Die
Gewinnung
on
Einzelle p o ein
un e
Ve wendung
on
Knallgasbak e ien
R.M.La e y,
A.Mose ,
W.S eine
Ins i u
ü
Biochemische
Technologie
und
Lebensmi elchemie
Technische
Hochschule
G az
/
Ös e eich
Cha ak e isie ung
de
Knallgasbak e ien
Un e
den
di e sen
G uppen
on
Mik oo ganismen,
die
ü
die
Gewinnung
on
Einzelle p o ein
(EZP)
eingese z
we den
könn en,
nehmen
die
G uppe
de
ae oben
wasse s o - e we enden
Mik oo ganismen
eine
Sonde s ellung
ein.
Im
Ve gleich
zu
den
meis en
ande en
Mik oo ganismen,
die
du ch
chemoo ga-
no ophes
Wachs um
de
EZP-Gewinnung
dienen,
sind
die
wasse s o - e we -
enden
O ganismen
du ch
die
Fähigkei
chemoli o oph
zu
wachsen
gekenn-
zeichne .
Die
"Knallgasbak e ien"
können
molekula en
Wasse s o
oxydie en,
Saue s o
als
Elek on-Akzep o
e wenden,
und
die
im
S o wechsel
gewon-
nene
Ene gie
bzw.
Reduk ionsk a
ausnu zen,
um
CO»
zu
eduzie en
und
in
Fo m
on
Zellma e ial
es zulegen.
Die
Fähigkei ,
molekula enWasse s o
zu
ak i ie en,
is
inne halb
meh e e
axonomische
G uppen
on
Mik oo ga-
nismen
anzu e en.
Dies
gil
z.B.
ü
gewisse
pho o ophe
O ganismen,
Clos idium
ace icum,
Mic ococcus
deni i icans,
Mycobak e ien,
Co ynebak-
e ien
und
einige
Ac inomyce en
z.B.
Nocadia
species.
Die
elä i
nied i-
gen
Wachs ums a en
iele
diese
O ganismen
schließen
meis ens
eine
p ak-
ische
Anwendung
ü
Zweckede
Einzelle p o ein-Gewinnung
jedoch
aus.
Diejenigen
ae oben
wasse s o - e we enden
Mik oo ganismen,
die
ambes en
ü
die
EZP-P oduk ion
geeigne
sind,
gehö en
en wede
zu
Ga ung
Hyd oge
nomonas
ode
Alcaligenes
(1).
Diese
"Knallgasbak e ien"
sind
akul a i
chemoli ho ophe
O ganismen.
Chemoo gano ophes
Wachs um
kann
abe
auch
mi
meh e en
o ganischen
Subs a en
e olgen.
We den
chemoo gano oph
wach-
sende
Knallgasbak e ien
mi
z.B.
F uc ose,
Ace a
ode
Glu ama
als
Sub-
s a
in
eine
Wasse s o a mosphä e
geb ach ,
so
wi d
die
Ve we ung
die-
se
o ganischen
Subs a e
du ch
einen
Regula ionsp ozeß
(2)
un e bunden.
Diese
"Wasse s o -E ek "
is
scheinba
das
E gebnis
eine
Ka aboli -
Rep ession.
P oblema ik
de
Subs a e so gung
bei
chemoli ho oph
wachsenden
Knall-
gasbak e ien
Chemoli ho ophes
Wachs um
e olg
un e
eine
A mosphä e
on
Hp,
0),und
C0,
in
einem
ein achen
Mine almedium
mi
olgende
Zusammense zung
:
NHC]
...
1.0
g,
NagHPOg.12
HO
...
9.0
g,
K
HoPOg...
1.5
9,
MgSQq-7,H90)...,0.2.g5
FeNH,-Ci a
0.008:
9,
CaCL2.Hz0
0.0109,
NaHCOz3
...
0.5
g,
Spu enelemen e,
aqua
des .
...
ad
1000
1.
Die
O ganismen
sind
mesophil,
d.h.
op imales
Wachs um
inde
zwischen
280
und
35
0
s a ;
das
pH-Op imum
lieg
zwischen
6,8
und
7,2.
