DD200894A1 - Verfahren zur steuerung der kultivierung von mikroorganismen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kultivierung von Mikroorganismen in salzhaltigen Medien. Der Erfindung liegt das Ziel der Gewaehrleistung optimaler Salzkonstentrationen zur Verbesserung technisch-oekonomischer Verfahrenswerte zugrunde. Die Aufgabe besteht darin, eine nach Salzkonzentration beeinflusste Kenn- und Steuergroesse zu finden, die zu Steuerung des Fermentationsprozesses und der Produktionsqualitaet geeignet ist. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch geloest, dass als Kenn- und Steuergroesse die durch den Salzgehalt bestimmte Leitfaehigkeit des Fermentationsmediums verwendet wird. Der Verlauf des biologischen Prozesses wird verbessert, die Korrosion von Anlagenteilen vermindert und eine hohe Qualitaet des Endproduktes gewaehrleistet.
Description
Titel · .
Verfahren zur Steuerung der Kultivierung von Mikroorganismen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung, betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Ferinentationsprozessen« Sie ist in der technischen Mikrobiologie anwendbar und in die IPK C 12 Έ einzuordnen»
Cha^akJ:B_ristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist bekannt, daß der Gehalt des Mdeiums von Fermentationsprozessen an nichtutilisierbaren Nähr- und Spurensalzen und an deren salzbildenden Komponenten die Wirtschaftlichkeit eines entsprechenden Fermentationsprozesses beeinflußt*
Zum einen geschieht das direkt durch entsprechende Verluste mit dem Ablauf des Fermentationsmediums aus dem Permentor bei kontinuierlichen Prozessen* Dieser Verlust steigt mit steigender Konzentration an«. Er beläuft sich auf etwa 2 bis 3% der Aufwendungen für das Substrat· Zum anderen v/erden die ablaufenden natürlichen und technischen Prozesse beeinflußt, was ebenfalls Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Prozesse · hat* Solche Einflüsse bestehen insbesondere in folgenden Richtungen: 1) Einfluß auf die spezifische Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen Um hohe Wachstumsgeschwindigkeiten realisieren zu können, ist es erforderlich, Werte einzustellen, die eine Limitation durch Nährsalz verhindern.« Dadurch ist erreicht, daß andere Reaktanden, wie etwa Sauerstoff oder Kohlen-
stoff, den Prozeß limitieren* Hohe Salzgehalte haben aber bekanntlich den Nachteil, daß die von den Mikroorganismen tolerierten Höchstgrenzen bei Störungen leicht überschritten werden» . -
Salzlimitation? mit der eine Erhöhung von Verbrauchskennzahlen und eine negative Beeinflussung des Stoff-= übergangskoeffiz-ienten eintreten können«
2) Einfluß auf die anorganische Belastung der H'.ex-mentatiOnsabwasser.
