DE2436793A1 - Verfahren und vorrichtung zur aeroben fermentation - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur aeroben Fermentation Um in einem Fermenter geeignete Bedingungen für optimales Wachstum der eingesetzten Mikroorganismen zu schaffen, ist es wichtig, für eine gute Verteilung des Mehrphasensystems zu sorgen, damit der Fermenter-Inhalt an jeder Stelle homogen durchmischt ist und örtliche Konzentrationsgradienten vermieden werden, und eine ausreichende Zerteilung der wässrigen Phase zu bewirken zur Erzeugung der erforderlichen Phasengrenzflächen zwischen einem sauerstoffhaltigen Gas und der Fermenterbrühe für den Sauerstoff-tIbergang.
• Die bisher bekannt gewordenen Fermenterbauarten arbeiten entweder nach dem Prinzip des begasten Rtihrfermenters oder nach dem Prinzip der Blasensäule (air lift).
• Rdhrfermentr weisen einige Nachteile auf, die besonders ins Gewicht fallen, wenn große Einheiten notwendig sind, wie z.B. bei der Erzeugung billiger Massenprodukte. Die Wellenabdichtung und Lagerung der Rührwelle bei großen Rührkesseln, die unter sterilen Bedingungen betrieben werden müssen, ist konstruktiv aufwendig, störanfällig und schlecht zugänglich. Dazu kommt ein vergleichsweise hoher Energieaufwand bei mäßiger Sauerstoff-Ausnutzung. Ein günstiges energetisches Konzept ist schwer zu realisieren, weil eine starre Kopplung von Verteilungs- und Zerteilungsleistung vorgegeben ist.
• Bei Blasensäulen-Fermentern mit und ohne internen Umlauf wird sowohl die Zerteilung des Flüssigkeits/Gas-Gemischs für den Sauerstoffübergang als auch die notwendige Homogenisierung des Fermenter-Inhaltes durch die Mammutpumpen-Wirkung der eingeblasenen Luft bewirkt. Wegen der ungünstigen Kopplung zwischen dem stöchiometrisch notwendigen Luftdurchsatz und dem erforderlichen Rühraufwand ist ein energetisch günstiges Konzept nicht zu verwirklichen. Dazu kommt, daß die Verwendung von expandierendem Gas zum Rühren ohnehin aus Gründen der Thermodynamik energetisch ungünstiger ist als das Umpumpen einer inkompressiblen Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe.
• Als Schlaufenreaktoren sind Reaktionsgefäße bekannt, die meist zylindrisch sind mit Schlankheitsgraden von 1 s 1 bis 1 : 3O und darunter und in deren Innern ein Einsteckrohr, dessen Durchmesser üblicherweise das 0,5 - 0,7fache des Reaktordurchmessers beträgt, so angeordnet ist, daß am Reaktorboden und am Reaktorkopf ein ffbergang vom Innenrohr zum äußeren ringförmigen Raum und umgekehrt gegeben ist. Die Schlaufenreaktoren werden in der chemischen Technik für viele Gas/FlUssig-Reaktionen eingesetzt. Die verschiedenen Ausführungsformen unterscheiden sich durch den Antrieb für die Flüssigkeitsumwälzung in der Schlaufe: sie kann durch einen Rührer mit vertikaler Fördercharakteristik bewirkt werden, durch ein eingeblasenes Gas (Mammutpumpenprinzip) oder durch die Wirkung eines Flüssigkeitsstrahls. Es wurde nun gefunden, daß Schlaufenreaktoren mit Strahl antrieb auch für die Durchführung aerober Fermentationsprozesse in Submers-Kultur mit Vorteil eingesetzt werden können.
• Der interne Flüssigkeitsumlauf wird bewirkt durch einen Flüssigkeitsstrahl, der entweder von oben nach unten vorzugsweise aber von unten nach oben mit Hilfe einer Düse in den Fermenter eingeführt wird. Die Düse wird zweckmäßigerweise mittels einer außerhalb des Fermenters aufgestellten Pumpe mit aus dem Fermenter entnommener Flüssigkeit beaufschlagt. Für einen kontinuierlichen Betrieb können auch frisches Nährmedium oder Kreislauffiltrat und Substrat mittels der Düse oder mittels einer weiteren in den Fermenter führenden Leitung zugeführt werden, während ein Teil der Fermenterbrühe aus dem Fermenter direkt oder über einen Abzweig in der Druckleitung der Umwälzpumpe abgezogen wird.
