DE2356621C3 - Verfahren zur Durchführung einer aeroben Fermentation - Google Patents

Description

Zirkulations- und Turbulenzströmung gebracht in großer Menge eingeführten Gases nicht hinreichend

wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausgenutzt wird.

bei einer Strömungsgeschwindigkeit ν = Luft- io Die bisher verwendeten Gasblasensäulen und Blasendurcbsatz(m³/h): Fermentiersäulenquerschnitt(m²) mischkammern sind demnach so eingesetzt worden, von über 120 m/h in der Fermentiersäule im Bereich daß der Sauerstoffverbrauch der Mikroorganismen des vom Boden der Fermentiersäule aufsteigenden je Zeiteinheit gleich oder geringer als die Sauerstoff-Gasblasenstromes mittels eines Rührflügel, dessen Verteilungs- oder Dispersionsgeschwindigkeit ist. Rührscbaufeln aus mit einer Vielzahl von kurzen 15 Die Strömung in der Blasensäule oder -kammer Drahtstiften bestückten Stäben bestehen, wobei läßt sich im allgemeinen in eine Zirkulationsströmung 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 einer 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 einer aeroben Fermentation, bei der zur mit der Flüssigkeit zu vermischen, ist somit die vorinnigen Vermischung des in eine 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 Sauerst.offlösungsgeschwindigkeit durch eine Steiweise bei der Einzell-Proteinherstellung, der Anti- gerung des Gasblasendurchsatzes zu erhöhen. Außerbiotika-Fermentierung und der Fermentation von dem bleibt die Energie'umsetzung 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 F i 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 = Lufteine gleichförmige Mischung zwischen Gas und Flüssig- durchsatz (m³/h): Fermentiersäulenquerschnitt (m²] kcit 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 Fermcntiersäule aufsteigender Maße ein, weil die eingebrachte Mischenergie eine Gasblasenstromes mittels eines Rührflügels, desser ganz erheblich stärkere Zirkulationsströmung be- 60 Rührschaufeln aus mit einer Vielzahl von kurzer wirkt, als für die gegebene Größenordnung der Drahtstiften bestückten Stäben bestehen, wobei di< Blasen günstig ist. Drahtstifte parallel oder senkrecht zur Rotations Bei der bekannten Einrichtung gemäß Fig. l(/>) ebene liegen oder die Rührschaufeln aus einem Ma kommt zur Mischung des Gases und der Flüssigkeit schengitter oder einer Drahtgaze gebildet sind ouc ein nach dem Prinzip einer Turbine arbeitender 65 mittels eines Rührflügels, der aus einer quer zun Rührflügel c zur Anwendung. Bei einer solchen Blasen- aufsteigenden Gasblasenstrom verlaufenden, in de mischkammer läßt sich zwar die für eine gleich- Fermentiersäule auf- und abbewegbaren Scheibe au förmiße Mischung oder Dispersion notwendige Zir- Drahtgaze gebildet ist, örtlich sehr begrenzt turbu

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,trömungen

, -«„naen erzeugt werden. Kennzeichnend für Die Betriebsweise der ernndungsgemäüen Einrich-

]_ente utromuiiB _demnach u.a. der Einsatz von tung zur Gärung ist folgende: „ . . . . _h„_n

_die Erfindung J Jj^ . ^ _{übUchp Substrat wird} in die Säule 1 eingegeben

definierten ™ffg™_ma _die Einhaltung einer ober- und es wird Luft, Sauerstoff, eme M.schur g,on Luft

wirksamer Ruhrtocneunu 5. 3 und Substrat oder eine Mischung von Sauerstoff und

««^wSSSKSr das für eine günstige Energie- Substrat in die Säulei durch d.e Luftzuführung

_Auf diese Weise lab sicn α b Zirkulation- eingedrückt. Die Durchmischung erfolgt durch den

^ufflSetZUn8 _7U tuften Enzströmungen und weiter- Mikro-Rührflügel 3. Die ^üOMtem^ratur J^d

SfÄ"iAt einhergehenden Aufbrechung __ ^Z^^ZL^ SS'den

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richtung gemäii F ig. 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.

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

liehen aus einer Säulei, 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% Magnesiwälzpumpe5 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 3O⁰C 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 B, anstelle von Maisextraktbrühe zugegeben und in gleichen Winkelabständen an der Kupplungs- wurde. 10 1 der Hauptkultur wurden in eine Fermenmuffe 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 20 1 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 12 cm sowie mit drei Rührtung 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, deren Durchmesser 30 und 33°C 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 Rührschaufeln 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 F i g. 3 haben die sechs Rührschaufeln mit einer Breite von je 2,5 cm Rührschaufeln des Mikro-Rührflügels 3 horizontal 60 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 IQb, während die Aus- und die gleiche Kulturzusammensetzung 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 Wachstumsratc 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 ' " auf 600 U/min mit einer entsprechenden Leistungs-

können.