Damit hängen Probleme der Gestaltung der Abwasserreini™ gungseinrichtungen zusammen* Diese Aufwendungen; steigen mit steigender Salzkonzentration«, Man ist deshalb bestrebt, niedrige Werte zu realisieren*
3) Einfluß auf die Standzeit der Anlagen* Hier spielen insbesondere die Fragen der Verhinderung der Korrosion bei hohen Salzgehalten und die Verhinderung von Versalzungen von Anlagenteilen eine Rolle* Insbesondere treten diese Effekte an solchen Anlagenteilen auf, die Zonen starker Beanspruchung durch die Salzkonzentration, wie etwa an den Salzzuführungsstellen, haben« Ein derartiges System ist der Umlaufreaktor, ζ*Β, der IZ-Tauchstrahlreaktor*
4) Einfluß auf die Qualität des Endproduktes nach der Aufarbeitung, insbesondere auf den Aschegehalt o Diesem Einfluß kommt besondere Bedeutung zu, da der Aschegehalt die Eignung der Biomassetrockensubstanz für Ernährungszwecke und den Verkaufserlös der Biomasse beeinflußt bzw# durch seine Höhe der Aufwand für zusatzliehe technologische Maßnahmen festgelegt wird» Hierbei besteht ebenfalls das Erfordernis zur Realisierung niedriger Restsalzwerte, da dadurch niedrige Aschewerte realisiert werden können«
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist eine ökonomische Prozeßführung durch Gewährleistung optimaler Salzkonzentration im Fermentationsmedium, um einen günstigen Verlauf des biologischen Prozesses. zu sichern, die Korrosion und Yersalzung von Anlagenteilen zu vermindern und eine hohe Qualität des Endproduktes zu gewährleisten«
Darlegung des Wesens derErfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine charakteristisehe Kenngröße des Fermentationsprosesses zu finden, die von der Salzkonzentration beeinflußt wird und deshalb zur Steue- '-- rung des Permentationsprozesses und der Produktqualität geeignet ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fermentationsprozeß durch eine die Salzkonzentration und den Aschegehalt der Biomasse tro.ckensubst.anz charakterisierende physikalisch-chemische Eigenschaft des Fermeritationsmediums gesteuert wird, wobei als charakteristische Größe die Leitfähigkeit des Fermentationsmediums benutzt wird«
20. Es wurde gefunden, daß zwischen der Leitfähigkeit des Per*· mentationsmediums, seinem Salzgehalt und dem Aschegehalt der Biomassetrockensubstanz eine eindeutige Beziehung trotz der komplizierten physikochemischen Verhältnisse im Medium dann besteht, wenn der Salzgehalt durch weniger als 5 Komponenten überwiegend bestimmt .wird,,
Das'ist zeB* bei Fermentationen zur Erzeugung von Biomasse für Putterzwecke der Fall··
Die Erfassung der Beziehung zwischen Leitfähigkeitsmeßwert und Salzkonzentration kann über eine direkte Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgen« Es wurde gefunden, daß dabei in Fermentationsmedien von Prozessen zur Biomasseproduktion Leitfähigkeiten zwischen 1♦.,10 mS erreicht werden* Günstiger anzuwenden ist eine indirekte Methode, die auf der Grundlage des Anzeigewertes des Leitfähigkeitsgerätes arbeitet«
wobei eine Eichung des Meßgerätes nach absoluten -Leitfähigkeitswerten entfällt und lediglich der Meßbereich durch den maximalen und minimalen zu erwartenden Salzgehalt festgelegt werden braucht, Folgende Methode ist dazu geeignet:
Von -zwei Proben des Permentationsmediums, deren Salzgehalt möglichst an den Grenzen des erwarteten Salzgehaltes im Medium liegt, werden sowohl der Salzgehalt auf analytischem Wege, beispielsweise durch Ermittlung des Eindampfrückstandes, als auch der Leitfähigkeitsmeßwert bestimmt und mitein-
TO ander in Beziehung gesetzt« Jedem nun gemessenen Wert der Leitfähigkeit kann auf Grund dieser Beziehung ein Wert der Salzkonzentration zugeordnet v/erden* Die ermittelte Beziehung kann von Zeit zu Zeit an.etwa veränderte Medieneigenschaften' angepaßt werden, erfahrungsgemäß ist bei Biomassebildungs~ prozessen eine tägliche Eichung ausreichend» Die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Aschegehalt der getrockneten Biomasse und dem Leitfähigkeitswert während der Fermentation kann auf die gleiche Weise erfolgen» Die Steuerung des Salzgehaltes durch die Leitfähigkeit kann in der Weise erfolgen,- daß der dem gewünschten Salzgehalt zugeordnete Leitfähigkeitsmeßwert durch entsprechende Maßnahmen aufrechterhalten wird« Zum Beispiel bestehen solche Maßnahmen darin, daß bei Leitfähigkeitsmeßwerten oberhalb des erwünschten Wertes die Zufuhr von stark salzbildenden Teilen der ilähr sal ζ lösung oder die gesamte 2Jährsalz;lö"sungs~ zufuhr· unterbrochen wird oder zeitlich begrenzt eine Erhöhung der Produktivität des Prozesses Z3B, durch Erhöhung, der Sauerstoffzufuhr bei sauerstofflimitierten Prozessen oder durch eine 'Erhöhung des Substratangebotes bei kohlen» stoff limitierten Prozessen, erfolgt«, Eine Erhöhung etwa zu niedriger Leitfähigkeitsmeßwerte ist durch Dosierung von zusätzlicher Nährlösung leicht zu erreichen. Die Steuerung des Aschegehaltes basiert auf den gleichen Grundlagen* Diese Steuerung ist besonders bei denjenigen technologischen Varianten von Biomassebildungsprozessen bedeutungsvoll, die ohne Einrichtungen zur bevorzugt mechanischen Plüssigkeitsabtrennung arbeiten und bei denen der Per— mentorablauf der direkten Eindampfung unterworfen· -wird.
