DD254959A1 - PROCESS FOR THE CYCLIC FERMENTATION OF STREPTOTHRICINES, ESPECIALLY NOURSEOTHRICIN - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung "Verfahren zur zyklischen Fermentation von Streptothricinen, insbesondere Nourseothricin" ist anwendbar in der mikrobiologischen und pharmazeutischen Industrie fuer die Produktion von Nourseothricin, das von dem Mikroorganismus Streptomyces noursei gebildet wird. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Raum-Zeit-Ausbeute der Nourseothricin-Fermentation. Die durch die Erfindung zu loesende Aufgabe besteht darin, technologisch bedingte unproduktive Zeitabschnitte zu reduzieren. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren geloest, in dem nach einer bekannten Startphase gemaess einem Zeitplan bei abfallender Produktivitaet oder nach Stoerungen im Prozessregime die Fermentation nicht abgebrochen, sondern zyklisch fortgesetzt wird. Ein Zyklus enthaelt drei aufeinander folgende Arbeitsschritte: teilweise Ernte, Wiederauffuellen mit Substitutionsmedium und Fortsetzung der Kultivierung.The invention "Process for the cyclic fermentation of streptothricins, in particular nourseothricin" is applicable in the microbiological and pharmaceutical industry for the production of nourseothricin, which is formed by the microorganism Streptomyces noursei. The aim of the invention is to increase the space-time yield of nourseothricin fermentation. The object to be solved by the invention is to reduce technologically unproductive periods of time. The object is achieved by a method in which after a known start phase according to a schedule with decreasing productivity or after disturbances in the process regime, the fermentation is not stopped, but is continued cyclically. One cycle contains three consecutive steps: partial harvest, replenishment with substitution medium and continuation of cultivation.
Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zyklischen Fermentation von Nourseothricin und ist anwendbar in der mikrobiologischen und pharmazeutischen Industrie.The invention relates to a process for the cyclic fermentation of nourseothricin and is applicable in the microbiological and pharmaceutical industries.
Bekannt sind eine Reihe von Verfahren, allgemein als diskontinuierliche Kultivierung (batch-Kultivierung) bzw. zugefütterte Kultivierung (fed-batch-Kultivierung) bezeichnet, durch deren Anwendung der Mikroorganismus Streptomyces noursei (Bradler, G., Thrum, H. [1963], Z. f. AIIg. Mikrobiologie 3,105-112) zur Produktion des Antibiotikums Nourseothricin eingesetzt wird. Dabei muß grundsätzlich unterschieden werden zwischen Verfahren, bei denen die Gesamtmenge des Nährmediums zu Fermentationsbeginn in das Kulturmedium eingebracht wird DD-WP 223321, allgemein als batch-Kultivierung bezeichnet, und solchen, bei denen Nährmediumskomponenten während des Fermentationsprozesses zugegeben werden DD-WP 247370/7, allgemein als fed-batch-Kultivierung bezeichnet.Known are a number of methods, generally referred to as discontinuous cultivation (batch culture) or fed culture (fed-batch cultivation), by their use of the microorganism Streptomyces noursei (Bradler, G., Thrum, H. [1963], Z. f.Allg. Mikrobiologie 3,105-112) is used for the production of the antibiotic nourseothricin. In principle, a distinction must be made between methods in which the total amount of the nutrient medium is introduced into the culture medium at the start of fermentation DD-WP 223321, commonly referred to as batch cultivation, and those in which Nährmediumskomponenten be added during the fermentation process DD-WP 247370/7 commonly referred to as fed-batch culture.