Das
mögliche
Spek um
de
e we ba en
S icks o quellen
um aß
Ammoniak,
Ammonsalze,
Ni a
und
Ha ns o .
Sowohl
die
Zusammense zung
de
Gasa mosphä e,
insbe-
sonde e
das
Ve häl nis
Ho
:
02,
als
auch
die
ela i en
Ein ags a en
die-
se
beiden
Gase
im
e wende en
Bio eak o
können
die
Wachs ums a en
und
auch
die
Anhäu ung
on
in azelluld en
Speiche s o en
wie
Poly-B-hyd oxy-
bu e säu e
im
Fall
on
wild- yp-Zellen
de
Ga ung
Hyd ogenomonas
s a k
beein lussen.
Molekula e
Wasse s o
wi d
du ch
zwei
in azellulä e
Enzym-
sys eme
ak i ie
-
eine
memb angebundene
Hyd ogenase
und
eine
1ösliche
Hyd ogenase.
Scheinba
bewi k
das
pa ikelgebundene
Sys em
Wasse s o -
88
R.M.
La e y,
A.
Mose
und
W.
S eine
oxyda ion
mi
Hil e
eine
olls ändigen
A mungske e,
wäh end
die
lösliche
Hyd ogenase,
auch
"Hyd ogen-Dehyd ogenase"
genann ,
lediglich
die
Reduk-
ion
on
NAD
du ch
Wasse s o
ka alysie
(3).
Das
eduzie e
NAD
is
wah scheinlich
ü
das
Funk ionie en
des
eduk i en
Pen ose-Phospha -Zyk-
lus,
in
dem
C02
inko po ie
wi d,
no wendig.
Fig.1
s ell
in
schema i-
sche
Fo m
das
chemoli ho ophe
Wachs um
de
Knallgasbak e ien
da .
0,
Elek onen-
a
a
nenese
anspo sys em
?
H20
TP
m e
ADP+P,
A
Hy,
py
c ogep-
Dehyd ogenase
eduk i e
Pen osephospha -
NAD
NADH,
|
zyk us
co,
(CH,0)
Zellma e ial
Fig.1.
Chemoli ho ophe
S o wechsel
de
Knallgasbak e ien
Bilanzmäßig
kann
man
olgende
B u ogleichung
ü
das
chemoli ho ophe
Wachs um
on
Knallgasbak e ien
au s ellen
:
6H,
+
202
+
10
—
—>
(CH20)
+
5
H20.
Diese
s oichiome ischen
Ve häl nisse
können
jedoch
eine
gewisse
Va ia ion
au zeigen.
In
Ve suchen
mi
Hyd ogenomonas
eu opha
in
Kul u en
im
Tu bidos a
wu den
C02
:
O09
:
Hp
Au nahme a en
on
1
:
1,2
:
4,5
bis
1
:
1,9
:
6,6
gemessen
(4).
Neue e
E gebnisse
mi
Hyd ogenomonas
eu opha
S amm
H
16
(Alcaligenes
eu ophus)
zeig en
jedoch,
daß
4
Mol
H
sowohl
ü
die
ene gielie e nde
Knallgas eak ion,
als
auch
ü
die
Reduk-
ion
on
1
Mol
COg
zu
Zellsubs anz
un e
den
angegebenen
Bedingungen
aus-
eichen
(5).
Auch
iihe
wu den
on
eine
ande en
A bei sg uppe
mi
dem
O ganismus
Hyd ogenomonas
uhlandii
ähnliche
E gebnisse
d.h.
ein
Ve häl -
nis
on
1:
1:4
ü
CO2
:
09
:
Ho
-
Au nahms a en
gemessen
(6).
Die
Ve so gung
de
chemoli ho oph
wachsenden
Kul u
on
Knallgasbak e ien
mi
den
d ei
gas d migen
Subs a en
Ho,
02
und
CO»
s ell
höhe e
Ansp üche
hinsich lich
Gas ans e a en
an
den
Bio eak o
aie
im
gewöhnlichen
Falle
bei
de
Züch ung
on
ae oben
Mik oo ganismen,
wobei
lediglich
die
Saue -
s o ein agsgeschwindigkei
beg enzend
au
das
Wachs um
de
Zellen
wi ken
könn e.
