DD151574A3 - Verfahren zur fermentation - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fermentation und bezieht sich auf eine verbesserte Stickstoffversorgung der Mikroorganismen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Fermentationsverfahren zu schaffen, bei welchem der fuer das Verfahren benoetigte Stickstoff ohne ein zusaetzliches Verteilersystem fuer gasfoermiges Ammoniak oder ohne aufwendige Verfahrensstufen der Zubereitung und des Einbringens v. waeszrigem Ammoniumsalz oder Ammoniakloesungen in den Fermentor und ohne eine zusaetzliche Wasserbelastung der Fermentation sowie den erheblichen Transportaufwand zur Verfuegung gestellt wird. Die Erfindung besteht darin, dasz fluessiges Ammoniak in den Gasstrom, der zur Sauerstoff- und Naehrstoffversorgung der Mikroorganismen in den Fermentor eingeleitet wird, zugegeben wird, dasz in Abhaengigkeit von der Temperatur und Stroemungsgeschwindigkeit dieses Gasstromes die Zugabestelle fuer das fluessige Ammoniak so ausgewaehlt wird, dasz das Ammoniak vor Eintritt in die Fermentorfluessigkeit, vorzugsweise jedoch in der Gasverteilervorrichtung gasfoermig vorliegt, dasz der Ammoniakgehalt bei der Verwendung von Luft als Gasstrom 0,1 bis 1,2 Vol.-%, vorzugsweise 0,2 bis 0,7 Vol.-% und bei Anwendung anderer Gase nicht mehr als 5 Vol.-% betraegt.

Description

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Verfahren zur Fermentation

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fermentation, insbesondere ein Verfahren zur Stickstoffversorgung der Mikroorganismen,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Mikroorganismen benötigen für ihr Wachstum während des Fermentationsprozesses neben einer Kohlenstoffquelle als Wachstumsgrundlage Sauerstoff, Nährsalze und eine Stickstoffquelle. Die Abdeckung des Stickstoffbedarfs während des Fermentationsprozesses erfolgt in der Praxis bei kontinuierlich arbeitenden Verfahren durch Zugabe von Stickstoffverbindungen, insbesondere wässrigen Ammoniumsalz- oder Ammoniaklösungen. Dabei müssen die wässrigen Lösungen im Hinblick auf ein optimales Wachstum der Mikroorganismen bestimmten Forderungen an die Konzentration bei der Zugabe an die lokale Konzentration des Stickstoffs im Fermentor und die Einhaltung des pH-Wertes erfüllen. Oftmals führt die Limitierung des Stickstoffs zur

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Herabsetzung der Produktivität und zur Erzeugung unerwünschter Zielprodukte«

Die Erfüllung dieser Forderungen bedingt eine Reihe zusätzlicher, arbeits- und apparateaufwendiger Operationen, wie z« B« Herstellung (Verdünnung) und Dosierung der Ammoniumealz- oder Ammoniaklösungen, sowie da3 Vermischen der Lösung im Fermentor« Dabei muß der benötigte Ammoniak zumeist in wässriger Lösung an den Fermentationsbetrieb geliefert werden, was einen erheblichen Mehraufwand an Energie sowie Transport- und Umschlagkosten bedeutet«

Die Entwicklung der Fermentationsprozesse orientiert auf die Erreichung geschlossener Wasserkreisläufe» Darum ist es nachteilig, mit der Zugabe von wässrigen Ammoniumsalz- oder Ammoniumlösungen das Verdünnungswasser in das Verfahren einzubringen. Es wurde bereits in der DD-Patentschrift 52«325 im Rahmen der Aufzählung alkalisch wirkender Stoffe wie: Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Dinatriumhydrogenphosphat zwecks Einstellung des gewünschten pH-Wertes bei der Zubereitung des Nährmediums auf die Zugabe von freiem Ammoniak hingewiesen» Das Verfahren gemäß DD-Patentschrift 52.325 betrifft nicht die Stickstoffversorgung eines kontinuierlich arbeitenden Fermentationsverfahrens, sondern nur die pH-Wert-Einstellung des außerhalb des Fermentors herzustellenden Nährmediums_β

Die separate Zugabe von gasförmigem Ammoniak in das Kulturmedium geht z, B* aus der DT Patentschrift 2417848 hervor« Bei modernen Fermentationsverfahren hoher Produktivität sind als Nachteile die lokale Konzentrationserhöhung und Erwärmung an den Ammoniakzugabestellen zu nennen. In der DT Patentschrift 2418755 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Züchtung eines Einzeller-Proteins beschrieben, bei dem die V/achstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen über die Stickstoffzugabe gesteuert wird.