Nachteil dieser Verfahren ist, daß die Produktivität nach einer bestimmten Zeit, erfahrungsgemäß nach etwa 100 bis 200 Stunden, absinkt. Deshalb müssen die entsprechend diesen Verfahren durchgeführten Nourseothricin-Fermentationen nach dieser Zeitdauer abgebrochen werden. Der Neustart einer Fermentation, verbunden mit der Sterilisation des Fermentors und des Nährmediums, der Hydrolyse des Nährmediums, der Vorkultur des Impfmaterials sowie nach erfolgter Beimpfung mit einer Wachstumsphase, in der kein oder nur wenig Produkt gebildet wird, bedeutet einen festen Aufwand an Zeit und Material, der nicht unmittelbar in einen Zuwachs von Produkt eingeht.Disadvantage of this method is that the productivity after a certain time, according to experience after about 100 to 200 hours, decreases. Therefore, the nourseothricin fermentations performed according to these procedures must be stopped after this period. The restart of a fermentation, associated with the sterilization of the fermenter and the nutrient medium, the hydrolysis of the nutrient medium, the preculture of the inoculum and after inoculation with a growth phase in which little or no product is formed, means a fixed amount of time and material that does not immediately go into an increase in product.
Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen am Ende einer bestimmten Fermentationszeit nur eine bestimmte Menge des Kulturmediums, vorrangig 15 bis 40%, abgelassen und der Aufarbeitung zugeführt wird und wieder durch frisches Nährmedium ersetzt wird. Solche Verfahren werden im Unterschied zu diskontinuierlichen Verfahren als semikontinuierliche oder zyklische fed-batch- oder repeated-fed-batch-Kultivierung bezeichnet. Obwohl solche Verfahren bereits seit langem bekannt sind, zum Beispiel für Butanol und Aceton GB 176 284 (1921), ist es schwierig, ein solches Verfahren für Sekundärmetabolitproduktionen zu entwickeln. Bisher ist es gelungen, für die Antibiotika Penicillin, Cephalosporin, Erythromycin und Oxytetracyclin, die zu den Gruppen der /3-Lactam-, Makrolid- bzw. Tetracyclin-Antibiotika gehören, solche Verfahren zu erfinden US 2442141, US 2 584009, US 2609327, jedoch tritt bei diesen Antibiotika-Fermentationen am Beginn eines jeden Zyklus eine ausgeprägte Verzögerung der Produktbildung auf (Humphrey, A. E. [1980], Advances in Biotechnology Vol. 1,203-210), (Bosnjak, M., Topolovec, V., Johanides, V. [1980], Contin. Cultiv. Microorg., Proc. 7th Symp. Prague, July 10-14.1978; 723-727). Das bedingt eine Verringerung der Gesamtproduktivität dieser Verfahren. Semikontinuierliche zyklische Antibiotikafermentationen, die diesen Nachteil nicht aufweisen, sind bisher nicht bekannt geworden.Furthermore, methods are known in which at the end of a certain fermentation time, only a certain amount of the culture medium, primarily 15 to 40%, drained and fed to the workup and is replaced by fresh nutrient medium. Such processes, in contrast to discontinuous processes, are referred to as semi-continuous or cyclic fed-batch or repeated-fed-batch cultivation. Although such methods have long been known, for example for butanol and acetone GB 176 284 (1921), it is difficult to develop such a method for secondary metabolite productions. So far, it has been possible to invent such methods for the antibiotics penicillin, cephalosporin, erythromycin and oxytetracycline belonging to the groups of the / 3-lactam, macrolide or tetracycline antibiotics US Pat. No. 2,442,141, US Pat. No. 2,509,409, US Pat. No. 2,609,327, however, at these antibiotic fermentations there is a pronounced delay in product formation at the beginning of each cycle (Humphrey, AE [1980], Advances in Biotechnology Vol. 1, 203-210), (Bosnjak, M., Topolovec, V., Johanides, V [1980], Contin. Cultiv Microorg., Proc. 7 th Symp. Prague, July 10-14, 1978; 723-727). This requires a reduction in the overall productivity of these methods. Semi-continuous cyclic Antibiotikafermentationen that do not have this disadvantage have not been previously known.
Weiterhin wurde für Produkte aus der Gruppe der Streptothricine, zu denen das Nourseothricin gehört, bisher kein Verfahren zur zyklischen fed-batch-Kultivierung gefunden, das eine höhere Produktivität gegenüber der fed-batch-Kultivierung ermöglicht.Furthermore, for products from the group of streptothricins, to which the nourseothricin belongs, so far no method for cyclic fed-batch cultivation was found, which allows a higher productivity compared to the fed-batch cultivation.
