Acta Biotechnologica: Volume 0, Number 0 [Reprint 2021 ed.] 9783112543467, 9783112543450

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o ' 1980 • Volume 0

Bioteclmiliica Journal of microbial, biochemical and bioanalogous technology

Akademie-Verlag Berlin

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Register of volume 0 (1980) and 1 (1981) Contents Number 0.1980 W.

SCHELER

fl.

9 . B J I Y M B E P T , M . E . E E K E P H . K . E P H B K A J I H E : POCT flpoJK>Keft H a n o B e p x H o c T H

: Foreword

3 raioT-

HOII c p e f l u H H e K O T o p t i e n p o 6 j i e M H (JIEPMEHTAPHH

K.

SATTLEB,

5

L . W Ü N S C H E : Aufnahme von Kohlenwasserstoffen durch Hefen (Teil I) . . . .

D. G. C O O P E R , J . E. Z A J I O and J . M. W O O D : The Emulsifying and De-emulsifying Properties of some Microbial Polysaccharides .

15

21

B . K O P P , H . - J . R E H M : Entwicklung und Toxinbildung von Aspergillus flavus im Festbett-

reaktor/Füllkörperreaktor

27

A. E I N S E L E , E . P U H A R : On-line Erfassung von Fluoreszenz und Kohlendioxidpartialdruck in

Bioreaktoren

33

P . M I H A L T Z and J . H O L L O : A Study of Water-Air Oxygen Equilibrium for the Analysis of

Deep Tank Aeration

39

J . D. S C H N E I D E R : Einfluß von Zustandsvariablen auf die Erhaltungs- und Verbrauchskoeffizienten bei mikrobiellen Prozessen

47

K. A.

KAJIYHHHII,

JI. A .

HAXAIIETHH,

H.

fl.

CTAJIBHAH,

B.

H . BOPHCOBA:

HMMO6HJIH-

sai^HH MHKpoÖHoro MOJioKOCBepTHBamero $epMeHTa Ha HeopraHHiecKOM HocHTejie . . . .

55

W. BABEL: Mischsubstratfermentation — ein energetisch begründetes Konzept

61

D. K I R S T E I N , F. S C H E L L E R and P. Hydrogenperoxide

65

MOHR:

Mechanism of Inactivation of Glucoseoxidase by

Number 1.1981 M. S O B O T K A , J . V O T R U B A , A. P R O K O P : Study of Direct Oxygen Transfer in a Submerged Cul-

ture

3

E . S T I C H E L , F . G L O M B I T Z A , U . I S K E : Paraffinübergang aus der Kohlenwasserstoffphase zur

Hefezelle R. GRTTNOW, M. S C H Ö N H E R R , U. T A U B E N E C K , I. Z I M M E R M A N N : Zur Struktur von Bakteriophagen aus enzymproduzierenden Bacillus-Kulturen

9 17

S. K I S H E N T A N G N U , H . W . B L A N C H , C H . R . W I L K E : Production of Xylanase by Streptomyees

xylophagus noc. sp

31

E. J . NKANGA: The Microbiology of Oyokpo, a Traditionally Fermented Millet Beer in Bendel State of Nigeria

41

A. B E U B L E R , K.-H. W O L F : Mathematische Grundlagen der Kinetik der autokatalytischen

Reaktion des wachstumsverbundenen Substratabbaues Jahresinhalt Acta Biotechnologica

49

2

Register

P. S C H E R E R , H. sarcina barkeri

SAHM:

Effect of Trace Elements and Vitamins on the Growth of Methano57

: Erfahrungen und Ergebnisse bei der wissenschaftlich-technischen Prognostizierung auf dem Gebiet der Biotechnologie

67

: Immobilisierung mikrobieller Zellen und deren Nutzung zur Substratwandlung — Eine Literaturstudie

73

W . KATTRUFF

R . BERGER

Number 2.1981 G. KLAPPACH, D . WEICHERT:

Rheologie von Fermentationslösungen

107

K.-H. WOLF: Bestimmung des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes bei heterogenkatalytischer Reaktion im hochdispersen Substrat-Mikroorganismus-Syatem 115 L . N Y E S T E , J . K I R C H K N O P F , J . B A T H O R Y , J . H O L L Ö : Bestimmung der Methanol-Konzentration im stationären Zustand mit einer biologischen Methode 127

L. W Ü N S C H E , B. K I E S E L : Inhibierung der Entwicklung von Bakteriophagen in Fermentationsprozessen durch Zusatz von Kohlenwasserstoffen 131 G.

HAMER

: Wall Growth in Laboratory Fermenters

139

J . D. S C H N E I D E R : Einfluß extracellulärer Konzentrationen auf die spezifische Wachstumsrate von Mikroorganismen 145 E. I. N K A N G A , N . U R A T H : Improved of Millet Beer — (Oyokpo) and Production of Single Cell Proteins from the Spent Grain 153 K . A . KAJiyHHHij: IIp0H3B0acTB0 öiiojiorHHecKM aKTHBHtix BemecTB

161

H . K N Ö L L , G. B R A D L E R , G. S C H I C H T , W . F O R B E R G : Das Autoselekt-System — ein Automatensystem zur Selektion von Antibiotikaproduzenten. I. Methodische Grundlagen und Umfang des Systems 167

G. S C H I C H T , G. B R A D L E R , H . S T E I N I N G E R , H . K N Ö L L : Das Autoselekt-System — ein Automatensystem zur Selektion von Antibiotikaproduzenten. II. Agarabfüllautomat 175 G. S C H I C H T , G. B R A D L E R , H . S T E I N I N G E R , H . K N Ö L L : Das Autoselekt-System — ein Automatensystem zur Selektion von Antibiotikaproduzenten. III. Ein Impfautomat zum Isolieren von Einzelkolonien 181 0 . VOLFOVA, E . K Y S L I K O V A :