Zur Bestimmung des Leitfähigkeitsmeß-- oder -anzeigewertes können bekannte Leitfähigkeitsmeßgeräte benutzt werden, z.B. die handelsüblichen Leitfähigkeitsmeßgeräte LM 201 oder LIvI 301 des VEB Hydromat Bannewitz« Sie können mit einer automatischen Kompensation des Temperatureinflusses und mit EuIl-Punktunterdrückung ausgestattet sein* Vorteilhaft ist eine linearisierte Anzeige* Der Meßbereich sollte mindestens · 0...10 mS betragen« Die Leitfähigkeitsmeßzelle' sollte so ausgeführt sein, daß nicht_durchströmte Raumteile, sogenannte Toträume, in denen sich Verunreinigungen, insbesondere durch lysierte Biomasse, ergeben können, vermieden werden. Ihre Anbringung sollte direkt im Permentor, oder unmittelbar am Permentorausgang erfolgen» Wesentlich ist, daß sie von Permentationsmedium .15 durchströmt wird, das repräsentative Eigenschaften bezüglich des Salzgehaltes besitzte
Die Messung kann bei kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prozessen durchgeführt v/erden* Das Verfahren ist für· beliebige Mikroorganismen/Substrat« Kombinationen geeigneta
Au sführung sb e i spi e1
Die Erfindung soll an hand von 3 Beispielen näher erläutert werden«,
Methanolassimilierende Bakterien des Stammes IiB 58 (Hinterlegungsnummer ZIMET Jena: IMET B 34-6) -wurden in einem kleintechnischen Permentor unter folgenden Bedingungen im kontinuierlichen Prozeß gezüchtet:
Fermentationstemperatur: 305 - 1 K 3.0 pH-Wert: . 4,0 t 0,1 .
Verweilzeit im Permentor: 7 *·. 9' h Konzentration der Biomasse im Permentor: 40 .β* 60 g BTS/1
Es wurde ein Nährlösung folgender Zusammensetzung eingesetzt, wobei die angegebenen Mengen in einem Liter Fährlösung gelöst sindi .
