DE2356621B2 - Verfahren zur durchfuehrung einer aeroben fermentation - Google Patents

Description

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lente Strömungen erzeugt werden. Kennzeichnend für Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Einrich-

die Erfindung ist demnach u. a. der Einsatz von tung zur Gärung ist folgende:

definierten Rührflügeln mit verhältnismäßig geringer Das übliche Substrat wird in die Säule 1 eingegeben

wirksamer Rührfläche und die Einhaltung einer ober- und es wird Luft, Sauerstoff, eine Mischung von Luft

flächlichen Gasgeschwindigkeit von über 120 m/h. 5 und Substrat oder eine Mischung von Sauerstoff und

Auf diese Weise läßt sich das für eine günstige Energie- Substrat in die Säule 1 durch die Luftzuführung

umsetzung optimale Verhältnis von Zirkulation- eingedrückt. Die Durchmischung erfolgt durch den

strömung zu turbulenten EinzelströmuDgenurd weiter- Mikro-Rührflügel 3. Die Reakdonstemperatur wird

hin wegen der damit einhergehenden Aufbrechung dadurch gesteuert, daß die in der Säule 1 befindliche

der Geblasen die angestrebte günstige Sauerstoff- io Flüssigkeit mittels der Umwälzpumpe 5 durch den

lösungsgeschwindigkeit erzielen. Wärmetauscher 6 umgewälzt wird, in welchem die

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme Zuströmmenge an Kühlwasser durch das Temperaturauf die Zeichnung weiter erläutert. Es zeigen: Überwachungsgerät 8 gesteuert wird. Wenn die Nähr-

Fig. l(a) und l(b), wie bereits erwähnt, her- lösung zur Schaumbildung neigt, wird durch die

kömmliche Fermentiereinrichtungen im Schnitt; i* Sprühdüse 2 zirkulierendes Kühlwasser aufgesprüht,

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild einer Ein- um den Schaum am oberen Ende der Säule 1 zu zer-

richtung zur aeroben Fermentation, in der mit dem schlagen. Der Flüssigkeitsstand wird durch das

erfindungsgemäßen Verfahren gearbeitet wird, und Kontrollgerät 7 eingeregelt, das die Abzugsrate steuert.

F i g. 3—6 perspektivische Darstellungen von ver- Der pH-Wert wird durch das entsprechende. Über-

schiedenen Rührflügeln, die bei dem erfindungs- 20 wachungsgerät 9 gesteuert, das die Zuströmmenge an

gemäßen Verfahren und damit auch bei der Einrich- Ammoniakgas, Säuren oder Alkali in die Säule 1

richtung gemäß F i g. 2 zur Anwendung kommen steuert,

können. Im folgenden werden Versuchsbeispiele wieder-

Im nachfolgenden wird für die erfindungsgemäß gegeben, die den Erfolg des erfindungsgemäßen Ververwendeten Rührflügel die Kurzbezeichnung »Mikro- 25 fahrens belegen:
Rührflügel« benutzt. B e i s d i e 1 I

Die Einrichtung gemäß F i g. 2 besteht im wesent-

liehen aus einer Säule 1, einer Sprühdüse 2 zur Schaum- Candida petrophilum ATCC 20226 wurde in ein

entfernung und einem Mikro-Rührflügel 3. der in Nährmedium mit einem pH-Wert von 5,0 geimpft,

der Säule 1 lediglich ganz bestimmte, lokal begrenzte 30 Das Nährmedium enthielt (in Volumprozent) 3 %

Turbulenzströmungen erzeugen kann. Normal-Hexadecalin, 0,3 % Harnstoff, 0,1 % Ammo-

Weiterhin sind eine Luftzuführung 4, eine Um- niumsulfat, 0,2% Kaliumphosphat, 0,05% Magnesi-

wälzpumpe 5 und ein Wärmetauscher 6 vorgesehen. umphosphat, 0,008% Eisen(II)-sulfid und 0,1% Mais-

Mit Bezugszeichen 7 ist ein Kontrollgerät zur Über- quellwasser. Der Mikroorganismus wurde bei 30⁰C

wachung des Flüssigkeitsstandes bezeichnet, während 35 unter aeroben Bedingungen gezüchtet. Die reine,

8 ein Temperaturüberwachungsgerät und 9 ein Über- flüssige Kultur wurde in einer Menge von 5% einer

wachungsgerät für den pH-Wert sind. Hauptkultur zugegeben, die in ihrer Zusammen-