Im
Falle
de
Begasung
mi
Ha,
O2
und
CO2
kann
die
CO,-Ve so gung
de
Zellen
wegen
de
hohen
Löslichkei
Giaces
Gases
als
öllig
aus eichend
be ach e
we den.
Dagegen
können
die
Konzen a ionen
on
gelös en
Hy
und
0,
in
de
Näh lösung
die
beg enzenden
Fak o en
ü
das
Wachs um
de
Knall-
gasbak e ien
sein.
Die
Ve so gung
de
Knallgasbak e ien
mi
Ho
und
0,
in
eine
Fe men e anlage
d.h.
mi
eine
explosi en
Gasmischung
e u sach
&inige
echnische
P oblene.
Die
Besei igung
de
möglichen
Ge ah enquellen
läß sich
jedoch
du ch
Ein-
hal en
de
no malen
Vo sch i en
ü
das
A bei en
mi
explosi en
Gasen
e -
eichen.
Fü
kleine e
Labo e suche
bzw.
ü die
Anzuch
on
Fe men e -Vo -
kul u en
on
Knallgasbak e ien
können
spezielle
Schü elkolben
mi
Schi-
kanen
e wende
we den.
Die
Begasung
de
Kul u en
e olg
mi els
eines
Gas ese oi s,
das
un e
einem
ge ingen
hyd os a ischen
D uck
s eh .
Einzelle p o ein
du ch
Knallgasbak e ien
89
Das
Animp en
on
Labo e men e n
e olg
in
de
üblichen
Weise
mi
An-
s eckkanüle.
Da
Knallgasbak e ien
-
EZP
bei
Tie ü e ungs e suchen
ein-
gese z
wi d,
soll e
die
Ve wendung
on
An ischaummi eln
im
Fe men e
e mieden
we den.
Beding
du ch
die
An o de ung
eines
e ek i en
Gas ans-
po s,
um
möglichs
hohe
Wachs ums a en
zu
e eichen,
en s eh
das
P oblem
de
Schaumbildung
als
Folge
eine in ensi en
Mischung
auch
mi
einem
ein-
achen
Mine almedium
wegen
Ausscheidung
bzw.
Bildung
on
Kapselsubs anzen.
Ein
mechanisches
Schaumbekämp ungssys em
is
also
e o de lich.
Die
bis-
he ige
E ah ung
ha
gezeig ,
daß
en wede
ein
Umlau ,
bzw.
ein
Umwu -
Mischsys em
im
Klein e men e
(Fig.2)
diese
An o de ungen
e üll .
De
Fe -
men e
wi d
mi
Meßsonden
ü
02,
CO2,
pH
und
Redox-Messungen
ausges a e .
Die
Regelung
de
Gas e so gung
de
Knallgasbak e ien-Kul u
im
Klein e -
men e
mi den
d ei
Gasen
Hn,
O0»
und
CO,
kann
en wede
mi els
Du ch luß-
messe
mi
Rücki epenz eg e
ode
mi els
Gaspumpen
(Fa.
Wös ho /Bochum),
die
kon inuie lich
a iable
Gas ö de a en
e lauben,
e olgen.
—
Cg
,0g,Hg
=
H
SRI
—o,
CAR»
u
=x
An ieb
A
—<)—H,
EG,
@
Näh lösungs-
(4)
ä
pumpe
>
4)—co,
Gaspumpen
Fig.2.
Schema
de
kon inuie lichen
Ziich ung
on
Knallgasbak e ien
im
Fe -
men e .
Au s ellen
de
Modellgleichungen
ü
die
Mak okine ik
Basie end
au
den
bishe igen
E gebnissen
wu de
de
Ve such
un e nommen,
ein
mak okine isches
Modell
des
chemoli ho ophen
Wachs ums
on
Knallgasbak e-
ien
au zus ellen.
Ein
Zweck
solche
Modellbildung
is
es,
geziel e
Expe i-
men e
du chzu üh en,
welche
es
e möglichen,
die
p ozeßbes immenden
G ößen,
die
Modellpa ame e
zu
messen.
