DE2062310A1

DE2062310A1 - Vorrichtung zur Züchtung von Kohlen Wasserstoffe verwertenden Mikroorganismen

Info

Publication number: DE2062310A1
Application number: DE19702062310
Authority: DE
Inventors: Shuji Hatton Kiyoji Machida Tokio Yokoo (Japan)
Original assignee: Kyowa Hakko Kogyo Co Ltd
Current assignee: KH Neochem Co Ltd
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-12-17
Publication date: 1971-06-24
Also published as: FR2073933A5

Description

" Vorrichtung zur Züchtung von Kohlenwasserstoffe verwertenden Mikroorganismen "

Priorität: 22. Dezember 1969, Japan, Nr. 102. 522/69

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Züchtung von Kohlenwasserstoffe verwertenden Mikroorganismen. Insbesondere betrifft sie eine Fermentationsvorrichtung, die eine bessere homogene ■ Dispersion des KohlenwasserstoffSubstrats ermöglicht.

In letzter Zeit wurden viele Untersuchungen über die Verwertung von billigen und reichlich vorhandenen rohen Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffquelle bei Fermentationsverfahren durchgeführt. In einigen Fällen werden bereits Zellen von Mikroorganismen oder Aminosäuren^grosstechnisch hergestellt. Bisher wurden wasserlösliche Kohlenhydrate in weitem Umfang als Kohlenstoffquelle bei Fermentationsverfahren verwendet. Infolgedessen braucht beim· Bau eines Fermentationstanks, in dem Kohlenhydrate verwendet werden, nicht berücksichtigt werden, dass eine homogene Dispersion des Substratkohlenhydrats im Medium herzustellen ist. Deshalb wurde dem Bau von Rührvorrichtungen bei Kohlenhydrate verwendenden Ver-

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fahren nur bei der Züchtung von aeroben Mikroorganismen Beachtung geschenkt, um für den nötigen Sauerstoffabsorptionsvolumenkoeffizienten zu sorgen.

Andererseits unterscheiden sich Fermentierungen unter Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Substraten von solchen mit Kohlenhydraten als Substrat in folgenden zwei Punkten. Der erste Unterschied besteht darin, dass die Löslichkeit von Kohlenwasserstoffen in wässrigen Medien sehr gering ist und deren spezifische Gewichte im allgemeinen kleiner als das spezifische Gev/icht von Wasser sind. Deshalb entstehen bei der Zugabe von Kohlenwasserstoffen zum Züchtungsmedium zwei Schichten. Es ist jedoch nötig, das Substrat im Züchtungsmedium homogen und fein verteilt zu dispergieren, sodass die Mikroorganismen die Substratkohlenwasserstoffe leicht assimilieren können. Deshalb muss beim Bau eines Fermentationstanks, in dem Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoffquellen verwendet werden, die homogene Dispersion des Substrats berücksichtigt werden. Ein zweiter unterschied besteht darin, dass die Fermentation unter Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Substrat beträchtlich mehr Sauerstoff benötigt als eine Fermentation unter Verwendung von Kohlenhydraten als Substrat, Dies geht schon aus der Tatsache hervor, dass Kohlenwasserstoffe keinen Sauerstoff enthalten, was einen höheren Sauerstoffbedarf bedingt. Deshalb muss ein Fermentationstank zur Verwendung von Kohlenwasserstoffen eine Rührvorrichtung mit einem höheren Sauerstoffabsorptionsvolumenkoeffijsienten aufweisen.

Bei Fermentationstanks zur Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Substrat müssen deshalb sowohl die homogene Dispersion der

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Kohlenwasserstoffe als auch die Sauerstoffabsorption berücksichtigt werden. Bisher wurden im allgemeinen mit Rührvorrichtungen versehene belüftete Tanks als Fermentationstanks verwendet. Bei dieser Art von Fermentationstanks ist jedoch eine sehr grosse Ruhrkraft nötige um eine homogene Dispersion der Kohlenwasserstoffe und einen ausreichenden Sauerstoffabsorptionswert in dem Maße