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Dadurch wird der Stickstoffverbrauch im Permentor in Abständen von 10 bis 120 Minuten durch Messung und Registrierung des pH-Wertes der Permentorflüssigkeit festgestellt und die Dosierung von Ammoniakwasser oder gasförmigen Ammoniak nachgeführte Moderne Fermentationsverfahren mit einem hohen. Stickstoffverbrauch pro Zeiteinheit lassen sich unter dem Gesichtspunkt der Erreichung hoher Produktivitäten im Prozeß und nach dem Verfahren gemäß der DT Patentschrift nicht realisieren« Starke Schwankungen des Stickstoffspiegels beeinträchtigen erheblich das optimale Wachstum der Mikroorganismen«

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Permentationsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem der für das Verfahren benötigte Stickstoff in der für die Mikroorganismen notwendigen Menge ohne ein zusätzliches Verteilersystem für gasförmiges Ammoniak oder ohne aufwendige Verfahrensstufen der Zubereitung und des Einbringens von wässrigen Ammoniumsalzoder Ammoniaklösungen in das Verfahren und ohne eine zusätzliche Wasserbelastung der Fermentation sowie den erheblichen Transportaufwand zur Verfügung gestellt wird«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fermentationsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem der benötigte Stickstoff durch eine einfache Reaktionsführung dem Prozeß zugeführt werden kann·

Überraschend wurde gefunden, daß die Nachteile der aufwendigen Verfahrensstufen überwunden werden, wenn Stickstoff in Form von gasförmigem Ammoniak durch Zerstäubung in die Fermentorflüssigkeit eingebracht wird»

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Dabei wurde gefunden, daß vorteilhafterweise flüssiges Ammoniak in den Gasstrom, den man zur Sauerstoff- und Nährstoffversorgung der Mikroorganismen in den Permentor einleitet, zugeben kann. Als Gasstrom im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sowohl das sauerstoffhaltige Gas (z. B_e Luft, welches zur Deckung des Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen benötigt wird) sowie auch als Kohlenstoffquelle einsetzbares Gas (z. B. Erdgas, Methan) oder andere Gase zu verstehen»

Erfindungsgemäß ist es notwendig, das Ammoniak zu zerstäuben und die Zugabestelle so auszuwählen, daß das Ammoniak vor Eintritt in die Permentorflüssigkeit, vorzugsweise jedoch in der Gasverteilervorrichtung, gasförmig vorliegt» Infolge der feinen Verteilung der Ammoniaktröpfchen findet eine intensive Vermischung mit dem Gasstrom statt. Dadurch steht am Eintritt in die Permentorflüssigkeit ein Gasgemisch mit gleichmäßiger vorher ausgewählter Ammoniakkonzentration zur Verfügung« Zur Gewährleistung des Stickstoffbedarfes im Permentor beträgt die im Gasstrom einzubringende Ammoniakmenge bei üblichen Produktivitäten und Verwendung von Luft als Sauerstoffquelle von 0,1 VoI % - 1,2 VoI % vorzugsweise 0,2 - 0,7 VoI %. Die Konzentration von 5 VoI % im eingeleiteten Gas soll jedoch zur Vermeidung von toxischen Konzentrationen nicht überschritten werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das mit dem Gasstrom eingeleitete Ammoniak ein wesentlich geringeres Konzentrationsgefälle über den Permentor bewirkt, als die Zugabe wässriger Ammoniumsalz- oder Ammoniaklösungen, deren Zugabe an wenigen Einleitungsstellen erfolgt oder die separate Einleitung von gasförmigem Ammoniak_e Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Stickstoffbedarf der Mikroorganismen (Konzentration im Permentor) in den gewünschten üblichen Grenzen variiert und mit großer Genauigkeit eingestellt werden« Auch die Wahl hoher Stickstoffkonzentrationen führt nicht zu unliebsamen, hohen