Production of Cellulases during Growth of Trichoderma viride on

Cellulose B. M.KAHTEPE:

187 I I p H H I i H n H CHCTeMHOCTH K p H T e p H e B 8rHHecK0H npoMHiiraeHHOCTH yKopeHHJioct npejjCTaBjieime, HTO 6ojiee nporpecciiBHuivi H nepcneKTHBHHM MCTO^OM KYJITTHBHPOBAHHH MHKp00praHH3M0B 110 CpaBHeHHIO C IXOBepXHOCTHHM HBJIH6TCH TJiySHHHaH CFIEPMCHTANITH. fleitCTBHTejIbHO, COBpeMeHHOe npOH3BO;LCTBO aHTuSHOTHKOB, aMHHOKHCJIOT, BHTaMHHOB, «|)epMeHTOB, cnnpTOB, pacTBopiTTejieii H ppyrnx npo^yKTOB, a TaitrKe KpyiiHOTonnaJKHoe ixpoH3BOflCTBo ApojKHieii, ocHOBaHo Ha rjiy6nHHOM npoqecce. OCHOBHHM npeHMymecTBOM RJIYSNHHOH (jiepMeHTanHH HBJIHGTCH TO, MTO nejieBoii npo^yKT — BHEKJIETOHHOE BEMECTBO HJIH SnoMacca — jierne OTFLEJIHMO OT cyScTpaTa, roMoreHHo no BceMy o6T>eMy (JepMeHTHpyeMoit MaccH, nponecc npoTenaeT paBHOMepHee, ero j i e r K O KOHTpojinpoBaTi. H ynpaBJiHTB HM, B e e TEXHOJIORNQECKHE onepannn xoporno NOJIMAIOTCH MexaHH3au;HH H ABT0MATH3ANNN [ 1 , 2 ] . B TO we BPEMH HEOSXOFLHMO OTMBTHTB, HTO npn NP0H3B0ACTBE, HanpHMep, JIHMOHHOH KHCJIOTH, C rjiyonniiBiM METOFLOM ycneniHO KOHKypnpyeT nOBepxHOCTHHii, wiaBHHM 06pa30M, no TEXHOJIORNHECKHM COOopANTEHMHMM [ 3 ] . NO npHHMHe NEO6XOAHMOCTH npiiMeiieHHH cwtaToro B03^YXA JJJIH aapannn cpejjH H MEXAHH^ECKHX MemajioK HJIH nepeMentHBaHHH KyjibTypajiBHoft JKH,HKOCTH npn r.ny6wHHOM npou,ecce TpeSyioTCH fiojibmne 3 a T p a ™ aHeprnn — 3 n Sojiee KBT.HHa 1 Kr KHCJIOTBI. ^ojiroJieTHHii onHT Hcn0Jit30BaHHH n0BepxH0CTH0ii cfiepMeHTaniin npn npowoBO^CTBe JIHMOHHOH KHCJIOTH Ha 3KCNEPHMEHTAJIBH0M 3aBO,ie 6HOXHMHHGCKHX npenapaTOB HHCTHTYTA MHKPOBHOJIORHH HM. ABRYCTA KHPXEHIHTEHHA A H JIATB. C C P NOKA3HBAET BO3MOJKHOCTB ee nojtyqeHHH npn y^ejibHHx 3Hepro3aTpaTax Ha CTa^HH (JiepMeHTanHH 0 , 3 — 0 , 4 KBT.H Ha 1 Kr KHCJIOTH. TaKHM o6pa30M, Ha eRHHnny npo/jyKnHH npn rjrySHHHoft

6

fl. 9 . BnyMBEPr, M. 9 . B e k e p , M. K . Bphbkajihe

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P o c T inpoHWKett Ha noBepxHOCTH nnoTHOft C p e ^ H Korjja

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(13)

M 3 ypaBHeHHH ( 1 1 ) c j i e f l y e T , i t o CKOpocTb H H i ^ y s H H c y ô c T p a T a c noBepxHOCTH i i j i o t h o ö cpe^H

npHMo

nponopuHOHaJibHa

HaiajibHoñ

KOHijeHTpaiiHH

cyôcTpaTa

h

3kciiohgh-

n , i i a j i b H o n a f l a e T . Y i H T H B a H , h t o KJieTKH n o T p e ß j i n i o T n a C T b c y ô c T p a T a b n p o i i e c c a x , H e C B H 3 a H H H X IXpHMO C HX pOCTOM, M05KH0 O n p e f l e j I H T b B n e p B O M n p I l S j I H Î K e H H H H a i a j i b H y i o K O H i j e H T p a i i H i o c y ö c T p a T a , HiiJKe K O T O p o f t p o c T k j i c t o k H a n o B e p x H O C T H h j i o t h o í í c p e ^ H H e

PocT jipoHOKeä Ha noBepxHocTH njioTHoit cpe^H

11

npoHCxoflHT, TaK KaK Beci> noTOK cyScTpafa noTpeßjiseTCH b npoijeccax, He CBHaaHHHx c pocTOM. ripii xko = nojiynaeM: o

.