Die Erfindung beinhaltet das Ziel, mit hoher Raum-Zeit-Ausbeute Streptothricine, insbesondere Nourseothricine, herzustellen.The invention includes the goal of producing streptothricins, in particular nourseothricins, with a high space-time yield.
DerErfrndung liegt die Aufgabe zugrunde^ein Verfahren zu beschreiben, mitdem die Ausbeute pro Zeiteinheit der Fermentation von Streptothricinen erhöht werden kann.The object of the invention is to describe a method by which the yield per unit time of the fermentation of streptothricins can be increased.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem durch wiederholtes teilweises Ernten der Hauptkultur und Wiederauffüllen mit frischem Nährmedium technologisch bedingte unproduktive Zeitabschnitte reduziert werden.This object is achieved by a method in which technologically induced unproductive periods of time are reduced by repeated partial harvesting of the main culture and refilling with fresh nutrient medium.
Das Verfahren zur zyklischen Fermentation von Streptothricinen, insbesondere von Nourseothricin, wird folgendermaßen durchgeführt. In einem oder mehreren Fermentoren wird ein Hauptkulturmedium angesetzt und aus einer Vorkultur beimpft, wobei während der anschließenden Fermentation Zugaben von Nährmedien erfolgen oder unterbleiben. Dieser Startphase schließen sich erfindungsgemäß Zyklen an, die aus den drei Arbeitschritten:The process for the cyclic fermentation of streptothricins, in particular nourseothricin, is carried out as follows. In one or more fermentors, a main culture medium is prepared and inoculated from a preculture, wherein carried out during the subsequent fermentation additions of nutrient media or omitted. According to the invention, this start phase is followed by cycles, which consist of the three working steps:
— teilweise Ernte,- partial harvest,
— Wiederauffüllen,- To refill,
— Fortsetzen der Kultivierung- Continue the cultivation
bestehen. Unterteilweiser Ernte wird ein Ablassen von Kulturmedium von 5 bis 90% des Nettovolumens (Füllvolumen) verstanden, vorrangig von 20 bis 50%. Das Wiederauffüllen—darunter wird das vollständige oder teilweise Ersetzen der bei der teilweisen Ernte abgelassenen Menge verstanden — erfolgt sofort nach der teilweisen Ernte oder nach einem vorgegebenen Zeitplan mit Substitutionsmedium bis 90% des Bruttovolumens, vorrangig gleich der Menge der teilweisen Ernte. Das Fortsetzen der Kultivierung nach dem Wiederauffüllen erfolgt ohne oder mit Zugaben von Nährmedien. Die Zyklusdauer zwischen zwei teilweisen Ernten beträgt 8 bis 144 Stunden, vorrangig 24 bis 48Stunden.consist. Partial harvesting is understood to mean draining culture medium from 5 to 90% of the net volume (fill volume), preferably from 20 to 50%. Replenishment, which is understood to mean the total or partial replacement of the amount discharged at the partial harvest, takes place immediately after the partial harvest or according to a predetermined schedule with substitution medium up to 90% of the gross volume, preferably equal to the amount of partial harvest. Resuming cultivation after refilling occurs without or with additions of nutrient media. The cycle time between two partial harvests is 8 to 144 hours, preferably 24 to 48 hours.
Das Substitutionsmedium enthält mindestens eine komplexe organische Stickstoff-, Phosphat- und Kohlenstoffquelle. Es wird vorrangig das mit Sojamehl angereicherte, in bezug auf anorganische Salze reduzierte und Stärke enthaltende Hauptkulturmedium verwendet.The substitution medium contains at least one complex organic nitrogen, phosphate and carbon source. It is primarily the soybean-enriched, reduced in inorganic salts and starch-containing main culture medium used.
Im weiteren Ausbau des Verfahrens wird nach Störungen im Prozeßregime, die die Fermentation in einen Zustand geringerer Produktivität gesetzt haben, ein Zyklus begonnen, der das Verfahren in den hochproduktiven Zustand zurückführt.In the further expansion of the process, after disturbances in the process regime, which have set the fermentation in a state of lower productivity, a cycle is started, which leads the process in the highly productive state.
