DE3613575A1 - Verfahren zur immobilisierung von mikroorganismen und/oder enzymen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen und/oder Enzymen unter Verwendung eines porösen Trägermaterials.

Zur Durchführung biochemischer Reaktionen, wie z.B. Reini­ gung von Abwasser, Herstellung von Ethanol, Antibiotika usw., werden heute vermehrt Mikro­ organismen oder Enzyme zu Hilfe genommen. Um einen wirt­ schaftlichen und effektiven Einsatz der Mikroorganismen bzw. Enzyme zu erzielen, ist es notwendig für eine hohe mikrobielle bzw. enzymatische Aktivität zu sorgen. Dies wird durch verschiedene Techniken zur Erhöhung der Konzen­ tration der Mikroorganismen bzw. Enzyme in einem Reaktor erreicht, in dem die biochemischen Reaktionen ablaufen sollen. Hierzu gehören z.B. Filtriertechniken zur Verhin­ derung von Zellverlusten aus dem Reaktor, Wiederaufarbei­ tung und Rückführung von Zellen in den Reaktor und Immobilisierung von Mikroorganismen bzw. Enzymen.

Unter Immobilisierung von Mikroorganismen bzw. Enzymen versteht man die Fixierung von intakten Zellen oder Enzymen an einen bestimmten Ort, an dem die biochemischen Reaktionen durchgeführt werden sollen. An diesem Ort müssen die für hohe mikrobielle bzw. enzymatische Aktivität erforderlichen Umweltbedingungen aufrechterhalten werden. Hierzu muß vor allem eine ausreichende Versorgung mit Nahrungsstoffen, Sauerstoff, Reaktanden usw. gewährleistet werden. Durch Immobilisierung von Mikroorganismen bzw. Enzymen wird eine Zunahme der mikrobiellen bzw. enzymatischen Produktivität bezogen auf das Reaktorvolumen, eine Zunahme der Produkt­ konzentration im Reaktorabfluß und eine Abnahme der Konzen­ tration von Mikroorganismen bzw. Enzymen im Reaktorabfluß erreicht.

Eine gebräuchliche Methode zur Immobilisierung von Mikro­ organismen oder Enzymen ist deren Einschluß in ein Netz­ werk. Durch Zugabe von Mikroorganismen bzw. Enzymen zu einer Lösung, die einen Gelbildner, wie z.B. Agar, Kollagen, Natrium-Alginat usw., enthält, und Eintropfen der so ent­ standenen Suspension in eine Vernetzungsmittel enthaltende Lösung können z.B. Gelkörper erzeugt werden, in denen die Mikroorganismen bzw. Enzyme fixiert sind.

Eine andere Möglichkeit zur Immobilisierung von Mikroorga­ nismen bzw. Enzymen stellt die Verwendung von porösem Trägermaterial, wie z.B. Stahlmaschengitter oder porösen Schaumstoffen, dar. Die Verwendung makroporöser Schaum­ stoffträger mit lose fixierten Mikroorganismen gehört bereits zu den gängigen Methoden der biologischen Abwasser­ reinigung.

Bekannt ist auch folgendes Verfahren zur Immobilisierung: Ein poröses Trägermaterial wird in Gegenwart der Mikro­ organismen oder Enzyme synthetisiert, und die Mikroorganis­ men bzw. Enzyme werden bereits während der Entstehung des Trägermaterials in dieses eingeschlossen. So kann z.B. Polyurethan mit Mikroorganismen oder Enzymen vermischt und dann aufgeschäumt werden, so daß schließlich die Mikro­ organismen bzw. Enzyme fest im Schaumstoff eingeschlossen sind.

Die bisher angewandten Verfahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen bzw. Enzymen sind jedoch jeweils mit spezifischen Nachteilen behaftet.

Bei der Verwendung von Gelkörpern zur Immobilisierung ist beobachtet worden, daß nahe der Oberfläche der Gel­ körper die Konzentration der Mikroorganismen sehr viel größer ist als im Kern. Dies kann dadurch erklärt werden, daß nur nahe der Oberfläche der Gelkörper eine ausreichen­ de Versorgung der Mikroorganismen mit notwendigen Nähr­ stoffen, Sauerstoff, Reaktanden usw. gewährleistet ist. Bei Gelkörpern ist also offenbar das Innere für die Reaktanden schwer zugänglich, was sich zwangsläufig in einer verminderten mikrobiellen bzw. enzymatischen Akti­ vität, bezogen auf das Reaktorvolumen, niederschlägt. Außerdem ist die mechanische Haltbarkeit von Gelkörpern begrenzt.

Verwendet man hingegen poröses Trägermaterial, so können Enzyme nur begrenzt durch Adsorption aufgebracht werden. Die Mikroorganismen sind nur lose in den Poren des Träger­ materials fixiert und können leicht ausgewaschen werden. Außerdem eignen sich nur manche Mikroorganismenarten für diese Art der Fixierung.