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( 1 4 )

r^e a — yaejitHan CKopocTb nojmepjKaHiiH 9 t o coBua^aeT c AaHHuin npyrnx aBTopoB [13, 10], ixoKa3aBmHx, hto noporoBa« kohn;eHTpanHH yBejiHHHBaeTCH c yBejinqeHHeiw riapmiaJibHoroflaBJieHHHKHCJiopofla, npnieM ÔHCTp'o noBHmaeTCH noTpeSjieHiie cyöcTpaTa b npon;eccax, He CBHaaHHHx c pocTOM KJieTOK. npoAyKTHBHOCTb (Q) (JepMeHTai^HH Ha noBepxHocTH HJIOTHOÖ cpe^H MOÎKHO npejiCTaBHTt cjie^yiomHM ypaBHeHHeM : (3 «

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V

V

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(15)

t • V c

rae VK — o6i.eM kojiohhh Vc — oöieM cpeflH MaKOHMajibHaa npoayKTiiBHOCTb (JepMeHTaqnH flocmraeTCH, ecjin KJieTKH pacTyT c nocTOHHHoit yaeJibHoft cKopocibio pocTa (¡u), t. e. bo BpeMH nepBoft (JtasH (ij h, ecjin Vk = f(i). T 0 1) De

h

oi^eHKH fljiHTejibHocTH nepBoií ( J a s a pocTa onpe^ejineM momcht, Kor,n;a cpejjHHH noTOK flH(|)$y3HH c noBepxHocTH, Ha KOTopoft SÄ = 0 h epe^HHit hotok cyCcTpaTa, noTpeÖJiaeMoro KOJioHHeft npii 3Kcii0HeHiinajibH0M pocTe, paBHu: QVkoP Yt

(17) 0

0

Ms ypaBHeHHH (14) npn e ti

P

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n'Dx

i

1

2

nojiyiaeM

QVko)

noflCTaBHB ypaBHeHHH (16) h (18), nonyiaeM

710

M l

71

QVko /

(19)

CjieffOBaTejibHO, npoayKTHBHocTb (JtepMeHTaijiiH Ha iuiothhx epe^ax nonopijonHajibHa y^ejibHoñ CKopocTH pocTa MHKp00praHH3M0B, iiaiajiBHoii KOHijeHTpaiiHH cyßcTpaTa h BKOHOMHTOCKOMy K03(|)K/KeftHa noBepxHocTH arapoBoü cpe^H HaßjnoflaioTCHflBeotjihHHTejibHHe no xaparaepy pocTa a3ii.

12

H . 9 . BJIYMBEPR, M . 9 . E E K E P , H . K . EPHBKAJIHE

H a p u e . 5 NOKA3AHH n o n e p e i H H e p a a p e a t i KOJIOHHH a p o / K / K e ñ B p a 3 H H e MOMGHTM HX pa3BHTHH. BHHHO, ITO B T e i e H n e n e p B H x 5 0 q a c o B t o p a i a

KOJIOHHH c y m e o T B e H H o

He

MeHHeTCH. 9 T O 3 H A I H T , I T O y f l e j i b H H e C K o p o c T H p a ^ n a j i L H o r o H B e p T H K a j i b H o r o p o c T a B

BpeM>7, vact/ PHC. 4 . KHHeTHKa RHaMeTpa KOJIOHHH (XK) H BLICOTH KOJIOHHH (yK) npojKiKeii H a noBepxHOCTH 2 % MCJiaccHoñ c p e n t i

Paguyc

KO/IOHUU,

npn

pocTe

MM

PHC. 5 . IIojiOBHHa n o n e p e r a o r o p a 3 p e 3 a KOJIOHHH n p o w m e i i Sacch. eerevisiae H a p a 3 H H X CTaflHHX p p c T a

14

1 — 27 q a c 2 — 47 q a c 3 — 1 1 9 qac (MacmTaô 1 : 2 )

3T0T NEPHOH BPEMGHH p a B H i i . I l o j i o r a p H ( j » i y OT PAßNAJIBHOH CKOPOCTH pocTa MOÎKHO onpepieJiHTb ero yaejibHyio CKopocTb. E C J I H oHa paBHa yaejitnoH CKopocTH BepTHKajibHoro pocTa, MOJKHO o n p e ^ E A H T T TAI;H;E y^e.NBHYIO CKopocTb pocTa APO/K/ÏTEFI Ha noBepxH o c T H njiOTHOH o p e ^ H .

T a ß j i . 1 . Y n e j i b H a H C K o p o c T b p o c T a n p o a o K e ñ Sacch. eerevisiae B u p a m e H H B i x H a njioTHHX c p e R a x c pa3JiHHHbiMH c y ô c T p a T a M H Mejiacca

fi

/o 0,05 0,5 2

rjIK>K03a

i«

9TaH0Ji %

0,33 0,28 0,43 0,07 0,09 0,06

1,5

/o 0,25 0,36 0,41

0,05 0,5 2 10 15 20

0,23

14,

PocT HpoJKHtefl Ha noBepxHOCTH njioTHOit cpeflH

13

B Taßjinqe 1 npiiBeaeHLi yaejibHiie CKopocTH ( ± 2 0 % ) pocTa flpoHtJKeä Ha noBepxHocTH HJiOTHHx cpefl, COFLEPJKAMNX HGKOTopue cyöcTpaTH B pa3HHX KOHi;eHTpai;HHx. CpaBHeHH6 n o j i y i e H H H x ^ a H H u x no pocTy ^poatHteii Ha 3TMX me cyôcTpaTax B rjiyÖHHHHx ycjioBHHX

c jiHTepaTypHHMH

RaHHtiMii noKa3HBaeT,

HTO ynejibHHe

CKopocTH

pocTa

FLPOJKHÎEII B O0OHX c j i y i a n x CYMECTBEHHO HE OTJiiinaiOTCH [14, 15, 16]. ILPOHSBOAHAH n o

BPEMEHH OT jiorapntJtMa paRHajibHoft CKopocTH pocTa KOJIOHHH BO

BTOPOH (fiaae PA3BHTHH HA HJIOTHOH cpe^e NNAMETPOM 50 MM H TOJIIUMHOÍÍ 1 MM, HAXO«HTCH B n p e ^ e j i a x OT 0,014 FLO 0,027 n a c - 1 , a n p n BLIPAMIIBAHHII NPOJKHTEÖ HA cpejje FLNAMEIPOM 90 MM -

0 , 0 0 6 - 0 , 0 0 8 HAC" 1 .