cd enden zu erreichen, wie sie bei Kohlenwasserstoffe als Substrat verwenp Fermentationstanks nötig sind. Tatsächlich wird die bei der Fermentation von Kohlenwasserstoffen erforderliche Rührkraft im allgemeinen mehr dazu gebraucht, die Substratkohlenwasserstoffe homogen im Züchtungsmedium zu dispergieren, als den nötigen Gasabsorptionsvolumenkoeffizienten zu erreichen. Z.B. ist bei der Herstellung von Zellen von Mikroorganismen aus Kohlenwasserstoffen die erforderliche Sauerstoffmenge für eine lOQprozentige Zellkörperausbeute etwa dreimal so gross wie bei der Verwendung von Kohlenhydraten als Substrat. Bei Kohlenwasserstoffermentationen ist die-Vermehrungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen im allgemeinen gering und der tatsächliche Sauerstoffbedarf pro Zeiteinheit etwa zweimal so gross wie bei einer Kohlenhydratfermentation. Also kann dieser Bedarf durch eine Steigerung der Rührkraft auf das etwa zweifache gedeckt werden. Andererseits ist es notwendig, die auf der Oberfläche des Züchtungsmediums schwimmenden Kohlenwasserstoffe durch Absaugen in den Wirkungsbereich der Rührblätter zu bringen, damit sie in diesem Bereich durch die verteilende Kraft des Rührblattes fein verteilt werden können und eine homogene Dispersion des Kohlenwasserstoffs im Züchtungsmedium erhalten wird. Eine Möglichkeit, die an der Flüssigkeitsoberfläche befindlichen Kohlenwasserstoffe durch Ab-

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saugen an eine Stelle zu bringen, wo sie dem Wirkungsbereich der Rührblätter ausgesetzt sind, besteht darin, innerhalb des Tanks eine Zirkulation in vertikaler Richtung zu erzeugen. Eine Steigerung der Zirkulationsgeschwindigkeit erfordert jedoch eine Steigerung der durch die Rührblätter verursachten Abflussgeschwindigkeit. Die durch die Rührblätter erzeugte Abflussgeschwindigkeit ist proportional der Anzahl der Umdrehungen der Blätter pro Zeiteinheit,und die Rührkraft wächst proportional zur dritten Potenz der Anzahl-der Umdrehungen pro Zeiteinheit. Deshalb ist für die homogene Dispergierung der Kohlenwasserstoffe im Züchtungsmedium eine sehr hohe Rührkraft nötig«

Daraus ergibt sich, dass bei einer wirksamen Durchführung einer Kohlenwasserstoffermentation eine mehrfach grössere Rührkraft als bei der üblichen Fermentation unter Verwendung eines Kohlenhydrats als Substrat nötig ist. Es ist natürlich möglich, die Rührkraft durch Einsetzen eines zylindrischen "ζirkulationsfOrdernden Rohres", im folgenden "Rohr" genannt, in den Tank beträchtlich herabzusetzen, da dadurch die auf- und die absteigende Strömung innerhalb des Tanks voneinander getrennt werden und die Geschwindigkeit der vertikalen Zirkulation gesteigert wird. Wird nur das zylindrische Rohr angebracht, so ist die erforderliche Rührkraft beträchtlich grosser, als sie zur Deckung des Sauerstoffbedarfs für die Kohlenwasserstoffermentation nötig ist. Dies bedeutet, dass bei der alleinigen Verwendung des zylindrischen Rohres zum Erreichen einer homogenen Dispersion des Kohlenwasserstoffs oder der Kohlenwasserstoffe im Züchtungsmedium eine beträchtlich grössere Rührkraft nötig ist.

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Aufgabe der Erfindung war es, eine Vorrichtung zur ,Züchtung von Kohlenwasserstoffe verwertenden Mikroorganismen zu schaffen, bei denen die Nachteile und die Mangel der bisherigen Vorrichtungen vermieden werden, die eine homogene Dispergierung von Kohlenwasserstoffen in einem Züehtungsmedium ermöglicht und das Erreichen des nötigen Säuerstoffabsorptionsvolumenkoeffizienten erlaubt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Fermentation von Kohlenwasserstoffe verwertenden Mikroorganismen, die aus einem Fermentationstank 1, einem darin angeordneten zirkulationsf ordernden Rohr £, nn dem zumindest ein Teil konisch geformt ist, und einer im unteren Teil des zirkulationsfordernden Rohres angeordneten Rührvorrichtung 3 besteht.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert* *

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung der Erfindung zur Züchtung von Mikroorganismen. '

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines zirkulationsfordernden Rohres der Erfindung und

Fig. 3 zeigt eine Ausführung eines bisher verwendeten zylindri- . sehen Rohres.