An zwei Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen dieIn two embodiments, the invention will be explained in more detail. It show the
Fig. 1: den zeitlichen Ablauf der Verfahrensschritte zur zyklischen Fermentation von Nburseothricin (NTC) und Fig. 2: den zeitlichen Ablauf des Verfahrens zur zyklischen Fermentation von Nourseothricin (NTC) mit Störung im Sauerstoffeintrag von der 88. bis 93. Stunde.Fig. 1: the timing of the process steps for the cyclic fermentation of Nburseothricin (NTC) and Fig. 2: the timing of the process for the cyclic fermentation of nourseothricin (NTC) with interference in the oxygen input from the 88th to 93rd hour.
In den Fig. 1 und 2 bedeutenIn Figs. 1 and 2
1 Beimpfen1 inoculation
2 Zugabe von Sojamehl2 addition of soy flour
3 teilweise Ernte3 partial harvest
4 Wiederauffüllen4 refill
5 Zugabe von Glucose/Ammoniumsulfatlösung.5 Addition of glucose / ammonium sulfate solution.
1. Eine lyophilisierte, an Glucose-Gelatine getrocknete Mycelkonserve des Stammes Streptomyces noursei JA 3890b/BF 32-14 (hinterlegt in der Stammsammlung der ZIMET, Jena) wird mit 4ml sterilem aqua dest. aufgeschwemmt und davon wird 0,5 ml zur Beimpfung einer Vorkultur verwendet. Die Vorkultivierung erfolgt über einen Zeitraum von 48 Stunden bei 28,5 bis 29°C in 2,51-SteiIbrustflaschen bei einem Füllvolumen von 400 ml mit einem folgenden Vorkulturmedium:1. A lyophilized, dried on glucose gelatin mycelium of the strain Streptomyces noursei JA 3890b / BF 32-14 (deposited in the strain collection of ZIMET, Jena) is with 4 ml of sterile aqua dist. and 0.5 ml of it is used to inoculate a preculture. The pre-cultivation is carried out over a period of 48 hours at 28.5 to 29 ° C in 2.51-SteiIbrustflaschen with a filling volume of 400 ml with a following preculture medium:
Das Vorkulturmedium wird im Autoklaven bei 120T35 Minuten lang sterilisiert, nachdem mit Hilfe von NaOH bzw. HCI ein pH-Wert von 6,2 bis 6,5 eingestellt wurde.The preculture medium is sterilized in an autoclave at 120T35 minutes after adjusting to a pH of 6.2 to 6.5 using NaOH or HCl.
250 ml der Vorkultur mit einer Biomassekonzentration von 1 g/l dienen als Impfmaterial für die Hauptkultur. Für die Hauptkultur kommt der Laborfermentor LF2 (VEB Mytron, DDR) mit einem Bruttovolumen von 31 und einem Füllvolumen von 2,81 zum Einsatz. Für die Hauptkultur wird folgendes Hauptkulturmedium verwendet:250 ml of the preculture with a biomass concentration of 1 g / l serve as inoculum for the main culture. For the main culture, the laboratory fermentor LF2 (VEB Mytron, DDR) with a gross volume of 31 and a filling volume of 2.81 is used. For the main culture the following main culture medium is used:
Oermit dem Hauptkulturmedium gefüllteFermentor wird im Autoklaven bei 12O0C 4SMmüten"iang sterilisiert, wobei jedoch die Glucose separat sterilisiert und erst nach erfolgter Sterilisation dem Hauptkulturmedium zugesetzt wird. Die Bedingungen für die Hauptkultur sind charakterisiert durch folgende Parameter: Temperatur 290C ± 0,50C, Belüftungsrate 4l/min, Überdruck im Fermentor0,02 bis 0,03MPa, Rührerdrehzahl 1200 U/min. Der pH-Wert wird, ausgehend von 7,8 bis 8,0 durch NHjOH-Zugaben auf pH 5,5 nach unten beschränkt. Der Hauptkultur werden Nährmedien zugeführt, die 600 g/l Glucose, 50 g/l (NH4I2SO4 und 125 g/l Sojamehl enthalten und deren Komponenten 45 Minuten bei 12O0C im Autoklaven separat sterilisiert wurden. Außerdem wird zur Hauptkultur ein Substitutionsmedium zugeführt, das sterilisiert