• Ein sauerstoffhaltiges Gas,z.B. Luft, wird durch einen geeigneten Verteiler, z.B. eine Zweistoff-Ringdüse, an der Mündung der Flüssigkeitsdüse so in den Flüssigkeitsstrahl eingebracht, daß der Strahl das Gas erfassen und zerteilen kann. Gasförmige Nährmedien wie Ammoniakgas können bei Bedarf dem sauerstoffhaltigen Gas beigemischt oder mittels einer weiteren Zuleitung in den Fermenter geführt werden.
• Der Flüssigkeitsstrahl ist so auf doppelte Weise wirksam: als Antrieb für den internen Umlauf in der Schlaufe zum Homogenisieren des Fermenter-Inhalts und zum Zerteilen des Flüssigkeits/Gas-Gemisches zur Erzeugung der Phasengrenzfläche für den Sauerstoff-Übergang.
• Die erfindungsgemäße e Fermentationsvorrichtung besitzt innerhalb des Fermenters keine beweglichen Teile. Das einzige rotierende Element ist die außerhalb des Fermenters aufgestellte Pumpe, die gut zugänglich ist und deren Wartung normale Anforderungen nicht übersteigt.
• Die Verteilung der Flüssigkeit, der interne Umlauf in der Schlaufe, ist eine Funktion der Düsenaustrittsgeschwindigkeit, während die Zerteilung des Flüssigkeits/Gas-Gemischs, d.h. die Bereitstellung der für den Sauerstoff-8bergang erforderlichen Phasengrenzfläche von der eingebrachten Strahlleistung abhängt. Hierfür haben sich Geschwindigkeiten des Flüssigkeitsstrahls von 10 - 100 m/s, insbesondere 20 - 40 m/s als zweckmäßig gezeigt.
• Durch geeignete Dimensionierung der Flüssigkeitsdüse bzw. gegebenenfalls der Flüssigkeitsdüsen und durch die richtige Wahl der Flüssigkeitszirkulation mit Hilfe der außerhalb des Fermenters angebrachten Pumpe kann für jedes Substrat und für alle gewünschten Fermentationsbedingungen (Wachstumsgeschwindigkeit, spezifischer Sauerstoff-Bedarf) der eingebrachte Strahl hinsichtlich Durchfluß und Staudruck so ausgelegt werden, daß die Umwälzung innerhalb der Schlaufe so groß ist, daß totale Durchmischung des Fermenter-Inhalts gegeben ist, außerdem gerade die Austauschfläche für den Sauerstoff-Übergang bereitgestellt wird, die für die Versorgung der Kultur erforderlich ist. Die Anwendung des Schlaufenreaktors mit Strahlantrieb erlaubt es daher, für jede Kultur von Mikroorganismen, deren Wachstumsbedingungen bekannt sind, einen Fermenter auszulegen, der unter energetisch günstigen Bedingungen arbeitet.
• Es ist zwar ein Gas/Flüssigkeitsreaktor bekannt, bei dem der Treibdüse ein Mischrohr nachgeschaltet ist, dessen Volumen klein ist im Vergleich zum Reaktor-Volumen. In diesem Mischrohr findet eine Vormischung mit einem Teil der im Reaktor befindlichen Flüssigkeit statt, diese Vormischung wird dann anschließend in der übrigen Flüssigkeit verteilt. Dieser Reaktor besitzt Vorteile, wenn es darauf ankommt, einen sehr schnellen ersten Reaktionsschritt auf kleinem Raum zu realisieren. Als Fermenter bringt dieser Reaktor kaum Vorteile, da die bekannten Wachstumsgeschwindigkeiten von Mikroorgasni smen erheblich kleiner sind als die Kontaktzeit in dem erwähnten Vormischrohr.
• Wegen der hohen Energie-Dissipationsdichten im Mischrohr wird an dieser Stelle eine spezifische Phasengrenzfläche erzeugt, die erheblich größer ist als zur Sauerstoff-Sättigung des angesagten Flüssigkeitsvolumens erforderlich ist. Es liegt auf der Hand, daß eine solche Arbeitsweise energetisch unnötig aufwendig ist.