Durch das zirkulationsfördernde Rohr, von dem zumindest ein Teil die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes hat, wird eine homogene Dispersion von Kohlenwasserstoffen mit beträchtlich geringerer Rührkraft als bei Verwendung eines zylindrischen Rohrs erreicht. Der untere Teil des Rohres hat die Form eines Zylinders. Innerhalb des zylindrischen Teils ist die Rührvorrichtung angeordnet.. Die Rührvorrichtung ist mit Rührblättern oder -flügeln versehen.

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Wenn in den Raum unterhalb der Rührvorrichtung ein Luftstrom eingeführt und gleichzeitig das Fermentationsmedium gerührt wird, steigt der durch die Rührblätter erreichte Abstrom längs der Innenfläche des Rohres unter Wirbelbildung auf und strömt im Bereich zwischen dem oberen Ende des Rohres und der Tankwand wieder nach unten. Das Strömungsbild der Flüssigkeit unterscheidet sich erheblich von dem, das mit einem durchgehend zylindrischen Rohr erreicht wird. Beim zylindrischen Rohr steigt der Abstrom senkrecht innerhalb des Rohrs' auf, während im konischen Rohr der Abstrom längs der Innenseite der Rohrwandung unter Wirbelbildung aufsteigt. Deshalb tritt in der Mitte der Flüssigkeitsoberfläche ein breiter konkaver V/irbel auf. Zwar tritt auch bei Verwendung des zylindrischen Rohrs ein Wirbel auf, aber dieser ist viel kleiner als im Fall des konischen Rohres. Das Auftreten eines breiten und tiefen Wirbels im konischen Rohr ist bei Kohlenwasserstoffermentationen· sehr vorteilhaft. Dies liegt daran, dass der hydrostatische Druck, der auf die längs der Innenseite des Rohrs aufsteigende Flüssigkeitsströmung wirkt, und der Widerstand gegen die aufsteigende Strömung geringer sind,da der l&rbel grosser und tiefer ist. Aus diesem Grund entsteht eine sehr starke zirkulierende Strömung. Die Strömuhgsgeschwindigkeit an der Stelle zwischen dem oberen Ende des Rohres und der Tankwand ist daher so gross, dass ein besseres Mitreissen der Kohlenwasserstoffe von der Flüssigkeitsoberfläche erreicht werden kann. Dadurch ist es möglich, eine homogene Dispersion der Kohlenwasserstoffe mit einer geringen Rührkraft zu erreichen.

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Beim Vergleich, der zur homogenen Dispersion von Kohlenwasserstoffen unter Verwendung eines zylindrischen Rohres erforderlichen Rührkraft mit der unter Verwendung eines konischen Rohres ergibt sich, dass beim konischen Rohr eine homogene Dispergierung mit " einer um 40 fo geringeren Rührkraft möglich ist. Ausserdem er-

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reicht man nicht nur eine homogene Dispergierung der Kohlenwasserstoffe, sondern auch eine wirksame Entschäumung der Kulturτ flüssigkeit. Im allgemeinen schäumt die Kulturflüssigkeit ziemlich stark und es entsteht ein stabilier Schaum. Das Brechen des Schaumes auf mechanischem Wege ist nicht ausreichend. Gewöhnlich wird daher gleichzeitig eine chemische Verbindung als Schaumbrecher zugesetzt. Dies kann sich jedoch nachteilig auf die Vermehrung der Mikroorganismen und die Anreicherung der Produk- ■ te ausserhalb der Zellen der Mikroorganismen auswirken. Deshalb unterliegen Art und Menge der zu verwendenden Entschäumer beträchtlichen Einschränkungen. Es ist ersichtlich, dass eine Entschäumung auf mechanischem Wege günstiger ist. Durch Verwen-< dung eines konischen Rohres wird die vertikale Zirkulation in-* nerhalb des Tanks verstärkt. Infolgedessen wird die Schaumschicht an der Hüssigkeitsoberf lache zusammen mit dem Flüssigkeitsstrom zum Tankboden gesaugt und durch die Rührblätte? zerstört. Deshalb ist die en tschaumende Wirkung gross und die Vorrichtung der · Erfindung erweist sich in dieser Hinsicht als sehr vorteilhaft*