Dami
soll e
dann
auch
eine
Ve besse ung
des
Modelles
o genommen
we den
können,
um
die
P oduk i i ä
sowie
das
Ve -
hal en
des
P ozesses
o auszube echnen.
Die
Modellgleichungen
ü
kon inuie liche
Züch ungen
beziehen
sich
au die
Konzen a ionsände ung
on
Zellmasse
X
in
Abhängigkei
de
d ei
gas o migen
Subs a e
Hp,
02,
COo
(H,
0,
C)
und
eines
möglichen
limi ie enden
Subs a-
es
in
de
Flüssigkei
S.
Dieses
limi ie ende
Subs a
S
konn e
en wede
90
R.M.
La e y,
A.
Mose
und
W.
S eine
Magnesium-,
Eisen-
ode
die
S icks o quelle
sein.
Mi
Hil e
de
Monod-
Beziehung
wu den
olgende
Modellgleichungen
ii
diese
Mul isubs a kine-
ik
au ges ell
:
y
n
len
|
A
ES
N
1)
ae
FR
KO
1+O/K,
Kec
KeS
2)
an
-
Be
“pX
+
ka-(H-
H)
+D-(H,-
H)
3)
$0.
“x
+ calO-
Q)
+D-(Q,-
0)
4)
ee.
=
ye
+alC-
ale
+D-C,-C)
5)
$$--+
ux
.pis-s)
sx
In
de
Gleichung
(1)
bedeu en
die
K-We e
(Ky,
Kg»Kes
Ks)
die
Monod-Kon-
s an en
ü die
e schiedenen
Subs a e
und
Jm
die
maximale
ela i e
Wachs-
umsgeschwindigkei .
In
diese
Gleichung
wu de
de
be ei s
bekann e
E ek
de
Saue s o inhibi ion
im
Falle
de
Knallgasbak e ien
du ch
den
Te m
Ky
be ücksich ig .
Wei e s
wu den
die
Massen anspo e,
welche
beim
kon inu
-
ie lichen
Sys em
du ch
Zu-
und
Ab luß
he o ge u en
we den,
du ch
einen
Te mde
Ve dünnungsgeschwindigkei
D
in
die
Gleichungen
einbezogen.
In
den
Gleichungen
2-4
wu den
ü
die
gas ö migen
Subs a e
die
T anspo o -
gänge
du ch
die
S o anspo koe izien en
(ky
He
ky
Q>
k
c)
besch ieben.
Zusä zlich
is
beim
CO,-T anspo
in
Gleichung
4
p inzipiell
auch
de
Vo -
gang
de
chemischen
Reak ion
mi
eine
Geschwindigkei skons an e
ky,
eine
Reak ionso dnung
n
und
einem
Di usionskoe izien en
D
in
Be ach
zu
zie-
hen,
wodu ch
de
Te m
des
S o anspo es
en sp echend
zu
e wei e n
is .
Fu
die
Ande ungsgeschwindigkei
de
Subs a e
wu den
E agskons an en
(Yx,H>
Yx,0>
Yx,c>
Yx,s)
he angezogen,
welche
die
Rela ion
zu
ela i en
Wachs umsgeschwindigke
Y
he s ellen.
Säm liche
Modellpa ame e ,
die
in
den
Modellgleichungen
o kommen,
sind
nun
expe imen ell
in
eine Se ie
on
Ve suchen
bes immba ,
wenn
die
Vo -
ausse zungen
hinsich lich
S o anspo
e üll
sind.
Diese
be e en
ne-
ben
dem
Misch e hal en
des
Fe men e s
o
allem
die
Ein agsgeschwindig-
kei
on
Wasse s o
und
Saue s o .
In
allen
bishe
bekann en
A bei en
wa en
diese
T anspo e
limi ie end,
so
daß
eine
lange
linea e
s a
expo-
nen ielle
Wachs umsphase
au a .
Dahe wa en
die
kine ischen
Pa ame e
e älsch .
