DE4133383A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen gewinnung von mikrobiellen fermentierungsprodukten und/oder zellmasse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von mikrobiellen Fermentierungsprodukten und/oder mikrobieller Zellmasse in einem Fermentierungs­ reaktor, dem Substrat und ggf. Mikroorganismus kontinu­ ierlich zugeführt und Produktphase unter gegebenfalls vollständiger oder teilweise Retention der Zellmasse ent­ nommen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung die­ ses Verfahrens. Insbesondere sind Verfahren und Vorrich­ tung zur Gewinnung von Milchsäure sowie von Milchsäure­ bakterien geeignet.

Bei der industriellen Gewinnung von Milchsäure auf dem Wege der mikrobiellen Fermentation wird bislang aus­ schließlich im diskontinuierlichen Verfahrensmodus ope­ riert. Daraus resultiert der grundsätzliche Nachteil, daß die Reaktoren nach dem Stand der Technik nur mit einer äußerst niedrigen, am wirtschaftlichen Schwellenwert lie­ genden volumetrischen Produktivität arbeiten können.

Aus diesem Grunde hat man Verfahren entwickelt, die die Produktivität deutlich steigern sollen. Ein wesentliches Merkmal dieser Entwicklungen, die allerdings noch nicht ihre industrielle Realisierbarkeit nachweisen konnten, ist die kontinuierliche Verfahrensweise. Diese ist ge­ kennzeichnet durch eine Retention der Mikroorganismenzel­ len, die frei suspendiert im Medium einen optimalen Kon­ takt und Austausch zu den Nährstoffen erhalten und durch Membranfilter oder Zentrifugen im Reaktor zurückgehalten werden, während die Serumphase der Zellsuspension mit ei­ ner bestimmten, die Verweilzeit bestimmenden Aus­ tauschrate abgetrennt und durch neues Fermentationssub­ strat ersetzt wird. Da die Zellen nicht aus dem Reaktor ausgewaschen werden, können sie sich zu wesentlich höhe­ ren Zelldichten entwickeln als dies im diskontinuierli­ chen Prozeß wegen der notwendigen Unterbrechungen und ständig sich wiederholenden An- und Abfahrphasen der An­ lage möglich ist.

Dennoch gelingt es trotz der kontinuierlichen Verfahrens­ weise erst bei sehr hohen, technisch bzw. physiologisch kaum beherrschbaren Zellkonzentrationen gegenüber dem konventionellen Batchprozeß einen Produktivitätsvorsprung herauszuarbeiten. Der Grund für diese experimentell leicht festzustellende Beobachtung ist die Tatsache, daß in einem großvolumigen Rührkesselreaktor bei vollständi­ gem Umsatz der Kohlenhydratquelle aufgrund der nahezu idealen Durchmischung an jedem Ort, d. h. im gesamten Reak­ tionsraum, die gleiche hohe Endproduktkonzentration vor­ liegt wie im Ablauf des kontinuierlich betriebenen Reak­ tors. Die Konsequenz ist eine massive Produktinhibierung der Mikroorganismen, d. h. eine drastisch verminderte Reaktionsgeschwindigkeit, was nur durch eine immens hohe Zelldichte ausgeglichen werden kann. Populationen mit ho­ her Zelldichte weisen jedoch eine sehr hohe Viskosität und das Problem eines Vitalitätsverlustes der Kultur im Laufe der Zeit auf.

Umgekehrt hat man zwar die Möglichkeit, die hohe Endpro­ duktkonzentration durch Erhöhung der Durchlaufrate, d. h. durch eine Verminderung der Verweilzeit des Substrats, zu reduzieren. Die Folge davon ist jedoch eine unvollstän­ dige Ausbeute.