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toxischen Konzentrationen an den Zugabestellen im Permentor«

Überraschend wurde weiter gefunden, daß es im Abgas des Permentors nicht möglich war, mit den üblichen Analysenmethoden Ammoniak nachzuweisen·

Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß mit Hilfe üblicher Regelungstechnik der Stickstoff-Spiegel im Permentor infolge geringer Totzeiten bei der Dosierung stetig eingestellt werden kann»

Besonders günstig und operativ wenig aufwendig gestaltet sich dabei die Dosierung des flüssigen Ammoniaks unter Anwendung technisch üblicher Apparate und Regelungstechnik«

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Ausführungsbeispiele

Beispiel 1:

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem kontinuier-

lieh arbeitenden 250 irr-Fermentor experimentell nachgewiesen.

Bei Einsatz von Dieselkraftstoff als Kohlenstoffquelle und Hefen der Gattung Candida wurde die Anlage unter Zusatz von verdünntem Ammoniakwasser als Stickstoffquelle in Betrieb genommen und bis zur Erreichung eines stabilen technischen und technologischen Regimes betrieben» Danach wurde Ammoniak in den Luftstrom zum Fermentor in einer Menge von 27 kg/h eingespeist und die Dosierung des Ammoniakwassers unterbrochen. Unter diesen Bedingungen wurde der Fermentor über einen Zeitraum von 5 Tagen betrieben. In Abständen von 4 η wurde die Stickstoffkonzentration der Fermentorflüssigkeit an mehreren Stellen im Fermentor gemessen« Während der Laufzeit der Anlage mit gasförmigem Ammoniak waren die Schwankungen der Stickstoffkonzentration im Fermentor unbedeutend und lagen im Fehlerbereich der angewendeten Analysenmethode (Kjeldahl). Ein Abfallen der Produktivität war über den gesamten Versuch nicht feststellbar« Die Fermentorabluft wurde analytisch untersucht« Es konnte kein Ammoniak in der Fermentorabluft nachgewiesen werden« Außerdem wurde der pH-Wert des Fermentorinhalts ohne besondere Zusatzmaßnahmen bei 3,9 konstant gehalten.

Beispiel 2:

In der unter 1. beschriebenen Anlage wurden die unter 1. beschriebenen Betriebsbedingungen eingestellt. Als Meßverfahren zur Feststellung der Änderung des Stickstoff-Gehaltes

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in der Kulturflüssigkeit wurde eine kontinuierlich arbeitende pH-Messung eingesetzt. (Die Ansprechempfindlichkeit * der Meßmethode auf Änderungen des Stickstoff-Pegels in der KulturflUssigkeit wurde experimentell überprüft und nachgewiesen» )

Bei Änderung der Dosiermenge an Ammoniakwasser wurde eine Änderung des Stickstoff-Pegels erst nach einigen Minuten am Anzeigegerät wahrgenommen» Bei Einsatz von gasförmigem Ammoniak in die Fermentation war die Änderung am Anzeigegerät fast augenblicklich«

Claims (2)

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   Erfindungsanspruch.

   1» Verfahren zur Fermentation, insbesondere Verfahren zur Stickstoffversorgung der Mikroorganismen durch Einleiten von gasförmigen Ammoniak in die Permentationsfllissigkeit gekennzeichnet dadurch, daß flüssiges Ammoniak in den Gasstrom, der zur Sauerstoff- und Nährstoffversorgung der Mikroorganismen in den Permentor eingeleitet wird, zugegeben wird, daß in Abhängigkeit von der Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit dieses Gasstromes die Zugabestelle für das flüssige Ammoniak so ausgewählt wird, daß das Ammoniak vor Eintritt in die Permentorflüssigkeit, vorzugsweise jedoch in der Gasverteilungsvorrichtung gasförmig vorliegt, daß der Ammoniakgehalt bei der Verwendung von Luft als Gasstrom 0,1 - 1,2 Vol.-#, vorzugsweise 0,2 - 0,7 Vol.-^o und bei Anwendung anderer Gase nicht mehr als 5 Vol.-$ beträgt«
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Gasstrom sauerstoffhaltige oder die zur Sauerstoffund Kohlenstoffversorgung verwendeten Gase sind.

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