ECJIH npHHHTb K08(|M|»HnHeHT flH(j«í»Y3HH TJIIOK03H B arapoBoft cpe,n,e n p n T

=

3 0 ° 3a

5,5 • I O - 6 CM2/CEK [ 9 ] , TO n o (Jopivryjie (13) nojiyqaeM 0,01 l a é - 1 B nepBOM c j i y i a e H 0,003 n a c - 1 — BO BTopoM. OTCio^a BH^HO, HT O PACNETHUE H OKcnepHMeHTajibHbie PE3YJIBTAT£I coBna^aioT.

BpeMH, gmj PHC. 6. KnHCTHKa pocTa HpojKmeii Sacch. c HwaMeTpoM 9 CM

cerevisiae

14 Ha yaiiiKax IleTpH

1 — pannajibHan cKopocTt pocTa 2 — jiorapHcpM paflaajibHOft CKopocTH pocTa 2%-Han MejiaccHan cpejiá; TojinjHHa miTaTentHoñ cpe^ti — 5 MM

H a pHC. 6 noKa3aHH KMHejHKa paflHaJibHOH CKopocTH H jiorapwfiM paflnaJibHOñ CKopocTH pocTa KOJIOHHH apojKJKeft n p n pocTe Ha á % - H o f i M e j i a c c H o ñ c p e ^ e jpiaMeTpoM 90 MM H TOJIINHHOH 5 MM. H3 pHC. 6 6 o j i e e OTHGTJIHBO, NEM H3 p u e . 4 BH^HH p¡Be x a p a K T e p H i i e $ a 3 H pocTa. MaKCHMajibHan p a a n a J i t H a a CKopocTb pocTa HOCTiiraeTCH K KOHny 4 8 - o r o n a c a pa3BHTHH H oocTaBjineT 60 MKM/iac. I l o ypaBHeHHio ( 1 8 ) , n p n ¡i Y

=

0,5, g =

0,1 r/cM 3 , n o J i y i a e M

=

=

0,3

iac_1,

20 l a c o B . fljiH noJiyieHHH 6ojiee TOHHOS Bejin-

HHHH RjiHTejibHocTH nepBoft (|)a3H: p o c T a He05x0RHM0 peniHTb ypaBHeHHH ( 3 ) , ( 7 ) , (8) H ( 9 ) . Ii3yHernie

BJIHHHHH IIJIOTHOCTH 3aceBa

CBOOO^HOM noBepxHocTH

nHTaTejibHoñ

noKasHBaeT, HT o n p n 3aceBe Been noBepxHocTH 2 % - H O Í Í MeJiaccHoñ c p e ^ H

cpeflii

flnaMeTpoM

90 MM H TOJimHHOñ 5 MM npnpocT SiiOMaccLi B TeneHHe 24 nacoB cocTaBJineT 24 MR ( 8 5 % OT TeopeTHiecKH

B03Mo?KHoro n p n

3KOHOMHH6CKOM K09$(|)HnHeHTe 0 , 5 ) .

ITpii

3aceBe

oflHoii COTOH nacTH noBepxHocTH cpeflH npHpocT ßiiOMaccti 3a 3TOT H?e nepnop; BpeMeHH COCTABJINET 3 MR HJIH 7 , 5 % OT MAKCHMAJIBHORO.

14

FL. 9. BnyMBEPr, M. 9. EEKEP, H. K. Bphbkajihe

PacneTH Ha 9 B M noKasHBaioT, ITO B n e p B O M c n y i a e n p n p o c T ßiioMaccH nojiHteH c o c T a BHTB 7 2 % OT MaKCHMantHo BoaMOJKHoro h BO BTopoM cjiyiae — PesioMHpyH

Buine

H3jioweHHoe,

mojkho

KOHCTarapoBaTi,,

16%.

HTO n p a epMeHTan;HH

Ha

n j i O T H H X cpe^ax CKopocrc. pocTa BO BTopoit (Jiase j i H M H T i i p y e T C H ^H(|»(|»yaHefi cyßcTpaTa

H B IjejIHX yBeJIHTOHHH IjpOflyKTHBHOCTH CHCT6MHflJIHpOCTa MHKpOOpraHHBMOB IjeJieCOOÖpaaHO HCnOJItaOBaTL laCTimH MHHHMaJIbHHX pa3MepOB 0 MaKCHMaJILHO HOnyCTHMOft (He CHHHiaromeit ¡j) KOHqeHTpai^neit cyßcTpaTa, oöeqneHHB n p a BTOM iijiothhS aaceB HOBepXHOCTH ÖHOMaCCOÖ. K y j I b T H B H p O B a H H e M H K p O O p r a H H 3 M O B Ha n O B e p X H O C T H n J I O T H H X c p e f l , BBHfly 3aMeTHO CHHHteHHHX BHeprosaTpaT, hbjih6tch nepcneKTHBHHM ajih nojiyieHHH MiiKpoÖHoro 6ejiKa h niflpojiaa nojiHcaxapH^oB H3 KpaxMajio- h i;ejiJii0Ji030C0flepHiamHx cyßcTpaTOB. Eingegangen: 28. 12. 1979

JlHTepaTypa [1] Aììba III., Xem

or its more general form c

(3

* = mRT

>

the following remarks can be made: 1. In the case of very dilute solutions, the correct expression of Cx as a mole fraction according to HENRY'S law is proportional to the corresponding weight fraction without any considerable error. Up to this limit the same holds true for the relation between fugacity and partial oxygen pressure. 2. Owing to the additivity of partial pressures and the proportionality between molar fraction and vol.-%, the partial pressure of oxygen can be described as a product of measurable quantities: V = Pct

(4)

3. Analysis of the data available in the literature show that the temperature dependence of the He constant in the oxygen-water system in the range of 0—30 °C is, in good approximation, linear. 4. Starting from equation (3) we may try to elaborate an approximative formula for one of the conventional tables of equilibrium dissolved oxygen, with the use of the implicit fixed partial oxygen pressure (0.2095 atm). I t is not necessary to give the dimensions of constant He and the universal gas constant. For numerical evaluation of the C1XT1 values of the CMEA table [1], we studied the dependence of the product (HeR) on the absolute temperature. With the use of equ. (3), our above point 2., partial pressure N/m 2 , absolute temperature K° and dimensionless CX1 weight fraction: Pct {HER)