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 32° C. 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	U/min	Leistung	μ	a X	Bemerkungen	Vh)
	(m/h)		kW/m3	(Hr-'
Herkömmliches	60	600	5,0	0,04		übermäßige Schaumbildung
Verfahren mit Turbinen- rührflügel	100	600	5,0	0,04		übermäßige Schaumbildung
	120	600	5,0	0,05		übermäßige Schaumbildung
	150	600	5,0	0,05	übermäßige Schaumbildung
Erfindungsgemäßes Verfahren	200	600	5,0	0,07	übermäßige Schaumbildung
mit Mikro-Rührflügel	60	600	0,5	0,03	übermäßige Schaumbildung
	100	600	0,5	0,04	übermäßige Schaumbildung
	120	600	0,5	0,11	keine Schaumbildung
	150	600	0,5	0,18	keine Schaumbildung
200	600	0,5	0,19	keine Schaumbildung
Vs (m/h) = Oberdachcn-Gasgcschwimligkcit --	Luftdurchsatz (Menge je Zeiteinheit) (m
U/min - Drehzahl des Rührwerks	Situlcnqucrschnittsnitche (m")
μ (Hr-1) « SpcziQschc Wachstumsratc μ = y

Dabei β X dio Dichte des Bakterlcnstammes (kg/m¹) und

ι die Fermentationsdauer (Hr)

(/< unterliegt einer gewissen Schwankung auf Orund der Rcproduktionsphasc. Der angegebene Wert ist der Wert von μ zur Zeit μΧ an seinem Maximum.)

Aus der Tabelle 1 ist zu ersehen, daß der bei der herkömmlichen Blascnmischkammer auftretende Encrgieverkist erflndungsgemüß beträchtlich reduziert wird. Außerdem ist zu ersehen, daß sich mit dem erllndungsgemllßcn Verfahren bei geringerer Leistungsaufnahme dus Fortschreiten der Fermentation im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren ganz betrilchtllch steigern läßt, indem die über den Mikro-Rührflügcl zugcfllhrte Leistung mit der Oberflächengasgeschwindigkeit der in die Einrichtung eingedrückten Luft Im entsprechenden Gleichgewicht ge- halten wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Durchführung der erflndungsgemllßcn Fermcntlcrtmg mit dem Mikro- Rilhrflügcl die von der Luftzuführung aus aufsteigenden Schaumblasen in winzige Bläschen aufgebrochen werden und dann in der Flüssigkcitskammcraufstelgcn, in der lokalisiert turbulente Strömungen ausgebildet werden. Das Ergebnis ist, daß die Kontaktflüche erheblich erhöht wird und demzufolge ein günstiger Gtts/Flüssigkeitskontnkt erzielt wird. (Vergleiche folgende Tabelle 2).

Bei dem Versuch, dessen Ergebnisse der Tabelle 2 zu Grunde liegen, wurde der in F ig. 4 gezeigte Mikro-Rührflügel 3 eingesetzt. Die Vorrichtung zur Kultivierung des Mikroorganismenstammes, die Temperatur und die anderen Bedingungen ergeben sich aus der vorstehenden Erlilutcrung, Die Steigerung der

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Sauerstoff-Lösungsgcschwindigkeit, die durch die Na-Iriumsulfit-Methodc bestimmt wurde, und die Produktivität (Konzentration von Mikroorganismen χ spezifische Wachstumsrate μ) sind auf den entsprechenden Wert bei einer Oberflächen-Gasgcschwindigkcit von 184 m/h, dem jeweils der Wert 1 gegeben wurde, bezogen.

Tabelle 2 (nachgercicht):

Vergleich der Wirkung der lokalen Turbulenzströmung

Strömungsgeschwindig	Herkömmliche	Gasblascnsiiulc	Erfindungsgcmiißc	Einrichtung
keit (m/h) in der Säule	Sauerstoff-	Produktivität	Saucrstoff-	Produktivität
	Lösungs-		Losungs-
	geschwindigkcit		gcschwindigkcit

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-Rührflügcl mit geringet

Saucrstoff-Lösungsgcschwindigkcit, sondern auch die Leistungsaufnahme in Verbindung mit einer relativ

Produktivität beträchtlich über denjenigen Werten hohen Obcrflächcn-Gasgcschwindigkeit, nämlich übci

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. kulationsenergie sowie eine lokale Turbulenzenergie

   Patentanspruch: erzielen, die den Sauerstoffübergang bzw. dessen Verteilung bewirkt, jedoch ist die Ausnutzung dieser

   Verfahren zur Durchführung einer aeroben Energie nur gering, weil das Verhältnis der Zirku-

   Fermentation, bei der zur innigen Vermischung 5 lationsenergie zur lokalen Turbulenzenergie nicht

   des in eine Fermentierungssäule eingebrachten angemessen bzw. optimal ist und die Energie des zum

   Gases mit dem Substrat das Gemisch in eine Zweck der Fermentation in die Blasenmischkammer