Um
nun
die
Ein agsgeschwindigkei
on
Wasse s o
und
Saue -
s o
zu
e besse n,
s ehen
die
bekann en
d ei
Möglichkei en
zu
Ve ügung:
l.
E höhen
des
Konzen a ionsg adien en
(c¥
-
c_)
du ch
z.B.
:Anwenden
höhe-
e
D ücke.
2.
Ve g öße n
de
spezi ischen
Aus auschobe läche
a
du ch
z.
B.:
Ve kleine n
de
Blaseng öße.
3.
Ve g öße n
des
S o anspo koe izi-
en en
k,
du ch
Ve besse n
de
Tu bulenz
in
de
Phaseng enz läche.
Als
Schluß olge ung
diese
Übe legungen
soll e
ein
Fe men e
eingese z
we den,
de
diese
Vo ausse zungen
hinsich lich
S o anspo
und
Misch-
e hal en
ha
und
de
en sp echend
de
Mak okine ik
eine
Ve weilzei
au -
weis ,
so
daß
ein
op imale
Umsa z
gewäh leis e
is .
Falls
alle
Subs a e
im
Übe schuß
d.h.
übe
dem
We
de
k i ischen
Konzen a ionen
angebo en
we den,
soll e
zu
e wa en
sein,
daß
ein
Fe men e
mi
Mischung
und
Rüh -
nn
esesesi‘“‘“ai‘“<i<i<i<i<i<i‘<i‘i‘i‘i‘i
Einzelle p o ein
du ch
Knallgasbak e ien
91
kesselcha ak e is ik
den
bes en
Umsa z
e gib .
Aus
wi scha lichen
Übe -
legungen
he aus
dü e
wei e s
zu
emp ehlen
sein,
die
Gase
in
einem
ge-
schlossenen
Gask eislau
(d.h.
Regelung
des
Zu lusses
nach
dem
Pa ial-
d uck
des
Gases
im
K eislau )
zu
üh en.
Um
das
P oblem
des
S o ans-
po es,
dem
bei
Mul isubs a bedingungen
eine
besonde e
Bedeu ung
zukomm ,
und
de
Explosionsge ah
im
Falle
de
Knallgasbak e ien
zu
lösen,
is
es
no wendig,
neue
A en
on
Fe men e anlagen
einzuse zen.
Ein
Bio eak o ,de
sowohl
einen
e besse en
S o anspo ,
als
auch
die
Möglichkei
de
An-
wendung
eines
geschlossenen
Gask eislau es
e möglichen
könn e,
is
das
"Tauchs ahl-Begasungssys em"
(Fa.
Vogelbusch/Wien).
Bei
diesemSys em
(Fig.3)
wä e
das
P oblem
de
Explosionsge ah
du ch
die
Abwesenhei
eines
mechanischen
Rüh sys emes
besonde s
gu
gelös .
Zudem
is
die
inhä en e
Schaum e nich ung
in
diesem
Mischsys em
besonde s
e ek i ,
so
daß
wede
die
Zugabe
on
chemischen
An ischaummi eln,
noch
eine
zusä zliche
mecha-
nische
Schaumze s ö ungsein ich ung
e o de lich
wä en.
619.3.
Vogelbusch-IZ-Tauchs ahl-
Begasungssys em.
Biologische
Bewe ung
on
Knallgasbak e ien
-
EZP
Sowohl
das
o handene
Spek um
de
essen iellen
Aminosäu en
(Tab.1),
als
auch
die
E gebnisse
de
E näh ungs e suche
bei
Tie en
zeigen,
daß
Knall-
gasbak e ien
en wede
ü die
di ek e
Tie e näh ung
ode
ü
Ge eidean-
eiche ungszwecke
geeigne
sind
(7).
Aminosäu e
-
Zusammense zung
n.
Calloway
u.
Kuma
(1969)
Aminosäu e
Hyd ogenomonas
eu opha
Casein
(g/16
g
N)
(g/16_g
N)
Th eonin
4.52
4,30
Me hionin
2,69
3,10
Lysin
8,61
8,06
Isoleucin
4,58
6,59
Ty osin
35,26
5,86
A ginin
8,00
4.10
Alanin
8.80
3.38
Aspa aginsäu e
9,57
7,44

92
R.M.