Der Mikro-Rührflügel 3 besteht im wesentlichen setzung ähnlich der vorstehend angegebenen reinen

aus einer Drehwelle 12, einer Kupplungsmuffe 11 und Kultur war, mit der Ausnahme, daß 100 y/L an

einer Mehrzahl von Rührschaufeln, die horizontal 40 Vitamin B₁ anstelle von Maisextraktbrühe zugegeben

und in gleichen Winkelabständen an der Kupplungs- wurde. 101 der Hauptkultur wurden in eine Fermen-

muffe 11 befestigt sind. Die Rührschaufeln sind mit tiersäule mit einem Durchmesser von 250 mm und

einer bestimmten Anzahl von in gleichem Abstand einem Fassungsvermögen von 201 eingegeben. In

voneinander angeordneten Drähten 10a (F ig. 3, 4) der Fermentiersäule lief ein Mikro-Rührflügel mit

ausgestattet, die in horizontaler oder vertikaler Rieh- 45 einem Durchmesser von ] 2 cm sowie mit drei Rühr-

tung abstehen. Gemäß F ig. 5 kann der Mikro- schaufeln, die jeweils mit drei Drahtstücken von

Rührflügel 3 auch durch eine Anzahl von Rühr- 1,5 mm Durchmesser bestückt waren, mit 600 U/min

schaufeln gebildet sein, die aus einem Maschengitter um. Die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit Vs betrug

oder einer Drahtgaze bestehen. 184 m/h. Die Gärung wurde unter aeroben Bedin-

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F ig. 4 er- 50 gungen 18 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen

strecken sich die Drähte 10a, derer. Durchmesser 30 und 33⁰C und mit einem pH-Wert von 4 bis 5

gleich oder kleiner als die Blasengröße ist, vertikal durchgeführt, wobei sich eine Wachstumsrate μ von

von den Rührschaufeln ab. Wenn die Rühischaufeln 0,19 (Hr-¹) ergab. Die tatsächlich zugeführte Leistung

in Drehung versetzt werden, werden die aus der für das Mischen betrug 0,5 kW/m³, was durch ein

Luftzuführung 4 austretenden Blasen durcheinander- 55 Torsions-Meßgerät ermittelt wurde,

gewirbelt und in Blasen kleinerer Abmessungen zer- Zum Vergleich wurde eine herkömmliche Fermen-

rissen, da örtlich turbulente Strömungen erzeugt tiereinrichtung mit zwei Rührflügeln, nämlich einer

werden. Turbinenscheibe von 12 cm Durchmesser und mit

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 haben die sechs Rührschaufeln mit einer Breite von je 2,5cm

Rührschaufeln des Mikro-Rührflügels 3 horizontal fio eingesetzt, die mit 800 U/min betrieben wurden. Es abstehende Drähte 10a. Bei der Ausführungsform lag eine Oberflächen-Gasgeschwindigkeit Vs von

nach F ig. 5 besteht jede Rührschaufel aus einem 60 m/h vor. Verwendet wurde der gleiche Hefestamm

länglichen Stück Drahtgaze 10b, während die Aus- und die gleiche Kullurzusammensetzung unter den

führungsform nach F i g. 6 ein scheibenförmiges gleichen Bedingungen wie vorstehend beschrieben.

Stück Drahtgaze 10c vorsieht, die in vertikaler Rieh- 65 Dabei betrug die Wachstumsrate μ = 0,18 (Hr-¹)

tung (vgl. den Doppelpfeil) hin- und herbewegt wird, und die tatsächliche Leistungszufuhr 12 kW/m³ (geso daß hierdurch lokale Turbulenzströmungen erzeugt messen mit Torsionsmeßgerät). Wurde die Drehzahl

werden können. auf 600 U/min mit einer entsprechenden Leistungs-

verringerung auf 5,0 kW/m³ herabgesetzt, dann betrug die Wachstumsrate μ 0,1 (Hr^-1)- Bei Absenken der Drehzahl auf 500 U/min (Leistungszufuhr 4,2 kW/m³) sank die Wachstumsrate auf 0,03 (Hr"¹).

Wenn die Rührflügel abgenommen wurden und die Luft in die Einrichtung mit einer Oberflächen-Gasgeschwindigkeit von 200 m/h, 400 m/h und 600 m/h eingedrückt wurde, dann betrug die Wachstumsrate μ jeweils 0,05, 0,08 und 0,1 (Hr"¹).