Bittahderea Merkmal der Vorrichtung der Erfindung besteht darin» äass ein nöher ßafai36QrpitioniByolumenkoeffizient mit einer geringeren Rührkraft errelchi; werden kann und die Tröpfchen der dis- *.. pergierten Kohlenwasserstö£fe fein verteilt sind. Diese Wir'kuh- , gen lassen sich anhand der Zeichnungen erklären. Pig, 1* zeigt

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eine Aus führung s form der Vorrichtung der Erfindung". Die Vorrichtung besteht aus dem Behälter 1, den in seinem Oberteil konisch geformten Rohr 2, der Rührvorrichtung 3 mit Rührblättern und einem Gaseinleitungsrohr A₁ das im Raum unterhalb der Rührvorrichtung mit Öffnungen versehen ist. Der untere' Teil des Rohres weist eine zylindrische Form auf. Innerhalb dieses zylindrischen ·' Teils ist die Rührvorrichtung angeordnet. Zwischen den Spitzen der Rührblätter und dem zylindrischen, unteren Teil des Rohres kann ein geringer Abstand gehalten werden. Durch die in diesem Zwischenraum auftretenden Scherkräfte werden die Gasblasen und die Kohlenwasserstoff--Flüssigkeitströpfchen fein verteilt. Mit anderen Worten, der Gasabsorptionsvolumenkoeffizient kann durch die feine Verteilung der Gasblasen vergrössert und durch die feine Verteilung der Kohlenwasserstofftröpfchen kann eine homogene Dispersion erreicht werden. ^;

Die Beispiele erläutern die Erfindung. Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht,

Beispiel 1

Es wurden zwei Fermentationstanks (A und B) verwendet,

Angaben über die Fermentationstanks A und B: Fassungsvermögen: 500 Liter; innerer Durchmesser: 700 mm; eingefüllte Flüssigkeitsmenge: 325 Liter; Belüftung: 325 Liter/ Minute; Rührblätter: Turbine mit 4 flachen Blättern mit einem Durchmesser von 235 mm.

Angaben über die Rohre:

Tank A: Konisches Rohr, wie in Fig, 2 gezeigt.

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Tank B: Zylindrisches Rohr, wie in Fig» 3 gezeigt.

TJntersuchungsergebnisse:

1. Der Gasabsorptionsvolumenkoeffizient (K^ap ) bei der gleichen Rührkraft Pv = 3,0 PS/Kl wurde nach dem Natriumsulfitverfahren bestimmt. Jedoch beziehen sich K^a und pm auf den 'Volumenkoeffizient auf Gasfilmbasis /kg χ Mol/m χ St. x^l at7 bzw. mittlerer Sauerstoffpartialdruck /at/; vergl. Kagaku Kogaku Binran (1958), Marugen Co., Ltd., Japan, Seite 473.

Für das konische Rohr gilt

K_Gap_m = 0,23 /"kg χ Mol/m³ χ St./

Für das zylindrische Rohr gilt

K_Gap_m > 0,15 / kg χ Mol/m³ χ St./

Der K„ap für das konische Rohr war etwa 50 $ höher.

2, Der Fermentationstank wurde mit einem Gemisch von n-Paraffinen mit 12 bis 16 C-Atomen in einer Menge von ΙΌ Volumenprozent beschickt und die Grosse der dispergierten Öltröpfchen wurde bei der gleichen Rührkraft bestimmt. Die Grosse der Flüssigkeit ströpfchen war beim konischen Rohr etwa 15 i<> kleiner als beim zylindrischen.

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Glutaminsäure wurde in den beiden in Beispiel 1 beschriebenen 500 later fassenden Fermentationstanks unter Verwendung von n-»Dodecan als Kohlenwasserstoffsubstrat auf mikrobiologischem We ge hergestellt. Die Ruhrkraft für den Fermentationstank mit dem .konischen Rohr betrug 1,8 /PS/Kl/ und für den Fermentationstank

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mit dem zylindrischen Rohr 1,8 /PS/Kl/ bzw. 3,0 /PS/Kl/. Die Ergebnisse von zwei durchgeführten Züchtungsversuchen sind nachstehend angegeben. Die Züchtungsbedingungen waren bei beiden Fermentationen im wesentlichen dieselben und sind im folgenden angegeben* Die einzige veränderliche Grosse war also die Rührkraft.