20950 R

=

(5)

in the temperature range 0—30 °C (273—303 °K) the data can be fitted to the equation of the straight line {HeR) = 0.13534 • 10« T, - 31.729 • 106

(6)

by a correlation factor of 0.999984. At 99% significance level and v = 16, the value of the slope is within the reliability range of ±0.043% (Student's statistical test). Then expression (6) can be substituted into formula (3) to obtain an approximative relationship which takes into account also the effect of P, ct and temperature:

px =

Eh

0.1353 • 10" T 2 - 31.73 • 10® T

y

m '

Comparison of values C ^ calculated by relationship (7) and those given in Table [1} gives an error below 0,58% in the temperature range 0—30 °C.

42

P. Mihaitz, J. HOLL6

An example for deep tank oxygenation with activated sludge The above relationship shows the practical role of factors affecting the Cx value. Our aim has been to establish accurately by means of equ. (7) the driving force conditions determining the rate of oxygen transfer. The driving force expressed in equ. (1) simply as the difference (G x — C) may, namely, lead to erroneous results. To present an example, we examined the oxygen transport processes of two activated sludge tanks of typical depths aerated by bubbling. In the presence of dissolved and suspended contaminants, the known /? factor, which expresses the deviation from the pure water-air system, must also be taken into consideration (7): 0.1353 • T2 -

(8)

31.73T

where C/ is expressed in terms of g/m 3 or in mg/1 units. Let us presume oxygen transfer efficiency to be = 2 3 % and 0 U _ 1 2 = 4 1 % in tanks of 5 and 10 m depth, respectively. Thus, the oxygen content of gas bubbles leaving the liquid phase is stabilized as c (2 = 0.17 and cn2 = 0.135 v/v, respectively. The driving force conditions of oxygen transfer are presented in a diagram containing also the above symbols where the oxygen contents of gas and liquid phase are indicated on the axes (Fig. 2). Equilibrium compositions are plotted by oblique straight lines starting from the origo, indicating as parameters total pressures corresponding to various water depths of y = 0—10 m at a given temperature (18 °C; ft = 0.95.6). The approximation accepted for bubbled tanks is the socalled plug-flow behaviour of the gas phase; thus, statistically, one particular bubble loses oxygen on its ascending course to an extent determined by the rate of transfer. The behaviour of the liquid phase is accepted, on the other hand, as a completely mixed state [8, 9]. Accordingly, in steady state microbe respiration may develop an identical level of dissolved oxygen at every point of the tank, in our example the typical value: — C2 — Cl2 = 2 mg/1. Naturally, in addition to hydrodynamical conditions, this requires also uniform distribution of sewage inlet and outlet in the tank. Points 1; 2 and 11; 12 characteristic of the bottom and surface of 5 and 10 m tanks

0,25

^

2

1

6

8

10

K

o

it

12

n

C,

fi

16

1

ft

i

10

18

Tig. 2. Driving force conditions in two (5 and 10 m. deep) aerated tanks

43

Water-Air Oxygen Equilibrium

can be indicated in the diagram by the given data of phase composition. The lines connecting these joints may be denoted as' operating lines characteristic of changes in the composition of the gas phase and the liquid environment (1—2 and 11 — 12, respectively). It is easy to see that the cross section of a given height of the basin corresponds to any point of these lines. From the equilibrium lines pertaining to corresponding water depths, the horizontal lines drawn from the end points of the operating lines cut out, under given conditions, the equilibrium composition of the liquid phase. The lines 1*—2* and 11*—12* obtained in this way are denoted as equilibrium operating lines. The local driving force of transfer is equal to the horizontal distance between the point pairs of the operating line and equilibrium operating line. I t can be seen that in both cases the driving force undergoes considerable changes between the surface and the bottom. Typical values of water depths and oxygen transfer efficiency are based on reliable experimental data [8,'9], I t was also found that the oxygen content in the gas phase showed an approximately linear relationship with the length of the path made by the bubble. On the, basis of this, we established the real points of equilibrium operating lines on consecutive equilibrium lines between end points 1*—2* and 11*—12* in identical vertical steps of Act - As can be seen, even at 10 m water depth there was only slight deviation from the straight line drawn by points and dashes. Between two straight lines, on the other hand, the known logarithmic formula can be used as a correct expression of the average driving force, e.g., in the first case:

In case of a perfectly mixed liquid phase, this can be further simplified, since C t = C 2 : n x

n x

cF^c, The fulfilment of latter condition was considered as proven experimentally by J A C K S O N and S H E N [ 9 ] . In the experimental part of their communication, devoted to the evaluation of measurements, they compare formulas derived analytically and determined by various approximations with the simplest expression most generally applied for the determination of the arithmetical mean equilibrium of dissolved oxygen: , °

¿VM +-P 2 c i 2 2H

C\*-C2* 2

(11)

In a biological system equ. (10) is suitable above equilibrium for the expression of the real average driving force (the case of C > 0). From the convincing experimental data of J A C K S O N and S H E N the following simple approximation can be derived for the depth dependence of the oxygen content of the ascending bubbles c, = 0.2095 - 0.0051«/

(12)

With the use of formula (12), Fig 3 plotted on the basis of the data of Fig 2, shows the deviation between the mean driving force expressed by equ. (10) and the arithmetical mean (c* — C) expressed by formula (11).

44

P . MIHALTZ, J . H O L L O

Considerable deviation can be observed even in case C = 0, i.e., in sulphite oxidation measurement at considerable tank depths. JACKSON et al. [ I I ] also studied the effect of a porous air diffuser generating essentially greater interfaces than obtained in the cited communication [9]. With this ceramic diffuser substantially higher 0 values were observed at identical lengths of bubble path. It may be presumed, therefore, that the approximation according to (12) is valid also for higher G values charakterizing the steady state of the biological system. In this case, however, the deviations indicated in the figure show an extremely high increase, which renders the use of the arithmetical mean driving force irrealistic.