Beispiel II

Es wurde eine aerobe Fermentation des Mikroorganismus Microbacterium ammoniaphilum ATCC 15354 durchgeführt. Der pH-Wert lag bei 7,0 ± 0,2 und die Temperatur betrug 32⁰C. Das Nährmedium bestand aus 6% Melasse, 0,23% KH₂PO₄, 0,052% MgSO₄ und 0,2% (NH₄)₂SO₄. 4001 an flüssiger Kultur wurden in ein Nährmedium überführt, das aus 15 % Melasse (als Zucker), 0,23 % KH₂PO₄,0,05 % MgSO₄, 0,0005% MnSO₄ und 0,06% (NH₄)₂SO₄ bestand. Es wurde die Fermentiereinrichtung gemäß Beispiel I miteinerOberflächen-Gasgeschwindigkeit Vs von 150 m/h verwendet, wobei der Rührflügel mit einer Drehzahl von 500 U/min und mit einer Leistung von 0,3 kW/m³ betrieben wurde. Der pH-Wert wurde durch Anwendung von NH₃-GaS zwischen 7,0 und 8,0 eingeregelt und es wurden der flüssigen Kultur 4,5 und 7,0 Stunden nach dem Beginn der Fermentation 0,05% eines oberflächenaktiven Mittels zugegeben. Nach Ablauf von 35 Stunden konnten 7,8 g/dl Glutaminsäure entnommen werden.

ίο Unter den gleichen Bedingungen wurde die herkömmliche Fermentiereinrichtung mit dem Turbinen-Rührflügel nach Beispiel II eingesetzt, wobei der Rührflügel mit einer Drehzahl von 500 U/min und einer Leistungsaufnahme von 5,0 kW/m³ arbeitete.

Es wurde eine spezifische Luftgeschwindigkeit von 60 m/h eingehalten. Nach 40 Stunden konnten 7,2 g/dl Glutaminsäure erhalten werden. Bei einer Drehzahl von 500 U/min (mit einer Leistungsaufnahme von 4,2 kW/m³) bzw. bei 400 U/min (mit einer Leistungs-

ao aufnahme von 3,3 kW/m³) erhielt man 7,2 g/dl bzw. 3,8 g/dl Glutaminsäure.

Die in den Beispielen I und II erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegeben:

Tabelle 1

Vs (m/h)

U/min Leistung kW/m³

(Hr-¹

Bemerkungen

Herkömmliches Verfahren mit Turbinen- rührflügel	60 100 120	600 600 600	5,0 5,0 5,0	0,04 0,04 0,05
	150	600	5,0	0,05
	200	600	5,0	0,07
Erfindungsgemäßes Verfahren mit Mikro-Rührflügel	60 100	600 600	0,5 0,5	0,03 0,04
	120	600	0,5	0,11
	150	600	0,5	0,18
	200	600	0,5	0,19
Vs (m/h) = Oberflächen-Gasgeschwindigkeit = - U/min — Drehzahl des Rührwerks	Luftdurchsatz (Menge je Zeiteinheit) (m"/h)
Säulenquerschnittsfläche (m1)

— Spezifische Wachstumsrate μ = -^- —=—

Jt Qt

Dabei = JT die Dichte des Bakterienstammes (kg/m*) und / die Fermentationsdauer (Hr) übermäßige Schaumbildung übermäßige Schaumbildung übermäßige Schaumbildung übermäßige Schaumbildung übermäßige Schaumbildung

übermäßige Schaumbildung übermäßige Schaumbildung keine Schaumbildung keine Schaumbildung keine Schaumbildung

(ji unterliegt einer gewissen Schwankung auf Grund der Reproduktionsphase. Der angegebene Wm ist der Wert von u zur Zeh uX an sftingm Maximum«)

Rührflügel die von der Luftzuführung aus aufsteigenden Schaumblasen in winzige Bläschen aufgebrochen werden und dann in der Flüssigkeitskammerauf steigen, in der lokalisiert turbulente Strömungen ausgebildet werden. Das Ergebnis ist, daß die Kontaktfläche erheblich erhöht wird und demzufolge ein günstiger Gas/Flüssigkeitskontakt erzielt wird. {Vergleiche folgende Tabelle 2).

Bei dem Versuch, dessen Ergebnisse der Tabelle zu Grunde liegen, wurde der in Fig.4 gezeigte ; ^Okro-Rührnugel 3 eingesetzt Die Vorrichtung säe -i Kuftmenmg des Macroorganismenstammes, die Temrf^; peratur und die anderen Bedingungen ergeben säeS* aus der vorstehenden Erläuterung. Die Steigerung 4er

Aus der Tabelle 1 ist zu ersehen, daß der bei der herkömmlichen Blasenmischkammer auftretende Energieverlust erfindungsgemäß beträchtlich reduziert wird. Außerdem ist zu ersehen, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei geringerer Leistungsaufnahme das Fortschreiten der Fermentation im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren ganz beträchtlich steigern läßt, indem die über den Mikro-Rührflügel zugeführte Leistung mit der OberSächengasgeschwindigkeit der in die Einrichtung eingedrückten Loft im entsprechenden Gleichgewicht ge- halten wird.