10
| H- PO . | - 13-5 | S- |
| K2SO4 | - 7,8 | g |
| MgSO4 | ε | |
| CuSO4 | - 38,4 | mg |
| CoSO4 | - 33,1 | mg |
| MnSO4 | - 89,3 | mg |
| H3BO3 | - 127,5 | mg |
| J?eSO4 . · | - 143,4 | mg |
| ZnSO4 | - 56,1 | mg |
| Na0MoO, | - 21,3 | mg |
Die Zufuhr von Stickstoff erfolgt über die pH-Regelung mit KH.OH»
Während der fermentation wurden im ungestörten stationären Betrieb für die nachstehend aufgeführten Elemente folgende Konzentrationen im Fermentationsmedium gemessen:
Element Konzentration (mg/1)
20 P
Mg
Cu 25 Mn
Fe
Zn
Die'Konzentration der Elemente Bor, Kobalt und Molybdän lag unterhalb der ITachweisgrenze von 0,5 mg/1« Die Gesamtsalzkonzentration wurde analytisch durch Ermittlung des Eindampfrückstandes des Fermentationsmediums bestimmt«
| 30 ... | 120 |
| 50 ... | 300 |
| 40 ... | 200 |
| 15 ».* | 30 |
| 0,1 ... | 0,3 |
| 1,0 ... | 2,0 |
| 0,5 ««« | 1,5 |
| 2,0 ... | 2,5 |
Bei Beginn der- Fermentation wurden für zwei ausgewählte Salzkonzentrationen bei jeweils niedrigen und hohen Rest-« Konzentrationen im Fermentationsmedium sowohl der Eindampfrückstand als auch der Leitfähigkeitsanzeigewert- bestimmt, miteinander in Beziehung geaetat und ala Sicliiioi-incil beriutüo. Aus dem Zusammenhang läßt sich eine mathematische Beziehung der Form Gl* (1) bestimmen« _
(1) Salzgehalt = 3,493 + 0,0203 * Leitfähigkeitsanzeige
Die Überprüfung dieser Eichgrade an zusätzlichen Meispunkten ergab eine . genügende Übereinstimmung (Fehler geringer als
Die Fermentation lief zunächst über einen Zeitraum von 70 Stunden stabil« Die charakteristischen Bilanzwerte dieses Zustandes zeigt Tabelle 1, Spalte 1„ lach dieser Zeit kam es zu einem plötzlichen Abfall des Leitfähigkeitsmeßwertes, wobei sich folgende Werte des neuen Zustandes einstellten (Tabelle 1, Spalte 2)* Die Überprüfung der Bedingungen ergab, daß dieser Effekt durch eine verringerte ilährlösungsdosierung infolge sonst nicht feststeilbarer Versalzungen der Uährlösungsdosier-pumpe verursacht wurde« Durch Erhöhung der Nährlösungsdosiermenge wurde der Leitfähigkeitsmeßwert auf den ursprünglichen Zustand zurückgeführt (Werte nach Tabelle 1, Spalte 3) und die Fermentation unter stabilen Bedingungen fortgeführt»
Tabelle 1: Experimentielle Werte vor und nach einer.Störung
Größe
vor der Störung
nach der nach erfolgter Störung . Steuerungs-. maßnahme
Leitfähigkeit 30 (Skalenteile)
Salzgehalt analytisch bestimmt (g/l)
Salzgehalt nach Eichgerade (g/l)
55 4,63
4,61
17
3,88
3,84
53
4,68
4,68
Es wurde unter- den gleichen Bedingungen vorgegangen wie in Beispiel 1„ Zusätzlich wurde der Rohaschegehalt von entsprechend einer AufarbeitungsVariante ohne mechanische Flüs~
. 5 sigkeitsabtrennung direkt eingedampftem Perinentorablauf bestimmt und mit der Leitfähigkeitsanzeige auf eine Beispiel 1 analoge Weise in Beziehung gebracht» Als Wertepaare von gemessener Leitfähigkeit (Skalenteile) und analytisch bestimmtem x\schegehalt in der Biomasse {%) ergaben sich: 25/5?00
und 62/6,58« .
Der untersuchte Fermentationsprozeß lief zunächst ohne Störungen 90 Stunden lanostabil»
Die charakteristischen ?/erte dieses Zeitraumes waren: 51 Skalenteile der Leitfähigkeitsanzeige, entsprechend 650,8 % Aschegehalte Danach wurde die !Fermentation durch eine sprunghafte Erhöhung der !"ährlösungsmenge gestört» Die Leitfähigkeit sanzeige stieg auf 87 Skalenteile* Analytisch wurde eine Erhöhung des Rohaschegehaltes auf 7,50% festgestellt., Durch sofortige Verringerung der lährlösungsdosierung konnten sowohl der Leitfähigkeitsmeßwert als auch der Rohaschegehalt auf den Bereich vorhergehender Werte zurückgeführt werden« Im neuen stationären Zustand ergab sich eine Anzeige von 47 Skalenteilen und ein analytisch bestimmter Aschegehalt von 6?07 %« \
In einem 30 1 Rührfermentor- mit einem Arbeitsvolumen von 25 wird der Hefestamm Lodderomyces elongisporus IMET'~H 128 ~~ bei einem pH-Wert von 4,1 - 0,1 und einer Temperatur von 306 £ 1 K sowie einer- Luftzufuhr von 1,5 l/min· gezüchtet» Als Substrat dient ein Erdöldestillat, dessen n~Alkan die Kettenlänge Gq bis Cpc» überwiegend C,2 bis C18, besitzen« Die Siedelage des Destillates beträgt 503 bis 533 K, die Destillatkonzentration im Fermentationsmedium beträgt 14,8 %. Das Verfahren wird mit einer Verweilzeit von 5 h durchgeführt.