1. Züchtungsbedingungen

Verwendeter Mikroorganismus: Arthrobacter paraffineus A.T.C.C. 15591

Zusammensetzung des Nahrmediums:	NH₄NO₃
2 $>	CaCO₃
2 56	KH₂PO₄
0,2 $	MgSO₄ χ 7H₂O
0,1 Jt	MnSO₄ χ 4H₂O
0,002 #	PeSO₄ χ 7H₂O
0,002 #	Maisquel!wasser ■* '
0,3 i>	Liter Vitamin B^
50 JT pro	ti-Dodecan
10 Vol.-# ]	: 300 Liter
Nährmedium	30 Liter
n~Dodecan:

Belüftung: 330 Liter/Minute
Züchtungstemperatur: 30⁰C
P_H-Wert: 7_f2

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2.· Ergebnisse

Art des Rohrs Rührkraft Ausbeute an Glutaminsäure

Zylindrisch ' 3,OPS/K1 ' 38 g/Liter

Zylindrisch 1,8 PS/Kl 29. g/Liter

Konisch- 1,8 PS/Kl 39 g/Liter

Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass*sich in den Züehtungsergebnissen kein Unterschied ergab, auch wenn die Rührkraft im konischen Rohr der Erfindung um 40 ^c/° im Vergleich zur Rühr kraft im zylindrischen Rohr vermindert wurde. Senkte man jedoch die Rührkraft beim zylindrischen Rohr um 40 ^₁ so Sank die Ausbeute an Glutaminsäure um etwa 25 f».

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass die Vorrichtung der Erfindung für Fermentationen unter Verwendung von Kohlenwasserstoffe assimilierenden Mikroorganismen geeignet ist, insbesondere wenn flüssige Kohlenwasserstoffe als Hauptkohlenstoffquelle im Nährmedium verwendet werden. Spezielle Beispiele ■i für geeignete Kohlenwasserstoffe sind unverzweigte und verzweigte · Paraffine mit mindestens 5 C-Atomen, wie n-Pentan, n-Octan, n-Decan, n-Dodecan, n-Hexadecan, Isopentan oder Isooctan, Cycloparaffine, wie Cyclohexan oder Cyclooctan, verzweigte und unverzweigte Olefine, wie Penten-2, Hexen-1, Octen-1 oder Octen-2, Cycloolefine, wie Cyclphexen, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie

isomere
Benzol oder/Xylole und Gemische derselben, und gemischte Kohlen-Wasserstoffe, wie Petroleum, Leichtöle, Schweröle, Paraffinöle und verschiedene Petroleumfraktionen, einschliesslich Rohpetro-

leura. Das Ziel der Erfindung, d.h. der Erhalt einer homogenen Dispersion der Kohlenwasserstoffe in feinverteiltem Zustand im * Nährmedium, wird mit allen diesen Kohlenwasserstoffen erreicht.

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Claims

Patentansprüche

1., Vorrichtung zur Fermentation von Kohlenwasserstoffe verwertenden Mikroorganismen, bestehend aus einem Permentationstank (l), einem darin angeordneten zirkulationsfördernden Rohr (2), von dem zumindest ein Teil konisch geformt ist, und einer im unteren Teil des zirkulationsfördernden Rohres angeordneten Rührvorrichtung (3).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein im unteren Teil des Fermentationstanks angeordnetes, mit Öffnungen versehenes Gaseinleitungsrohr (4)· -

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zirkulationsfordernde Rohr (2) im oberen Teil konisch

; und im unteren Teil zylindrisch geformt ist, wobei die Rührvorrichtung (3) im zylindrischen Teil angeordnet ist.

4· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Rührvorrichtung (3) Rtihrblätter aufweist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4t dadurch gekennzeichnet, daBs der Zwischenraum zwischen den Enden der Rührblätter und den , zylindrischen Teil so bemessen ist, dass eine Scherkraft erzeugt wird, die die Gasblasen und Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit^tröpfchen fein verteilt.

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