Es oat sich gezeigt, daß bei der Durchführung der erSndungsgemäien Fermentierung mit dem Mikro-

7 8

Sauerstoff-Lösungsgeschwindigkeit, die durch die Na- den Wert bei einer Oberfläclien-Gasgeschwindigkeit

triumsulfit-Methode bestimmt wurde, und die Pro- von 184 m/h, dem jeweils der Wert 1 gegeben wurde,

duktivität (Konzentration von Mikroorganismen χ bezogen,
spezifische Wachstumsrate μ) sind auf den entsprechen-

Tabelle 2 (nachgereicht):

Vergleich der Wirkung der lokalen Turbiilenzströmung

Strömungsgeschwindig	Herkömmliche Gasblasensäule	Erfindungsgemäße Einrichtung
keit (m/h) in der Säule	Sauerstoff- Produktivität	Sauerstoff- Produktivität
	Lösungs	Lösungs
	geschwindigkeit	geschwindigkeit

184	1	1	2,6	1,8
300	2,2	1,3	5,1	1,7
400	2,8	1,8	7,4	1,8

Aus der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß nicht nur die erhält, wenn der Mikro-Rührflügel mit geringer

Sauerstoff-Lösungsgeschwindigkeit, sondern auch die Leistungsaufnahme in Verbindung mit einer relativ

Produktivität beträchtlich über denjenigen Werten hohen Oberflächen-Gasgeschwindigkeit, nämlich über

liegen, die man mit der herkömmlichen Einrichtung 25 120 m/h, eingesetzt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. W kulationsenergie sowie eine lokale Turbulenzenergi

   Patentanspruch: erzielen, die den Sauerstoff übergang bzw. dessen Vei

   teilung bewirkt, jedoch ist die Ausnutzung diese

   Verfahren zur Durchführung einer aeroben Energie nur gering, weil das Verhältnis der Zirku Fermentation, bei der zur innigen Vermischung 5 lationsenergie zur lokalen Turbulenzenergie nich des in eine Fermentierungssäule eingebrachten angemessen bzw. optimal ist und die Energie des zun Gases mit dem Substrat das Gemisch in eine Zweck der Fermentation in die Blasenmischkamme Zirkulations- und Turbulenzströmung gebracht in großer Menge eingeführten Gases nicht hinreichem wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausgenutzt wird.

   bei einer Strömungsgeschwindigkeit ν = Luft- ι ο Die bisher verwendeten Gasblasensäulen und Blasen durcbsatz(m³/h): Fermentiersäulenquerschnitt (m²) mischkammern sind demnach so eingesetzt worden von über 120 m/h in der Fennentiersäule im Bereich daß der Sauerstoffverbrauch der Mikroorganismer des vom Boden der Fennentiersäule aufsteigenden je Zeiteinheit gleich oder geringer als die Sauerstoff-Gasblasenstromes mittels eines Rührflügels, dessen Verteilungs- oder Dispersionsgeschwindigkeit ist.
   Rührschaufeln aus mit einer Vielzahl von kurzen 15 Die Strömung in der Blasensäule oder -kammei Drahtstiften bestückten Siäben bestehen, wobei läßt sich im allgemeinen in eine Zirkulationsströmumj die Drahtstifte parallel oder senkrecht zur Rota- und eine lokale Turbulenzströmung unterteilen. Die tionsebene liegen oder die Rührschaufeln aus Zirkulationsströmung ist diejenige, die nur in einei einem Maschengitter oder einer Drahtgaze ge- Richtung gerichtet ist und deren Stromlinien sich nicht bildet sind oder mittels eines Rührflügels, der aus 20 in komplizierter Weise überschneiden, wenn man sie einer quer zum aufsteigenden Gasblasenstrom ver- an der Hintereinanderfolge unterschiedlich großer laufenden, in der Fermentiersäule auf- und ab- Blasen beobachtet, während die lokale Turbulenzbewegbaren Scheibe aus Drahtgaze gebildet ist, strömung diejenige ist, deren Stromlinien sich in sehr örtlich sehr begrenzt turbulente Strömungen er- verwickelter Weise überschneiden. Durch letztere zeugt werden. 25 erfolgt jedoch eine Kollision der Blasen untereinander

   mit größerer Stoßenergie, wodurch ein Aufplatzen

   der Blasen erfolgt und die Sauerstofflösungsgeschwindigkeit stark erhöht wird.