Das anorganische liährmedium enthält in Form von Ammoniak, Phosphorsäure, Kaliumchlorid und Sulfaten 10 mg Pe, 2250 mg ΪΓ, 10 mg Zn, 1410 mg P2O55 10 mg Mn, 615 mg K, 1,5 mg Cu, 55 mg Hg auf 1 Liter«, Die Dosierung des Nährmediums erfolgte für· das Magnesium getrennt von den anderen Komponenten» Dei· Energieübertrag beträgt 10 W/kg Fermentationsmedium« Dem Fer~ mentorablauf wurden halbstündlich Proben entnommen und einer Leitfähigkeitsmessung unterzogen.» Dafür wurde eine Leitfähig-= keitsmeßeinrichtung LM 201 des VEB Hydroxnat Bannewitz benutzt.
Im kontinuierlichen Betrieb wurden Leitfähigkeitswerte von 68 Skalenteilen bestimmte Die Eichung der Heßeinrichtung erfolgte in der in Beispiel 1 angegebenen Weise» ITach einer Versuchszeit von 2 Stunden ergab sich ein Abfall des Leitfähigkeitswertes auf 34 Skalenteile* Auf Grund dieser Anzeige wurden die Eingangsströme überprüft* Es zeigte sich, daß die Dosierpumpe für die MgSO, ~ Dosierung eine eingeschränkte Förderleistung durch Versalzung aufwies-, Während der Reparaturphase an der Dosierpumpe wurde dem Fermentstionsmedium Magnesiumsulfat von Hand zugegeben« Als Steuergröße diente die Leitfähigkeitsanzeige„ . ·
Claims (3)
1. Verfahren zur Steuerung der Kultivierung von Mikroorganismen in kontinuierlich oder diskontinuierlich betriebenen und vorzugsweise mit Umlaufsystemen ausgestatteten Reaktoren? bei dem die Fermentation in salzhaltigen Medien deren Salzgehalt von weniger als 5 Komponenten überwiegend bestimmt wird, durchgeführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß als ICenn- und Steuergröße die durch den Salzgehalt bestimmte Leitfähigkeit des Permentationsprozesses verwendet wird und daß der Leitiähigkeitsmeßwert im Bereich von 0 eae 20 mS konstant gehalten wird, .
2· Verfahren nach Punkt I5 gekennzeichnet dadurch, daß die Mikroorganismen Hefen vom Stamm Lodderomyces elongisporus IMET H 128 und ihre Begleitflora sind und daß die KuItivierung auf Erdöldestillat mit n-Alkanen der Kettenlänge Cq bis G^r- und.einer Kettenlängenverteilung von vorzugsweise C13 bis C17> 66 ^'C 18 < 25 %, C < 12 <10 % und einem Siedebereich von vorzugsweise 513 bis 633 K erfolgt, .
3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mikroorganismen methanolassimilierende Bakterien MB.58 IMET B 346 sind, und daß die Kultivierung auf Methanol erfolgt»
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6150133A (en) * | 1996-03-13 | 2000-11-21 | Delta Biotechnology Limited | Fermentation control |
-
1981
- 1981-11-11 DD DD23476781A patent/DD200894A1/de unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6150133A (en) * | 1996-03-13 | 2000-11-21 | Delta Biotechnology Limited | Fermentation control |
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