Beim Einschluß von Mikroorganismen bzw. Enzymen in porö­ ses Trägermaterial während des Syntheseprozesses des Trägermaterials, also z.B. beim Aufschäumen von Polyure­ thanschaum in Gegenwart von Mikroorganismen, können die Mikroorganismen oder Enzyme durch Ausgangsprodukte des Trägermaterials, z.B. des Polyurethanschaums, oder durch die beim Syntheseprozeß möglicherweise auftretende Wärme­ entstehung geschädigt werden. Außerdem sind beispielsweise die im Innern eines Polymers auf diese Weise eingeschlossenen Mikroorganismen bzw. Enzyme für Reaktanden schwer zugäng­ lich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver­ fahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen und/oder Enzymen unter Verwendung eines porösen Trägermaterials so auszugestalten, daß eine effektive Immobilisierung erreicht wird, ohne daß die obengenannten Nachteile bisheri­ ger Verfahren auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in das poröse Trägermaterial eine Gelschicht, die die Mikroorganismen und/oder Enzyme enthält, eingebracht und ausgehärtet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Immobilisierungsmethode wird ein poröses Trägermaterial, wegen der besseren Zugäng­ lichkeit für Reaktanden möglichst ein makroporöses Träger­ material, verwendet. Durch die Poren wird die innere Ober­ fläche des Trägermaterials vergrößert. In die Poren des Trägermaterials wird eine Gelschicht, die die Mikroorga­ nismen bzw. Enzyme enthält, eingebracht, so daß die gesamte innere Oberfläche des Trägermaterials bedeckt wird. Als Trägermaterial kommen insbesondere Polyurethanschaum oder Polyethylenschaum in Betracht, doch sind auch andere or­ ganische Polymerschäume möglich, ferner Gestrickkörper aus Kunststoff- oder Stahlfäden, Blähton, Bims und andere.

Die Präparation erfolgt z.B. in folgenden Schritten: Zunächst wird ein geeigneter Gelbildner, z.B. Natrium- Alginat, Agar, Carrageenan, Pectin, Chitosan, Kollagen u.a., in Wasser gelöst. Diese Lösung wird dann bei maximal 120°C für etwa 20 Minuten in einen Autoklaven gebracht. Anschließend werden die Mikroorganismen oder Enzyme zugegeben, bis etwa eine Konzentration von 0,2 bis 0,5 g Mikroorganismen- bzw. Enzymgewicht pro ml Lösung erreicht ist. Mit der so ent­ standenen Suspension wird das Trägermaterial getränkt und möglicherweise anschließend bis auf einen vorgegebenen Wert ausgepreßt, um einen gewünschten Grad der Imprägnierung einstellen zu können. Dann wird das getränkte Trägermaterial gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Erfindungsgedankens in eine geeignete Elektrolytlösung, die z. B. Ca²⁺-, Co²⁺-, Zn²⁺-, Mn²⁺-, Ba²⁺-, Fe²⁺-, Al³⁺-Ionen enthält, vorzugsweise CaCl₂-Lösung, zu ionotroper Gelierung eingebracht. Durch den Austausch z. B. der Na⁺-Ionen gegen die Ca²⁺-Ionen erfolgt eine Quervernetzung der Alginsäuren und es bildet sich ein Netzwerk, ein Gel aus, das die Mikroorganismen bzw. Enzyme enthält.

Nachdem die Gelschicht 30 bis 60 Minuten ausgehärtet wor­ den ist, wird das behandelte Trägermaterial aus der Lösung herausgenommen, gewaschen und getrocknet.

Durch die Verwendung porösen, insbesondere makroporösen Trägermaterials, ist eine gute Zugänglichkeit für Reaktan­ den zu den Mikroorganismen bzw. Enzymen bis in den Kern des Trägermaterials gegeben. Außerdem steht dadurch eine große Oberfläche im Trägermaterial zur Verfügung, die von den Mikroorganismen bzw. Enzymen besetzt werden kann. Andererseits weist die erfindungsgemäße Methode nicht die typischen Nachteile bekannter trägergebundener Immo­ bilisierungsverfahren auf, da die Mikroorganismen oder Enzyme durch die Gelschicht fest an die Oberfläche des Trägermaterials gebunden sind und nicht ausgewaschen werden können. Durch die freie Wahl des Imprägnierungs­ grades kann die Dicke der Gelschicht variiert werden, so daß auch nicht die Nachteile der Gelkörper verwendenden Immobilisierungsmethoden, bei denen das Innere der Gelkör­ per kaum von Reaktanden erreicht werden kann, auftreten. Ferner ist infolge der Verwendung eines Trägergerüstes in Verbindung mit einer bindenden Gelschicht eine hervor­ ragende mechanische Haltbarkeit gewährleistet. Durch die ionotrope Gelierung ist eine besonders schonende Behandlung der Mikroorganismen bzw. Enzyme sichergestellt, da die Mikroorganismen bzw. Enzyme z.B. weder toxischen Ausgangs­ produkten des Trägermaterials noch zu hohen Temperaturen, die z.B. bei der Synthese des Trägermaterials entstehen können, ausgesetzt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besteht darin, das nach den obengenannten Verfahrensschritten imprägnierte und ionotrop behandelte Trägermaterial nach dessen Trocknung erneut in die Elektro­ lytlösung einzubringen und anschließend zu trocknen. Dadurch werden die Netzwerkeigenschaften verbessert, da durch den nochmaligen Kontakt der Gelschicht mit der ver­ netzenden Elektrolytlösung nach der Trocknung der Gelschicht das Netzwerk dichter wird, und so die Konzentration der Mikroorganismen bzw. Enzyme bis auf etwa 0,7 bis 1,0 g Mikroorganismen- bzw. Enzymgewicht pro ml Gel gesteigert werden kann. Dies erhöht die mikrobielle bzw. enzymatische Aktivität pro Volumen und die mechanische Stabilität. Ferner ist es vorteilhaft, dem Gel Nährstoffe für die Mikroorganismen zuzugeben, um eine hohe biologische Akti­ vität zu gewährleisten. Die Trägerteilchen besitzen zweckmäßigerweise einen Durchmesser von etwa 1 cm, doch sind grundsätzlich Durchmesser von 2 mm bis einige cm möglich. Auch große Blöcke sind bei großen Porenradien anwendbar.