• In der Zeichnung ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fermentationsvorrichtung dargestellt: In dem zylindrischen Fermenter-Außenmantel 1 ist konzentrisch ein Innenrohr 2 eingebaut. Durch die Zweistoffringdüse 4 wird mit Hilfe der Umwälzpumpe 5 ein Flüssigkeitsstrahl zentrisch in das Innenrohr 2 eingebracht, der die Aufwärtsbewegung des Gas/Flüssigkeits-Gemisches beschleunigt. Durch die Leitung 3 wird ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, das aus dem die Flüssigkeitsdüse konzentrisch umschließenden Ringraum in das Turbulenzfeld des Flüssigkeitsstrahls geführt wird. Dabei wird Phasengrenzfläche erzeugt für den Sauerstoff-Übergang. Während die groben Blasen am oberen Ende des Einsteckrohres aus der Flüssigkeit austreten und den Fermenter über den Stutzen 8 verlassen, werden die feinen Blasen zusammen mit der Flüssigkeit umgelenkt und strömen im Außenraum zwischen Einsteckrohr 2 und Fermentermantel 1 nach unten.
• Ein kleiner Teil strom wird von der Pumpe 5 abgezogen und wieder zur Düse 4 gefördert, der größere Teilstrom gerät in den Einzugsbereich des Flüssigkeitsstrahles und wird innerhalb der Schlaufe rezirkuliert.
• Viele Fermentationsprozesse verlaufen mit positiver Wärmetönung.
• In der Druckleitung 7 der Umwälzpumpe 5 ist daher ein Kühler 6 eingebaut zur Abführung der Fermentationswärme.
• Im kontinuierlichen Betrieb wird ständig ein Teilstrom über Leitung 9 aus dem Prozess entfernt, während über Zuleitung 11 ständig frisches Nährmedium oder Kreislauffiltrat und Substrat zugeführt werden. Der zum Aufbau der Zellsubstanz erforderliche Stickstoff wird in Form von Ammoniakgas über die Leitung 10 dem Luftstrom beigemischt.
• Beispiel Ein Fermenter der in der Zeichnung dargestellten Art von 6,9o m Höhe und einem Durchmesser von 0,29 m mit einem Einsetzrohr von 5,10 m Länge und 0,17 m Durchmesser wurde mit 350 1 einer üblichen Nährlösung (o,65 g Mg SO4 . 7 H20/l, 2,o g (NH4)2 HP04/l, 1,15 g KCl/l, o,17 g ZnS04/l, 0,045 g MnS04 . H20/l, o,o68 g FeSO . 7 H20/l, 0,025 g Hefeextrakt/lgefüllt. Pro Stunde wurden 1,25 m3 Flüssigkeit 2 umgepumpt bei einem Staudruck von 9,5 Kp/cm2 und 16,8 Nm3 (entsprechend o,8 vvm) Luft durch die Zweistoffdüse am Fermenterboden zugeführt.
• Die Nährlösung wurde mit dem Hefe stamm Candida lipolitica CBS 2078 angeimpft; als Substrat diente ein n-Paraffin-Schnitt (C14 - C18).
• Je nach Verbrauch während der Fermentation wurden Substrat und Ammoniak nachdosiert; der pH-Wert wurde bei 4, die Temperatur 0 bei 30 C konstant gehalten.
• Bei einer Zellkonzentration von 20 g/l wurde eine Produktivität von 2,5 kg/m3 .h erreicht. Dabei betrug die eingebrachte Leistung mit dem Flüssigkeitsstrahl o,9 kW/m3, mit der Luft o,7 kW/m3, zusammen also 1,6 kW/m3 . Der Restsauerstoff in der Abluft betrug 13,0 Vol %.
• Zum Vergleich wurde in einem 300 1 - Rührfermenter mit drei übereinander angeordneten Rührflügeln (1200 Upm) mit demselben Hefestamm unter denselben Fermentationsbedingungen dieselbe Produktivität von 2,5 kg/m3 .h bei einer Zellkonzentration von 22 g/l erreicht, dabei mußte jedoch allein mit dem Rührer eine Leistung von 7,5 kW/m3 eingebracht werden. Der Fermenter war mit 180 l Flüssigkeit gefüllt, der erforderliche spezifische Luftdurchsatz betrug 1,5 vvm entsprechend 16,2 Nm3/h.
• In der Abluft waren noch 16,9 Vol % Sauerstoff enthalten.

Claims (5)

1. Ansprüche

   6 Verfahren zur aeroben Fermentation eines Substrates durch Mikroorgasnismen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende eines Schlaufenreaktors ein Flüssigkeits-Gasgemisch hergestellt und mittels des Strahls der eingebrachten Flüssigkeit durch den Fermenter geführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeits-Gasgemisch mittels einer Zweistoffdüse hergestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Flüssigkeits-Gasgemisches am unteren Ende des Reaktors erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 10 - 100 m/s vorzugsweise 20 - 40 m/s aus der Düse austritt.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlaufenreaktor (1) eine in das Einsteckrohr (2) gerichtete Zweistoffdüse (4) aufweist.