at a biomass concentration of approx. 4 g / l (dry matter). The methanol concentration at the end of the cultivation is 2 g / l. When the entire content of the 30 l fermenter is inoculated into the 300 l fermenter, the second cultivation stage begins with a biomass starting concentration of approx. 0.4 g / l (dry matter). Before the inoculation, an amount of 600 g of methanol corresponding to 3 g / l is added to the culture medium. 25% ammonium hydroxide solution is used to regulate the pH. Increasing the stirrer speed prevents the pO 2 value from dropping below 20% of the saturation concentration. From the 4th hour, a constant methanol dosage of 160 g / h corresponding to 0.8 g / l and h started. From the 10th to the 22nd cultivation hour, this dosage is increased linearly up to 600 g / h, corresponding to 3 g / l and h. The methanol concentration drops steadily until the 13th hour, at which point the methanol is used up and continues until the end of cultivation. In this state, known as rate limitation, the amount of methanol flowing in is equal to the amount of methanol consumed by the culture, and the methanol concentration can no longer be measured. At the 22nd hour of cultivation, the fermentation is ended at a biomass concentration of 10.4 g / l (dry matter).
Mit Überimpfung des kompletten Inhaltes des 300 I-Fermenters in den 4000 I- Fermenter beginnt die 3. Kultivierungsstufe mit einer Biomasse-Startkonzentration von ca. 1 g/l (Trockenmasse). Zur Regelung des pH-Wertes wird 25 %ige Ammoniaklösung verwendet. Die Versorgung der Kultur mit Methanol erfolgt nun ausschließlich über eine kontinuierliche Zudosage. Die Methanoldosage startet mit einer Zuflußrate von 600 g/h entsprechend 0,3 g/l und h unmittelbar nach der Beimpfung. Ab der 2. Kultivierungsstunde wird diese Zuflußrate stetig pro Stunde um den Faktor 1 ,136 erhöht. Die Erhöhung wird von einem Rechner im Minutentakt, um jeweils 0,2134 % , gesteuert. Der pO2-Wert sinkt stetig ab und erreicht etwa zur 9. Kultivierungsstunde einen Wert von 30 %. Ab diesem Zeitpunkt wird der pO2-Wert durch schrittweise Erhöhung der Rührerdrehzahl von 100 bis 200 rpm in einem Bereich von 30 bis 50 % gehalten. Nach Erreichen der oberen Rührerdrehzahl von 200 rpm sinkt der pO2-Wert bis zur 23. Kultivierungsstunde auf 20 % ab. Ab diesem Zeitpunkt, an dem die Zuflußrate des Methanols einen Betrag von etwa 8100 g/h erreicht hat, wird der pO2-Wert in einem Bereich von 10 - 20,% der Sättigungskonzentration über die Methanoldosage geregelt. Die Dosage wird verringert, wenn der pO2-Wert unter 15 % absinkt, und erhöht, wenn der pO2-Wert über 15 % ansteigt.With the inoculation of the entire content of the 300 I fermenter into the 4000 I fermenter, the third cultivation stage begins with a biomass starting concentration of approx. 1 g / l (dry matter). 25% ammonia solution is used to regulate the pH. The culture is now supplied with methanol exclusively via continuous metering. The methanol dosage starts with an inflow rate of 600 g / h corresponding to 0.3 g / l and h immediately after the inoculation. From the second hour of cultivation, this inflow rate is increased continuously by a factor of 1.136 per hour. The increase is controlled by a computer every minute, by 0.2134% each. The pO 2 value drops steadily and reaches a value of 30% around the 9th hour of cultivation. From this point on, the pO 2 value is kept in a range from 30 to 50% by gradually increasing the stirrer speed from 100 to 200 rpm. After reaching the upper stirrer speed of 200 rpm, the pO 2 value drops to 20% by the 23rd cultivation hour. From this point in time, when the inflow rate of the methanol has reached an amount of about 8100 g / h, the pO 2 value is regulated in a range of 10-20% of the saturation concentration via the methanol dosage. The dosage is reduced when the pO 2 value drops below 15% and increased when the pO 2 value rises above 15%.
Während der gesamten Kultivierung in der 3. Stufe befindet sich die Kultur im Zustand der Methanolratenlimitation, wie in der zweiten Hälfte der Stufe 2. Nur dadurch ist es möglich, eine unmittelbare Reaktion des pO2-Wertes auf Erhöhung oder Verminderung der Methanolzuflußrate zu erhalten und somit eine Sauer- stofflimitation des Wachstums zu vermeiden.During the entire cultivation in the third stage, the culture is in the state of methanol rate limitation, as in the second half of stage 2. Only in this way is it possible to react immediately to an increase in the pO 2 value or to reduce the methanol flow rate and thus to avoid oxygen limitation of growth.