Als nachteilige Eigenschaft von Rührkesselreaktoren ist weiterhin festzustellen, daß durch das Rühren der gesamte Fermenterinhalt in Rotation versetzt wird, ohne daß es zum erwünschten Effekt der guten Durchmischung kommt. Nur Strömungsbrecher verhindern die Rotation, wandeln aber die überschüssige Energie in Wärme um, die dann letzlich ungenutzt durch Wärmeaustauscher wieder abgeführt werden muß.

Zusammenfassend lassen sich kontinuierliche Fermentati­ onsprozesse in konventionellen Rührkesselreaktoren da­ durch charakterisieren, daß die technisch-wirtschaftli­ chen Zielsetzungen "Hohe Produktivität" und "Vollständige Ausbeute" miteinander im Zielwiderspruch stehen und sich nur alternativ realisieren lassen.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Fermentierungsverfahren bereitzu­ stellen, daß die Nachteile der vorstehend geschilderten Verfahren vermeidet und insbesondere eine im wesentlichen vollständige Ausnutzung des zur Verfügung gestellten Sub­ strats ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs ge­ schilderten Art gelöst, das in einem Rohrreaktor in einem dafür geeigneten Medium durchgeführt wird, der von dem Medium turbulent durchströmt wird, wobei in Abhängigkeit von einer für den Organismus spezifischen Verweilzeit frisches Substrat zugeführt wird.

Unter Substrat wird erfindungsgemäß ein übliches Nährme­ dium verstanden, das alle für die Gewinnung des erwünsch­ ten Fermentierungsprodukts oder der Zellmasse erforderli­ chen Nährstoffe und -salze enthält und auf einen geeigne­ ten pH-Wert eingestellt ist. Als Medium wird das im Reak­ tor vorhandene Fermentierungsmedium aus Substrat, Produkt und Zusätzen bezeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Reaktor aus einer langen, schlanken Rohrstrecke besteht, die tur­ bulent durchströmt wird. Rührelemente sind nicht erfor­ derlich, so daß ein sehr effektiver Energieeinsatz gege­ ben ist. Dieser Rohrreaktor wird kontinuierlich und vor­ zugsweise mit Zellretention betrieben. Entlang der Rohr­ strecke findet der fermentative Stoffumsatz statt, und es entwickeln sich in Strömungsrichtung Konzentrationsgradi­ enten. In dem Maße, wie es zum allmählichen Umsatz der Kohlenhydratquelle kommt, baut sich in inverser Form eine Reaktionsproduktkonzentration auf. Zu hohen Konzentratio­ nen des inhibierenden Endproduktes (Lactat) kommt es also erst in der letzten, vergleichsweise kleinen Zone der Rohrstrecke, während die Mikroorganismen in der vorderen Zone physiologisch nahezu ungehemmt mit maximaler Reaktionsgeschwindigkeit arbeiten können. Ferner befinden sich die Mikroorganismen im vorderen Teil der Rohrstrecke in einem Medium mit einer hohen Substratkonzentration, woraus ebenfalls eine Steigerung der Reaktionsgeschwin­ digkeit resultiert. Die durchschnittliche Produktivität des Reaktors liegt dadurch insgesamt drastisch oberhalb derjenigen von Rührkesselreaktoren. Gleichzeitig, d. h.. ohne Verzicht auf eine hohe Produktivität, läßt sich der Rohrreaktor so betreiben, daß im Fermenterablauf eine vollständige Ausbeute erreicht wird.

In Bezug auf die Prozeßführung erweist es sich als sehr großer Vorteil, daß die Verweilzeitverteilung der Fluid­ elemente bei turbulenter Strömung (Reynold-Zahl Re2500) und bei Rohrdurchmessern von DN 40 bis DN 120 sehr eng ist. D.h. die Verweildauer von schnellsten und lang­ samsten Fluidelementen ist im Gegensatz zu kontinuierlich betriebenen Rührkesseln sehr einheitlich. Eine turbulente Strömung kann auch bei niedrigeren Strömungsgeschwindig­ keiten verwirklicht werden, etwa durch Einbau von Strö­ mungsbrechern in der Rohrstrecke.