1,0

0,9 0,8

max fi s i und max /iS2 ist, nicht einfach auf die Erhöhung der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit zurückgeführt werden [21]. Dagegen läßt sich die erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit durchaus auch als Überwindung eines Flaschenhalses im Stoffwechsel interpretieren, sie muß nicht notwendigerweise durch ein Ausbalancieren des Kohlenstoff/Energie-Verhältnisses zustande kommen. In der Tabelle 1 sind weitere Beispiele für die Erhöhung der Wachstumsgeschwindigkeit bei Verwendung von Substratgemischen zusammengestellt. Bei den Kombinationen Ethanol/Saccharose — Candida utilis (E. FEILER, pers. Mitteilung) und Methanol/ Xylose — Hansenvia jjolymorpha wurden um ca. 10% höhere Ertragskoeffizienten ermittelt. Tabelle 1. Maximale spezifische Wachstumsraten von Hansenula polymorphe, beim Wachstum auf verschiedenen Substraten und Substrat-Kombinationen Substrat

Substrat-Kombinationen Methanol

Methanol Xylose Glycerol Ethanol Fructose Saccharose Glucose

0,155 0,12 0,16 0,305 0,275 0,23 0,41

Ethanol

0,21 0,225

0,407 _1

0,37 0,315 0,409

Die Wachstumsgeschwindigkeit ß (h ) wurde aus batch-Experimenten ermittelt. Bei den einzelnen Substraten wurde eine Startkonzentration von 1 g/1 gewählt. Die Mischungsverhältnisse für die verschiedenen Substratkombinationen wurden variiert. Die Wachstumsgeschwindigkeiten ergaben sich bei einem Mischungsverhältnis von 1:1, dabei erfolgte die Utilisation der Substrate simultan.

64

W . BABEL

Im Falle der Kombination reduzierte CVVerbindung/Kohlendioxid haben wir es mit einem Extrem des Co-Metabolismus bei der chemo-organo-heterotrophen Ernährung zu tun, die Art der C0 2 -Assimilation könnte ähnlich wie die Assimilation von Methanol via Ribulosediphosphat-Weg [22, 23] sogar als chemo-organo-autotroph charakterisiert werden. Aber gewissermaßen das Extrem dieses Auxiliarsubstrat-Prinzips ist realisiert bei der chemo-litho-autotrophen Ernährung zum Beispiel von „Knallgasbakterien". Das Konzept basiert auf starken Vereinfachungen. Die Einteilung der Substrate bleibt im Prinzip auch erhalten, wenn der Berechnung die Freien Standardbildungsenthalpien der einzelnen Reaktanten zugrunde gelegt werden, und es gibt Beispiele, die dieses Konzept bestätigen, so daß nunmehr biochemische Fragen, insbesondere nach der Regulation dieser bioenergetischen Prozesse, in den Vordergrund treten. Aus eigenen Experimenten wissen wir, daß die Kapazität für die Assimilation (immer) kleiner ist als die für die Dissimilation. Nur wenn eine bestimmte Substratkonzentration nicht überschritten wird, und bei einem bestimmten Mischungsverhältnis kann das Mischen von Substraten zu einer effektiveren Ausnutzung führen. Thermochemische Methoden bieten sich für die Optimierung besonders an. Eingegangen: 17. 12. 1979

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Acta Biotechnologica 0 (1980) 0, 6 5 - 6 6

SHORT

COMMUNICATIONS

Mechanism of Inactivation of Glucoseoxidase by Hydrogenperoxide D . KERSTBIN, F . SCHELLER a n d P . MOHB

Akademie der Wissenschaften der DDR, Zentralinstitut für Molekularbiologie, Bereich Angewandte Enzymologie 1115 Berlin-Buch, DDR

The application of glucoseoxidase (GOD) for preparation of gluconic acid in enzyme reactors [1, 2] or for removing of oxygen or glucose from foodstuffs [3] is restricted by its irreversible product inactivation by hydrogenperoxide. To minimize this process several groups coupled the GOD catalyzed reaction with H 2 0 2 -decomposition by inorganic catalysts [4] or by catalase [5—7]. Coimmobilization of GOD and catalase was rather effective but catalase is inactivated also [8], therefore H 2 0 2 decomposition is not a succesfull method to get a long "working stability". Some hints were given in the last year that the inactivation of flavoenzymes occurs by primary radicalic products of the flavoenzyme catalyzed oxidation by oxygen, especially by the 0 2 - and OHradical [9]. The participation of flavin semiquinone and 0 2 -radicals in the GOD catalyzed reaction was postulated on the basis of the one-electron mechanism with the model substrates furanoin and nitroxid [10]. Since oxidized GOD is less destroyed by H 2 0 2 than the reduced form the formation of OH-radicals by the reaction of 0 2 with H 2 0 2 may be responsible for the desactivation of the working enzyme. Therefore, the addition of the OH scavanger mannitol [11] as well as the 0 2 destroying agents superoxide dismutase and Cu 2+ [11, 12] would have to increase the functional stability of the enzyme provided that these species are involved in the desactivation reaction. Therefore, we tested different types of procedures to prevent radicalic attack of the GOD molecule. Materials and methods The enzymes used were commercial products: Glucoseoxidase (P. notatum) VEB Arzneimittelwerk Dresden, 46 U/mg; catalase (beef liver) Reanal, Budapest, 2000 U/mg; peroxidase (HRP) (horse radish) VEB Arzneimittelwerk Dresden, 32 U/mg; superoxid dismutase (SOD) (beef erythrocytes) Sigma Chemical Co. St. Louis/USA, 2700 U/mg. Glucose, mannitol, copper-(II)-sulfate, hydroquinone were used as reagent grade chemicals without further purification. The experiments were performed in a titration vessel (10 ml) at 25°C and pH 5.6 (exception: SOD experiments at pH 7.5) using a Radiometer pH-stat device for measuring the reaction rate (gluconic acid production) [13]. The solutions were aerated by means of a membrane pump; a constant glucose level was held by addition of a concentrated glucose solution (500 g/1). 5