   In der Gasblasensäule, in der die Energie der auf-

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durch- 30 steigenden Gasblasen ausgenutzt wird, um diese führung eine^r aeroben Fermentation, bei der zur mit der Flüssigkeit zu vermischen, ist somit die vorinnigen Vermischung des in *:ine Fermentierungssäule herrschende Strömung eine Zirkulationsströmung, eingebrachten Gases mit dem Substrat das Gemisch Daraus resultiert, daß ein zufriedenstellendes Ergebnis in eine Zirkulations- und Turbulenzströmung ge- selbst dann nicht zu erwarten ist, wenn versucht wird, bracht wird. Ein solches Verfahren findet beispiels- 35 die Sauerstofflösungsgeschwindigkeit durch eine Steiweise bei der Einzell-Proteinherstellung, der Anti- gerung des Gasblasendurchsatzes zu erhöhen. Außerbiotika-Fermentierung und der Fermentation von dem bleibt die Energieumsetzung niedrig.
   Methan oder Sulfitablaugen Anwendung. In der Blasenmischkammer kann zwar der nach

   Bei der Behandlung eines Substrats, das auf Petro- dem Prinzip einer Turbine arbeitende Rührflügel in leumgrundstoffen aufbaut, ist im allgemeinen die 40 einem gewissen Ausmaß turbulente Strömungen er-Umsetzungsgeschwindigkeit niedrig. Wird dabei die zeugen. Jedoch wird die Energie der in großer Menge Produktion in großem Maßstab durchgeführt, so zugeführten Blasen nicht optimal ausgenutzt, so daß sollte die Energiezufuhr so niedrig wie möglich ge- auch hier der Energieumsatz niedrig bleibt. Wegen halten werden. Es sind bereits verschiedene Einrich- der verhältnismäßig großen Rührfläche ist auch die tungen für diesen Zweck konzipiert worden, jedoch 45 Turbulenzströmung örtlich nicht sehr begrenzt und haben sich diese bisher in der Praxis als nicht zu- es findet auch das für die Erreichung einer günstigen friedenstellend erwiesen. Dies gilt auch für die in Sauerstofflösungsgeschwindigkeit angestrebte Aufden Fig. l(a) und l(b) der Zeichnung im Schnitt brechen der Gasblasen nicht oder nur ungenügend dargestellten bekannten Fermentiereinrichtungen zur statt.

   aeroben Fermentation. 50 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist hiernach,

   Bei der in Fi g. l(a) gezeigten Einrichtung wird die den Wirkungsgrad der aeroben Fermentation bei zur Mischung des Gases α mit der Flüssigkeit b not- einem geringeren Misch- und Gasblasenaufwand als wendige Energie dem aufsteigenden Gas α selbst bisher zu erhöhen. Dies wird bei dem eingangs geentnommen, das in großer Menge in eine Luft- oder nannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch erreicht, Gasblasensäule eingedrückt wird. Hierbei kann zwar 55 daß bei einer Strömungsgeschwindigkeit ν = Lufteinegleichförmige Mischung zwischen Gas und Flüssig- durchsatz (m³/li): Fermentiersäulenquerschnitt (m²) keit erfolgen, jedoch tritt der Sauerstoffübergang nicht von über 120 m/h in der Fermentiersäule im Bereich in einem für die Fermentation zufriedenstellenden des vom Boden der Fermentiersäule aufsteigenden Maße ein, weil die eingebrachte Mischenergie eine Gasblasenstromes mittels eines Rührfliigels, dessen ganz erheblich stärkere Zirkulationsströmling be- 60 Rührschaufeln aus mit einer Vielzahl von kurzen wirkt, als für die gegebene Größenordnung der Drahtstiften bestückten Stäben bestehen, wobei die Blasen günstig ist. Drahtstifte parallel oder senkrecht zur Rotations-

   Bei der bekannten Einrichtung gemäß Fig. l(/>) ebene liegen oder die Rührschaufeln aus einem Makommt zur Mischung des Gases und der Flüssigkeit schengitter oder einer Drahtgaze gebildet sind oder ein nach dem Prinzip einer Turbine arbeitender 65 mittels eines Rührfliigels, der aus einer quer zum Rührflügel c zur Anwendung. Bei einer solchen Blasen- aufsteigenden Gasblasenstrom verlaufenden, in der mischkammer läßt sich zwar die für eine gleich- Fermentiersäule auf- und abbewegbaren Scheibe aus förmige Mischung oder Dispersion notwendige Zir- Drahtgaze gebildet ist, örtlich sehr begrenzt turbu-