Zur 37. Kultivierungsstunde ist eine Biomassekonzentration von 20,7 g/l (Trockenmasse) erreicht. Damit ist die Anzucht der Biomasse beendet, die weitere Prozeßführung dient ausschließlich der Bildung und Akkumulation von Polyhydroxybuttersäure durch geeignete Maßnahmen. At the 37th cultivation hour, a biomass concentration of 20.7 g / l (dry matter) was reached. The cultivation of the biomass is thus ended, the further process management serves exclusively the formation and accumulation of polyhydroxybutyric acid by suitable measures.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Anzucht von Biomasse aus methylotrophen Mikroorganismen, die zur Produktbildung eingesetzt werden, mit Methanol als Kohlenstoffquelle in gerührten und belüfteten Bioreaktoren in einem mehrstufigen Prozeß, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzucht der Biomasse in einem k-stufigen fed- batch-Prozeß erfolgt, wobei die durchschnittliche Konzentration des Methanols von Stufe zu Stufe abnimmt, indem die Kultivierungsstufe (k-2) unter Methanolüberschuß, die Kultivierungsstufe (k-1 ) in einem ersten Abschnitt unter Methanolüberschuß und in einem zweiten Abschnitt unter Methanol-Ratenlimitation, die Kultivierungsstufe (k) von Beginn an unter Methanol-Ratenlimitation geführt wird und der Kultivierungsstufe (k-2) Kultivierungsstufen vorangehen, welche nach dem gleichen Prinzip der Kultivierungsstufe (k-2) geführt werden.1. Process for growing biomass from methylotrophic microorganisms which are used for product formation with methanol as carbon source in stirred and aerated bioreactors in a multi-stage process, characterized in that the biomass is grown in a k-stage fed-batch process , the average concentration of the methanol decreasing from stage to stage by the cultivation stage (k-2) under excess methanol, the cultivation stage (k-1) in a first section under methanol excess and in a second section under methanol rate limitation, the cultivation step ( k) is carried out from the beginning under methanol rate limitation and the cultivation stage (k-2) is preceded by cultivation stages which are carried out according to the same principle of the cultivation stage (k-2).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Methanolkonzentration der Kultivierungsstufe (k-2) 2 bis 6, vorzugsweise 2,5 g/l, in der Kultivierungsstufe (k-1) 0,5 bis 2, vorzugsweise 1 g/l, und in der Kultivierungsstufe (k) 0 bis 0,5 g/l beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the average methanol concentration of the cultivation stage (k-2) 2 to 6, preferably 2.5 g / l, in the cultivation stage (k-1) 0.5 to 2, preferably 1 g / l, and in the cultivation stage (k) is 0 to 0.5 g / l.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Gelöst- Sauerstoffkonzentration nicht unter 10 % der Sättigungskonzentration liegt.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the dissolved oxygen concentration is not below 10% of the saturation concentration.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kulturmedium zu Beginn der Kultivierungsstufen (k-2) und (k-1) jeweils eine Menge von 2 bis 10, vorzugsweise 3 bis 6 g Methanol pro Liter zugefügt wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the culture medium at the beginning of the cultivation stages (k-2) and (k-1) each an amount of 2 to 10, preferably 3 to 6 g of methanol per liter is added.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß in der Kultivierungsstufe (k-2) eine Zufütterung von Methanol proportional zu der über die pH-Regelung zudosierten Lauge in einem Verhältnis von 7 bis 10 Mol erfolgt. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that in the cultivation stage (k-2), methanol is added in proportion to the alkali metered in via the pH control in a ratio of 7 to 10 mol.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zur pH-Regelung ein Gemisch aus Wasser, Methanol und NaOH, KOH oder NH4OH verwendet wird, welches mindestens 0,3 I Wasser pro Mol NaOH, KOH oder NH4OH enthält.6. The method according to claim 5, characterized in that a mixture of water, methanol and NaOH, KOH or NH 4 OH is used for pH control, which contains at least 0.3 I water per mole of NaOH, KOH or NH 4 OH.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kultivierungsstufe (k-1 ) eine Zufütterung von Methanol erfolgt, indem ab der 1. bis 10., vorzugsweise 3. bis 7., insbesondere 4. Kultivierungsstunde eine kontinuierliche Methanoldosage mit einer Zuflußrate von 0,5 bis 1,5 , vorzugsweise 0,8 g/lh Methanol begonnen wird, welche bis zum Ende der Kultivierungsstufe um den Faktor 1 ,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 4, erhöht werden kann.7. The method according to claim 1 to 4, characterized in that in the cultivation stage (k-1) there is a feed of methanol by a continuous methanol dosage from the 1st to 10th, preferably 3rd to 7th, in particular 4th cultivation hour a flow rate of 0.5 to 1.5, preferably 0.8 g / lh of methanol is started, which can be increased by a factor of 1.5 to 10, preferably 3 to 4, until the end of the cultivation stage.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Methanolversorgung in der Kultivierungsstufe (k) von Beginn an durch eine kontinuierliche Dosage erfolgt, wobei die Zuflußrate des Methanols so gewählt wird, daß sich ein als Ratenlimitation bezeichnetes Fließgleichgewicht einstellt.8. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the methanol supply in the cultivation stage (k) is carried out from the start by a continuous metering, the inflow rate of the methanol being chosen so that a flow equilibrium called rate limitation is established.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Methanoldosage in der Kultivierungsstufe (k) durch eine spezifische Substratversorgung von 0,05 bis 1,05, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 g Methanol pro g Biomasse und Stunde realisiert wird. 9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that the continuous methanol dosage in the cultivation stage (k) by a specific substrate supply from 0.05 to 1.05, preferably 0.2 to 0.4 g of methanol per g of biomass and hour is realized.
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