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Results and discussion The half lives of GOD inactivation are given iij table 1 for the different systems studied. Copper ions and superoxidde dismutase do n o t stabilize the GOD, moreover t h e stability is decreased. The best possibility of GOD stabilization we found is a consecutive reaction, catalyzed b y H R P . We choose hydroquinone as modelsubstrate of this reaction because its oxidation product p-benzoquinone is not accumulated in t h e reaction mixture b u t as a GOD-substrate [14] it is recycled to hydroquinone. Table 1. Half live of GOD inactivation during glucose oxidation by oxygen in several systems GOD-concentration: 20 mg/1 glucose concentration: 30 g/1 Additional component

concentration [g/1]"

*l/2 [min]

Cua+ SOD mannitol

2.49 • 10" 2 4.50 • 10- 2 182.2

95.3 103.3 191.0 194.5 368.7 541.5

—

catalase HRP/hydroquinone

5.43 • 10- 2 lo-J/io

The ineffectivity of the 0 2 - and OH-scavangers underlines t h a t these species are n o t responsible for the desactivation of the enzyme. This is in accord with the small difference in the redox potentials of the two separate electron transfer reactions of the GOD [15] preventing t h e generation and stabilization of the radical form of the enzyme in t h e presence of a n excess of glucose. The rather good stability in connection with a consecutive H R P catalyzed reaction of H 2 0 2 with a hydroquinone/quinone-pair opens possibilities of prolonged GOD application, e.g. with spacer mediated coupling of quinones to a solid G O D / H R P biocatalyst. Eingegangen: 20. 3. 1980

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Acta Biotechnologica 0 (1980) 0, 6 7 - 6 8

BOOK REVIEWS W A N G , D . I . C . ; COONEY, C. L . ; D E M ARN,

A . L . ; DÜNNILL,

P.;

HUMPHREY,

A. E.;

LILLY, M . D .

"Fermentation & Enzyme Technology" New York, John Wiley & Sons, 1979 (aus der Reihe "Techniques in Pure and Applied Microbiology" herausgegeben von C.-G. H E D Ü N , Karolinska-Institut, Stockholm) In 14 Kapiteln werden mikrobiologische, biochemisohe und verfahrenstechnische Grundlagen der Biotechnologie dargestellt. Die Autoren sind sämtlich langjährig auf den ausgewählten Gebieten in Forschung und Lehre tätig. Das Buch ist das schriftliche Konzentrat eines Kurses über Fermentationstechnologie, der unter maßgeblicher Beteiligung der Autoren seit 1962 jährlich von M. I. T. veranstaltet wird. Dem Studenten der Biotechnologie, der angewandten und technischen Mikrobiologie, der technischen Biochemie oder der Bioingenieurtechnik sowie dem aus Mikrobiologie, Biochemie, Chemie oder Ingenieurwissenschaften hervorgegangenen Praktiker in der mikrobiologischen und biochemischen Industrie wird mit diesem Buch ein sicherer Führer durch die methodischen Grundlagen der Biotechnologie in die Hand gegeben. Die Auswahl der Beispiele ist, trotz der Jugendlichkeit des Gebiets, klassisch zu nennen. Die angeführte Literatur markiert die Fixpunkte einer nunmehr drei Jahrzehnte währenden stürmischen Entwicklung der Biotechnologie. Der mit biotechnologischer Forschung Beschäftigte wird nicht in gleichem Maße befriedigt sein. Für ihn werden eher die Lücken sichtbar, die die biotechnologische Forschung auf wichtigen Teilgebieten bis jetzt nicht geschlossen hat, so z. B. zur sterilen und unsterilen Prozeßführung, zur Prozeßführung der anaeroben und photosynthetischen Fermentation, zu Prozessen mit pflanzlichen und tierischen Zellen. Er wird neuere Entwicklungen und Theorien vermissen, so z. B. zur Fermentortechnik oder zur Wirkung von Phagen auf den Fermentationsprozeß. Es wird ihm auch auffallen, daß die Autoren die mikrobiologische Technologie ausschließlich methodisch darstellen, die biochemische Technologie jedoch mit Elementen einer beschreibenden Technologie auffüllen. Das Buch stellt sich somit als ein ausgezeichnetes Lehrbuch für den Anfänger und Praktiker dar, weniger als ein Lernbuch das dem Kundigeren auf dem Gebiet der Biptechnologie Anregungen zum Nachdenken über aktuellste Problemstellungen gibt. In der Lehre wird es seinen Platz finden und mit Sicherheit als ein Standardwerk geschätzt und genutzt werden. M. RINGPFEIL

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K . A . KALUNJANZ, L . I. GOLGER