Das erfindungsgemäße Immobilisierungsverfahren kann er­ gänzt und abgewandelt werden. So kann beispielsweise vor Einbringen des Gels in das Trägermaterial ein bindendes Grundierungsmittel eingebracht werden, um die Haftwirkung der Gelschicht noch zu erhöhen. Ferner kann alternativ zur ionotropen Gelierung unter Verwendung einer Elektrolytlö­ sung eine andere Methode der Gelierung angewendet werden, die statt dessen eine Vernetzungschemikalien enthaltende Lösung benutzt. Dabei wird das mit der Mikroorganismen bzw. Enzyme enthaltenden Suspension getränkte Trägermaterial in eine Lösung mit Vernetzungschemikalien zur Gelierung eingebracht, ausgehärtet, gewaschen und getrocknet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen bzw. Enzymen bietet eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten.

Die Lösung spezieller Probleme bei der Abwasserreinigung, wie die Behandlung schwer abbaubarer Stoffe (z.B. Lignine) scheitert bisher oft daran, daß sich dafür speziell ge­ züchtete Mikroorganismenarten für die üblichen trägerge­ bundenen Immobilisierungsmethoden nicht eignen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch diese speziellen Bakterien und Pilze immobilisiert und zur Abwasserbehandlung herangezogen werden.

Durch die hohe erreichbare mikrobielle bzw. enzymatische Aktivität eignet sich die Erfindung besonders für die Durchführung von Biosynthesen, wie z.B. Medikamenten, hochwertigen Chemika­ lien, Enzymen usw.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren eine größtmögliche Aktivität der Mikroorganismen bei geringem Reaktorvolumen möglich ist, bietet die Erfindung auch Aussicht auf wirtschaftliche Alternativen zur Energiegewinnung, wie z.B. Erzeugung von Methangas aus organischem Abfall oder Abwasser, Methanol- oder Ethanolgewinnung aus pflanz­ lichen Produkten mittels spezieller Mikroorganismen usw.

Weiter besteht die Möglichkeit, mit erfindungsgemäß immobilisierten Mikroorganismen aus einer verdünnten Lösung von Stoffen bestimmte Stoffe, wie z.B. Metallionen, aufzunehmen und anzureichern.

Schließlich bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, spezielle Mikroorganismen zu immobilisieren und durch die Schaffung günstiger Umweltbedingungen anzureichern.

Claims (9)

1. Verfahren zur Immobilisierung von Mikroorganismen und/oder Enzymen unter Verwendung eines porösen Träger­ materials, dadurch gekennzeichnet, daß in das poröse Trägermaterial eine Gelschicht, die die Mikroorganis­ men und/oder Enzyme enthält, eingebracht und ausgehär­ tet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelschicht durch Tränken des Trägermaterials mit einer Suspension, die die Mikroorganismen und/oder Enzyme sowie einen Gelbinder enthält, in das Trägermaterial ein­ gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das getränkte Trägermaterial bis auf einen vorge­ gebenen Wert ausgepreßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das getränkte Trägermaterial in eine Elektro­ lytlösung eingebracht, ionotrop geliert und anschließend getrocknet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das getränkte Trägermaterial in eine Ver­ netzungschemikalien enthaltende Lösung eingebracht, vernetzt und anschließend getrocknet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das getrocknete Trägermaterial erneut in eine Elektro­ lytlösung eingebracht und anschließend getrocknet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor Einbringen der Gelschicht in das Trägermaterial ein bindendes Grundierungsmittel in das poröse Trägermaterial eingebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Nährstoffe für die Mikroorganismen in die Gelschicht eingebracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial offenzelliger Polyurethan- oder Polyäthylenschaum verwendet wird.