Die sich beim erfindungsgemäßen Verfahren entwickelnde Strömung kann als eine turbulente Pfropfenströmung be­ zeichnet werden. Dies hat zur Folge, daß sich entlang der Reaktionsstrecke bezüglich des Substrats Konzentrations­ gradienten einstellen, d. h. sich einmal gebildetes Pro­ dukt im wesentlichen innerhalb des Reaktorsegments ver­ bleibt und nicht, wie in herkömmlichen kontinuierlichen Reaktoren, die Produktkonzentration im Gesamtreaktor er­ höht. Hierdurch wird eine vorzeitige Produkthemmung ver­ mieden.

Desweiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Substrat und ggf. erforderliche weitere Zusätze gezielt einzudosieren, so daß eine Substrathemmung ver­ mieden werden kann. Dies geschieht beispielsweise da­ durch, daß in dem Beginn der Reaktionsstrecke nur relativ niedrig konzentriertes Substrat eingespeist wird und wei­ teres Substrat stufenweise über den Verlauf der Reakti­ onsstrecke zudosiert wird, so daß eine maximale Konzen­ tration nicht überschritten wird, dabei aber die volle Fermentierungskapazität ausgenutzt wird. Entsprechendes gilt für andere Zusätze, beispielsweise die bei der Er­ zeugung von Milchsäure zur pH-Regulierung erforderliche Lauge, etwa NaOH oder NH₄OH.

Die Erfindung betrifft ferner einen Reaktor zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens mit wenigstens einem Einlaß für Substrat, Mikroorganismus und ggf. erforderlichen weiteren Zusätzen sowie einem Auslaß für Produktphase, einer Ein­ richtung zur Retention bzw. Rückführung des Mikroorga­ nismus sowie Einrichtungen zur Steuerung von Temperatur, Durchfluß und anderer wesentlicher Parameter, bei dem es sich um einen Rohrreaktor mit einem inneren Durchmesser handelt, der in Verbindung mit der für den im wesentli­ chen vollständigen Umsatz des Substrats benötigten Strö­ mungsgeschwindigkeit des Mediums und dessen Viskosität eine turbulente Strömung ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und der dazu entwickelte Rohrreaktor bringen eine Reihe von konstruktiven und ap­ parativen Vorteilen mit sich. So ist die bauliche Gestal­ tung außerordentlich einfach und kostengünstig und ferner eine einfache Anpassung an den jeweils interessierenden Mikroorganismus möglich. Substrat- und Nährsalzkonzentra­ tion und Strömungsgeschwindigkeit sowie Zellmasse, pH- Wert und andere Parameter können sehr einfach über do­ sierte Einspeisung bzw. -entnahme gesteuert werden. Rei­ nigung und Sterilisation der Anlage sind sehr sicher, da die gesamte innere Oberfläche totraumfrei umspült wird.

Der erfindungsgemäß verwandte Rohrreaktor hat ein ausge­ sprochen hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis, das einen Transfer von Wärme und ein zuverlässiges Scale-up für je­ den Produktionsmaßstab ermöglicht. Über die außerordent­ lich lange Reaktionsstrecke können Temperaturgradienten aufgebaut werden, wodurch sich der temperaturabhängige Wachstums- und Produktbildungsprozeß leicht beeinflussen läßt. In Verbindung mit der sehr einfach zu steuernden Substratkonzentration lassen sich in jedem Bereich des Reaktors die optimalen Wachstums- und Produktbil­ dungsbedingungen einstellen. Apparate und Meßgeräte zur Prozeßkontrolle lassen sich überall integrieren, so daß eine sehr genaue Überwachung des Verfahrensablaufs mög­ lich ist.

Zusammengefaßt ausgedrückt liegt das charakteristische Hauptmerkmal und die sowohl wirtschaftlich wie ökologisch neuartige Eigenschaft des Rohrreaktors zur fermentativen Milchsäuregewinnung in der Möglichkeit, eine vollständige Ausbeute und hohe Produktivität bei insgesamt sehr nied­ rigem Energieeinsatz zu ermöglichen.