MnKpoÖHbie «giepMeHTHbie npeiiapaTti Technologie und Ausrüstung Moskau, Verlag Lebensmittelindustrie, 1979, (russ.) 304 Seiten, 53 Tabellen, 95 Abbildungen, 149 Literaturangaben Die Gewinnung von Enzympräparaten auf mikrobieller Basis gewinnt in den letzten J a h r e n mehr und mehr an praktischer Bedeutung. Das vorliegende Buch spiegelt die umfängreichen und fortgeschrittenen Erfahrungen der Sowjetunion auf diesem Teilgebiet der Biotechnologie wider. Nach einem kurzen Abriß, über die Entwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen und über den Aufbau industrieller Produktionen innerhalb der mikrobiologischen Industrie der UdSSR werden Technologien und Ausrüstungen zur Herstellung von Enzympräparaten ausführlich beschrieben. Zunächst werden die allgemeinen Grundlagen (Aktivitätsbestimmungsmethoden, Mikroorganismen, Nomenklatur der in der UdSSR hergestellten Präparate) vorgestellt. Anschließend werden die technologischen Voraussetzungen und Bedingungen bei der Kultivierung von Mikroorganismen zur Gewinnung von Enzympräparaten mit höchster Aktivität bei der Applikation ausführlich erläutert (zweckmäßigste Nährmedien, Grundlagen der Submers- und Emers-Verfahren, Gewinnung der Enzymlösungen und ihre Aufkonzentrierung, Abtrennung und Konfektionierung der Enzyme, Aufarbeitung der Rückstände). Kurz wird auf das Gebiet der immobilisierten Enzyme eingegangen. Der erste Teil des Buches wird mit der Beschreibung einiger technologischer Schemata zur Gewinnung von Enzympräparaten abgeschlossen. I m zweiten Teil befassen sich die Autoren sehr ausführlich mit dem gegenwärtigen Stand der bei der industriellen Enzymproduktion eingesetzten Ausrüstungen und Geräte, wobei sowohl sowjetische als auch international anerkannte Typen berücksichtigt wurden. Neben der technischen Beschreibung und der Angabe der möglichen Einsatzgebiete wird Wert auf die Darstellung der erreichbaren Effekte gelegt. Spezielle Aufmerksamkeit wird den modernsten technischen Lösungen, so den Methoden und Apparaturen der Membianfiltration, der kontinuierlichen fraktionierten Enzymtrennung, der Granulierung und Mikrokapsulierung der Enzympräparate u. a., gewidmet. Gesonderte Abschnitte befassen sich mit den Ausrüstungen zur Vorbereitung der Nährmedien, den Apparaturen zur Submers- und Emerskultivierung der Mikroorganismen, den Ausrüstungen zur Abtrennung der Biomasse, zur Konzentration und Reinigung der Enzymlösungen, den Trocknungsanlagen, den Apparaten zur Konfektionierung der Enzympräparate sowie mit der Beschreibung kompletter technologischer Linien und der Behandlung von Fragen der Sicherheitstechnik. Durch seinen gut gegliederten und übersichtlichen Aufbau und die klare und verständliche Darstellung ist das Buch besonders f ü r Studierende (Fachrichtungen Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie, Biowissenschaften u. a.) und sowohl f ü r Forscher als auch f ü r Praktiker in Instituten (Grundlagen- und angewandte Forschung) und Betrieben (Projektierung, Versuchs- und Produktionsanlagen, Chemieanlagenbau) geeignet. Sehr wertvoll kann es f ü r die Fachleute sein, die ingenieur- und verfahrenstechnisch für das in stürmischer Entwicklung begriffene Gebiet der Biotechnologie tätig sind. W . KAURUFF

Entwicklung von Laborfermentoren VI. Reinhardsbrunner Symposium, veranstaltet von der Sektion Mikrobiologie der Biologischen Oesellschaft der DDR und dem Institut für Technische Chemie der Akademie der Wissenschaften der DDR vom 21.—27. Mai 1978 Herausgegeben von Manfred Ringpfeil (Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften der DDR, Abteilung Mathematik — Naturwissenschaften — Technik) 1980. 366 Seiten - 211 Abbildungen Bestell-Nr. 762 802 2 (2001/79/3/N)

gr. 8° -

56,- M

Laborfermentoren sind zu einem Hauptinstrument bei der Durchführung von Grundlagenuntersuchungen in der Mikrobiologie und Biochemie geworden. Die Geschwindigkeit der Bereitstellung von Laborfermentoren, deren Leistungsfähigkeit und Qualität der Ausrüstungen bestimmen den wissenschaftlich-technischen Fortschritt auf dem Gebiet der Biotechnologie und damit die Schaffung der Grundlagen des weiteren Aufbaus der mikrobiologischen Industrie in der DDR. Die Anwendungsgebiete von Laborfermentoren umfassen aerobe und anaerobe Techniken, ungeschützte und sterile Fermentationssysteme sowie Photosynthesen. Bestellungen durch eine Buchhandlung erbeten

AKADEMIE-VERLAG DDR-1080 Berlin, Leipziger Str. 3—4

Contents

W . SCHELER : Foreword

3

H. 9. EjiyMBEPr, M. E. Eekep, H. K. Bphbkajihe: Poct npoHMKeü Ha noBepxhocth njiOTHoft cpe^H h HeKOTopue npoôjieMH (JepivieHTanHK

5

K . SATTLER, L. WÜNSCHE : Aufnahme von Kohlenwasserstoffen durch Hefen (Teil I )

15

D . G. COOPER, J. E . ZAJIC and J. M. WOOD: T h e Emulsifying and De-emulsifying

Properties of Some Microbial Polysaccharides

21

B. KOPP, H.-J. REHM : Entwicklung und Toxinbildung von Aspergillus flavus im Festbettreaktor/Füllkörperreaktor

27

A. EINSELE, E. PUHAE: On-line Erfassung von Fluoreszenz und Kohlendioxidpartialdruck in Bioreaktoren

33

P. MIHÂLTZ and J. HOLLO : A study of water-air oxygen equilibrium for the analysis of deep tank aeration

39

J. D. SCHNEIDER : Einfluß von Zustandsvariablen auf die Erhaltungs- und Verbrauchskoeffizienten bei mikrobiellen Prozessen

47

K . A . KAJiyHHHii;, JI. A . H A X A H E T H H , H . ¿J. CTAJIBHAH, B . H . BOPHCOBA: MMMO6njiH3ai;HH MHKpoÔHoro MOJioKocBepTbiBaJomero (ftepMeHTa Ha HeopraHHqecKOM HocHTejie

55

W . BABEL : Mischsubstratfermentation — ein energetisch begründetes Konzept.

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.

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