DE2356621B2 - Verfahren zur durchfuehrung einer aeroben fermentation - Google Patents
Verfahren zur durchfuehrung einer aeroben fermentationInfo
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Description
3 '4
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
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).
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:
Vs (m/h)
U/min
Leistung
kW/m3
(Hr-1
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-
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)
- W kulationsenergie sowie eine lokale TurbulenzenergiPatentanspruch: erzielen, die den Sauerstoff übergang bzw. dessen Veiteilung bewirkt, jedoch ist die Ausnutzung dieseVerfahren 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 untereinandermit größerer Stoßenergie, wodurch ein Aufplatzender 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 einer 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 nachBei 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-
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11368072 | 1972-11-13 | ||
JP11368072A JPS541793B2 (de) | 1972-11-13 | 1972-11-13 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2356621A1 DE2356621A1 (de) | 1974-05-30 |
DE2356621B2 true DE2356621B2 (de) | 1976-12-09 |
DE2356621C3 DE2356621C3 (de) | 1977-08-04 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
IT998943B (it) | 1976-02-20 |
DE2356621A1 (de) | 1974-05-30 |
JPS4971184A (de) | 1974-07-10 |
GB1455311A (en) | 1976-11-10 |
FR2236931A1 (de) | 1975-02-07 |
BR7308800D0 (pt) | 1974-08-15 |
ES420311A1 (es) | 1976-07-01 |
FR2236931B1 (de) | 1977-03-11 |
JPS541793B2 (de) | 1979-01-29 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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