wurde wie für das Hauptkulturmedium angegeben und folgende Zusammensetzung hat:Oermit the main culture medium gefüllteFermentor "is in an autoclave at 12O 0 C 4SMmüten sterilized iang, but using sterilized glucose separately and only added after sterilization of the main culture medium, the conditions for the main culture are characterized by the following parameters:. Temperature 29 0 C ± 0 5 0 C, aeration rate 4l / min, pressure in the Fermentor0,02 to 0,03MPa, stirrer speed 1200 rev / min. The pH, starting from 7.8 to 8.0 by NHjOH additions to pH 5.5 by The main culture is fed to culture media containing 600 g / l glucose, 50 g / l (NH 4 I 2 SO 4 and 125 g / l soy flour and their components sterilized separately in the autoclave for 45 minutes at 12O 0 C. a substitution medium is added to the main culture which has been sterilized as indicated for the main culture medium and has the following composition:
Imfolgenden wird anhand Fig. 1 das Verfahren zur zyklischen Fermentation im zeitlichen Ablauf erläutert. Die Hauptkultur wird zur nullten Stunde mit dem Beimpfen 1 aus der Vorkultur gestartet. Zur 32. und 72. Stunde erfolgt die Zugabe 2 von 25 g Sojamehl als eines der Nährmedien. Zur 120. Stunde, das heißt zum Abschluß der Startphase, und nachfolgend im Abstand von 48 Stunden (Zyklusdauer) erfolgt die teilweise Ernte der Hauptkultur sowie das Wiederauffüllen 3 mit dem Substitutionsmedium in gleicher Menge, die mit 25% des Füllvolumens bemessen wird. Während der Startphase und der Zyklen erfolgen Zugaben 4 von Glucose/ Ammoniumsulfatlösung als ein weiteres der Nährmedien in der Weise, daß die Glucose-Konzentration in der Hauptkultur den Wert 10g/I nicht unterschreitet.In the following, the process for cyclic fermentation in the time sequence is explained with reference to FIG. 1. The main culture is started at 0th hour with inoculation 1 from the preculture. At the 32nd and 72nd hour, the addition of 2 of 25 g of soybean meal takes place as one of the nutrient media. At the 120th hour, that is to say at the end of the start phase, and subsequently at an interval of 48 hours (cycle duration), the partial harvest of the main culture and the replenishment 3 with the substitution medium are carried out in the same amount, which is rated at 25% of the filling volume. During the start phase and the cycles, additions of glucose / ammonium sulfate solution 4 as another of the nutrient media are such that the glucose concentration in the main culture does not fall below 10 g / l.
2. Das Hauptkulturmedium wurde mit 250 ml einer Vorkultur beimpft, deren Biomassekonzentration 7 g/l betrug. Die Rührerdrehzahl wurde während der 88. bis 93. Stunde von 1 200 U/min auf Null herabgesetzt.2. The main culture medium was inoculated with 250 ml of a preculture whose biomass concentration was 7 g / l. The stirrer speed was reduced to zero during the 88th to 93rd hour from 1200 rpm.
Alle anderen Bedingungen sind wie beim 1. Ausführungsbeispiel beschrieben. In Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Produktbildung während dieser Störung des Sauerstoffeintrags und auch darüber hinaus aussetzt. Nach Beginn eines Zyklus zur 120. Stunde setzt die Produktbildung wieder mit hoher Produktivität ein.All other conditions are as described in the first embodiment. In Fig. 2 it can be seen that the product formation during this disturbance of the oxygen input and also beyond exposes. After the start of a 120th hour cycle, product formation starts again with high productivity.