Über mehrere experimentelle Zwischenstufen wurde in ver­ schiedenen Reaktoren der Fermentationsprozeß in bezug auf die Substratzusammensetzung und Zellkonzentrationen so­ weit optimiert, daß sehr kurze Fermentationszeiten bis zum vollständigen Stoffumsatz im Bereich von 60 bis 90 min erreicht werden konnten. Bei zu langen Umsatzzeiten wäre die erforderliche Rohrlänge technisch unbeherrsch­ bar. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde bei der Ent­ wickung letztlich ein Rohrreaktor mit L = 630 m mit einem Rohrdurchmesser von 50 mm installiert sowie mit den erforderlichen Instrumenten und Apparaten zur Zellreten­ tion (Membran, Zentrifuge) und Zellrückführung, zur Pro­ zeßkontrolle und zur Regelung versehen. Mit einem Reakti­ onsvolumen von 1,2 m³ und einem Volumendurchsatz an Fer­ mentationssubstrat von etwa 750 l/h konnte der Proto­ typreaktor experimentell in einem industrienahen Maßstab nachweisen, daß das Konzept der fermentativen Milchsäure­ gewinnung in turbulenter Rohrströmung praxisgerecht und produktionstechnisch umsetzbar ist. Die Produktivität des Reaktors liegt bei einer Zelldichte bis zu 20 g Trocken­ substanz/l bei bis 35 g Lactat/(lh), wohingegen die der­ zeit in der Industrie eingesetzten Reaktoren nicht mehr als durchschnittliche 1 bis 2 g/(lh) aufweisen.

Claims (11)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von mikro­ biellen Fermentierungsprodukten und/oder mikrobieller Zellmasse in einem Fermentierungsreaktor, dem Substrat und ggf. Mikroorganismus kontinuierlich zugeführt und Produktphase unter gegebenenfalls vollständiger oder teilweiser Retention der Zellmasse entnommen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einem Rohr­ reaktor in einem dafür geeigneten Medium durchgeführt wird, der von dem Medium turbulent durchströmt wird, und daß in Abhängigkeit von einer für den Organismus spezifischen Verweilzeit frisches Substrat zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Gewinnung von Milchsäure und/oder Milchsäure­ bakterien verwandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strömung im Rohrreaktor eine Pfropfenströmung ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch eine Reynoldszahl der Strömung von 2500.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Reaktionsstrecke Tem­ peraturgradienten zur optimalen Substratverwertung aufgebaut werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Reaktionsstrecke Sub­ strat und/oder ggf. benötigte Zusätze zugesetzt wer­ den.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der­ gestalt eingestellt wird, daß am Ende des Rohrreaktors das Substrat im wesentlichen zu Produkt umgesetzt ist.

8. Reaktor zur kontinuierlichen Gewinnung von mikro­ biellen Fermentierungsprodukten und/oder mikrobieller Zellmasse nach Anspruch 1 mit wenigstens einem Einlaß für Substrat, Mikroorganismus und ggf. erforderliche weitere Zusätze sowie einem Auslaß für Produktphase, einer Einrichtung zur Retention bzw. Rückführung des Mikroorganismus sowie Einrichtungen zur Überwachung und Steuerung von Temperatur, Durchfluß und anderer wesentlicher Parameter, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Rohrreaktor mit einem inneren Durchmes­ ser handelt, der in Verbindung mit der für den im we­ sentlichen vollständigen Umsatz des Substrats benötig­ ten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und dessen Viskosität eine turbulente Strömung ergibt.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser des Rohres 40 bis 120 mm be­ trägt.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynoldszahl der Strömung Re 2500 ist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekenn­ zeichnet durch eine Gesamtlänge der Rohrstrecke von 50 bis 1000 m.