La e y,
A.
Mose
und
W.
S eine
Biologische
Ve we ba kei
in
Tie e suchen
n.
Calloway
u,
Kuma
(1969)
P o einquelle
N-Ve we ung
%
Biologische
We
%
Casein
93
77
Hyd ogenomonas
eu opha
94
77
Tab.1.
Aminosäu e-Zusammense zung
und
Biologische
Ve we ba kei
on
Knallgasbak e ien-Einzelle p o ein.
Das
Lysin-Gehal
on
Knallgasbak e ien
is
z.B.
mi dem
des
Caseins
e -
gleichba .
Zwei
wei e e
k i ische
P obleme
beim
Einsa z
on
EZP
sind
e s ens
de
hohe
Nukleinsäu egehal
on
Bak e ien
und
zwei ens
die
Spei-
che ung
on
nich
e we ba en,
d.h.
bei
höhe en
Tie en,
in azellulä en
Speiche s o en
wie
Poly-ß-hydoxybu e säu e
(PHB).
Im
Falle
on
Knall-
gasbak e ien
können
diese
möglichen
nega i en
Eigenscha en
umgangen
we -
den.
Obwohl
PHB
de
häu igs e
Speiche s o
bei
Mik oo ganismen
is ,
las-
sen
sich
Knallgasbak e ien
gene isch
so
manipulie en,
daß
die
PHB-Syn hese
blockie
is ,
wäh end
die
Wachs ums a e
de
Zellen
un e ände
bleib .
Wei e hin
läß
sich
de
Nukleinsäu egehal
de
Zellen
du ch
eine
Hi ze-
schockbehandlung
seh
s a k
he abse zen
(8).
De
Ve dauungskoe izien
des"Knallgas"-EZP
und
ande e
A en
on
EZP
häng
om
Zus and
de
Zellen,d.h.
de
Zellwand
bzw.-memb an,
ab.
Tie e näh ungs-
e suche
haben
gezeig ,
daßdie
Ze s ö ung
de
Zellwand
bzw.
de
Zel1Imen-
b an
die
Ve daulichkei
desEZP
in
allen
Fällen
e höh
(9).
Da
die
Knall-
gasbak e ien
(Hyd ogenomonas
spec.)
g am-nega i e
Mik oo ganismen
sind,
de en
Zellwands uk u
physikalisch
schwäche
als
diede
g am-posi i en
O ganismen
is ,
dü e
pe
se
ein
Zellau schluß
mi
wenige
Ene gie
e
Einhei
de
Biomasse
du chzu üh en
sein.
Die
Me hoden
des
Zellau schlusses
und
die
anschließende
Au a bei ung
desEZP
sind
zum
Teil
bis
je z
wenig
un e such
wo den.
Zellau schluß
und
EZP-Behandlung
beein lussen
nich
nu
die
Wi scha lichkei
des
P ozesses,
sonde n
auch
die
biologische
We ig-
kei
des
P oduk es.
Es
is
z.B.
bekann ,
daß
ein
Ve lus
an
Lysin
du ch
zu
hohe
Tempe a u en
bei
de
Sp üh ocknung
onEZP
au e en
kann.
Knallgasbak e ien
als
eine
EZP-Quelle
besi zen
den
Vo eil,
daß
un e
che-
moli ho ophen
Wachs umsbedingungen
nu
ein ache,
physiologische,
unbedenk-
liche
Subs a e
e wende
we den.
Siche lich
können
die
bishe
e wende en
Näh lösungen
op imie
we den;
auch
eine
meh malige
Ve wendung
de
Näh lö-
sung
dü e
möglich
sein.
Wei e hin
wu de
in
le z e
Zei
es ges ell ,
daßeinige
Knallgasbak e ien
a mosphä ischen
S icks o
zu
ixie en
e mö-
gen
(10).
Diese
Aspek
des
S o wechsels
de
Knallgasbak e ien
könn e
zu
eine
wei e en
Ve ein achung
de
Gewinnung
on
EZP
mi
Hil e
de
Knallgas-
bak e ien
üh en.
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nn
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