Die Erfindung beinhaltet eine Vielzahl von Vorteilen. Überraschenderweise wurde gefunden, daßThe invention includes a number of advantages. Surprisingly, it was found that
— zu Beginn eines jeden Zyklus die Produktbildung ohne erkennbare Verzögerung beginnt,- at the beginning of each cycle, product formation begins without noticeable delay,
— die Produktivität während der Zyklen höher als diejenige während der Startphase ist,The productivity during the cycles is higher than that during the starting phase,
— nach Störungen im Prozeßregime (ζ. B. Störung des Sauerstoffeintrags oder der pH-Regelung), die zum Aussetzen der Produktbildung führen, durch den genannten Start eines neuen Zyklus die Produktbildung wieder mit maximal möglicher Produktivität fortgesetzt werden kann.- after disturbances in the process regime (Störung B. disturbance of the oxygen input or the pH control), which lead to the suspension of product formation, can be continued by the start of a new cycle, the product formation again with maximum possible productivity.
Der Zuwachs von Produkt Nourseothricin pro Zeiteinheit liegt, über die gesamte Fermentationsdauer gemitteit, 10 bis 40% über den Werten, die ohne teilweise Substitution der Hauptkultur durch frisches Substitutionsmedium erreicht werden. Mit der Wahl der Prozeßparameter Menge der teilweisen Ernte, wiederaufgefüllte Menge, Zyklusdauer und Zusammensetzung des Substitutionsmediums kann eine für die Aufarbeitung optimale Konzentration des Produkts Nourseothricin in der Hauptkultur am Ende eines jeden Zyklus eingestellt werden. Gegenüber den diskontinuierlichen Verfahren erfolgt bei diesem Verfahren zur zyklischen Fermentation eine semikontinuierliche Bereitstellung der aufzuarbeitenden Kulturlösung. Dadurch ist ein technologisch günstiger Anschluß an die Bedingungen der Aufarbeitung gegeben. Dabei kann die Zyklusdauer den betrieblichen Erfordernissen innerhalb der angegebenen Grenzen angeglichen werden.The increase in product nourseothricin per unit time, over the entire fermentation time, is 10 to 40% above the levels achieved without partial substitution of the main culture with fresh substitution medium. With the choice of the process parameters amount of partial harvest, replenished amount, cycle time and composition of the substitution medium, an optimal concentration of the product nourseothricin in the main culture at the end of each cycle can be set for the work-up. In contrast to the discontinuous process, a semi-continuous preparation of the culture solution to be worked up takes place in this process for cyclic fermentation. As a result, a technologically favorable connection to the conditions of the workup is given. The cycle time can be adjusted to the operational requirements within the specified limits.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht im geringen Kontaminationsrisiko, da nach durchlaufener Startphase stets eine hohe Antibitoikumkonzentration während der anschließenden Zyklen aufrechterhalten wird. Das Verfahren zur zyklischen Fermentation von Nourseothricin bietet zusätzliche Möglichkeiten.der Prozeßkontrolle, insbesondere Einflußnahme auf die Viskosität der Hauptkultur, die Sauerstoffverbrauchsrate und die Erhaltung des chemischen Milieus durch geeignete Wahl der Prozeßparameter: Zusammensetzung des Substitutionsmediums, Menge der teilweisen Ernte, wiederaufgefüllte Menge und Zyklusdauer.A further advantage of the method consists in the low risk of contamination since, after a continuous start-up phase, a high antibiotic concentration is always maintained during the subsequent cycles. The process for the cyclic fermentation of nourseothricin offers additional possibilities. Of process control, in particular influence on the viscosity of the main culture, the oxygen consumption rate and the preservation of the chemical environment by a suitable choice of process parameters: composition of the substitution medium, amount of partial harvest, replenished amount and cycle duration.
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| DD26310284A DD254959A1 (en) | 1984-05-17 | 1984-05-17 | PROCESS FOR THE CYCLIC FERMENTATION OF STREPTOTHRICINES, ESPECIALLY NOURSEOTHRICIN |
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| DD (1) | DD254959A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0837140A1 (en) * | 1996-10-18 | 1998-04-22 | Institut Francais Du Petrole | Process for the production of sophorolipids by cyclic fermentation with fatty acid esters or oil supply |
| CN116287063A (en) * | 2023-01-29 | 2023-06-23 | 陕西麦可罗生物科技有限公司 | A production process for improving the fermentation titer of Zhongshengmycin |
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1984
- 1984-05-17 DD DD26310284A patent/DD254959A1/en not_active IP Right Cessation
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