DD151574A3

DD151574A3 - PROCESS FOR FERMENTATION

Info

Publication number: DD151574A3
Application number: DD21404479A
Authority: DD
Inventors: Klaus Kammel; Helmut Schmidt; Rolf Gabler; Rainer Wiegleb; Manfred Giel; Markus Kockert; Joachim Bauch; Lothar Reichelt
Original assignee: Petrolchemisches Kombinat; Wissenschaftliches Allunionsfo
Priority date: 1979-07-03
Filing date: 1979-07-03
Publication date: 1981-10-28

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.The invention relates to a process for fermentation and relates to an improved nitrogen supply of the microorganisms. The object of the invention is to provide a fermentation process in which the nitrogen required for the process without an additional distribution system for gaseous ammonia or without complicated process steps of preparation and introduction v. aqueous ammonium salt or ammonia solutions in the fermentor and without an additional water pollution of the fermentation and the considerable transport effort is provided. The invention consists in adding liquid ammonia into the gas stream introduced into the fermentor for supplying oxygen and nutrients to the microorganisms, the liquid ammonia addition site being selected in dependence on the temperature and flow rate of this gas stream, e.g. the ammonia is gaseous before entering the fermentor liquid, but preferably in the gas distribution device, that the ammonia content when using air as a gas stream is 0.1 to 1.2 vol.%, preferably 0.2 to 0.7 vol.% and not more than 5% by volume when other gases are used.

Description

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Verfahren zur FermentationProcess for fermentation

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fermentation, insbesondere ein Verfahren zur Stickstoffversorgung der Mikroorganismen,The invention relates to a method for fermentation, in particular a method for supplying nitrogen to the microorganisms,

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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 zurMicroorganisms need oxygen, nutrient salts and a nitrogen source for their growth during the fermentation process in addition to a carbon source as a basis for growth. The coverage of the nitrogen requirement during the fermentation process takes place in practice in continuously operating processes by adding nitrogen compounds, in particular aqueous ammonium salt or ammonia solutions. In this case, the aqueous solutions must comply with certain requirements for the concentration in the addition to the local concentration of nitrogen in the fermentor and the maintenance of the pH value with regard to an optimal growth of the microorganisms. Often the limitation of nitrogen leads to

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Herabsetzung der Produktivität und zur Erzeugung unerwünschter Zielprodukte«Reduction of productivity and production of undesired target products «

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«The fulfillment of these requirements requires a number of additional, labor and apparatus-consuming operations, such as "B" production (dilution) and dosage of Ammoniumealz- or ammonia solutions, and da3 mixing of the solution in the fermenter "The required ammonia usually in aqueous solution be delivered to the fermentation plant, which means a considerable increase in energy as well as transport and handling costs «

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 The development of the fermentation processes is based on the achievement of closed water cycles. "Therefore, it is disadvantageous to introduce the dilution water into the process with the addition of aqueous ammonium salt or ammonium solutions. It has already been referred to in the DD patent 5232 325 in the context of enumeration of alkaline substances such as: sodium hydroxide, potassium hydroxide, disodium hydrogen phosphate for the purpose of setting the desired pH in the preparation of the nutrient medium on the addition of free ammonia. Patent 52,325 does not relate to the nitrogen supply of a continuous fermentation process, but only the pH adjustment of the culture medium to be produced outside the fermenter _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.The separate addition of gaseous ammonia in the culture medium is z, B * from DT Patent 2417848 it is clear «In modern fermentation process high productivity are to mention the disadvantages as the local concentration increase and heating at the ammonia addition points. In DT patent 2418755 a continuous process for the growth of a unicellular protein is described, in which the V / achstumsgeschwindigkeit of the microorganisms is controlled by the nitrogen addition.

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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«As a result, the nitrogen consumption in the per- mentor is determined at intervals of 10 to 120 minutes by measuring and registering the pH of the perfor- ment liquid and the dosage of ammonia water or gaseous ammonia tracked modern fermentation process with a high. Nitrogen consumption per unit time can not be realized from the point of view of achieving high productivities in the process and according to the process according to the DT patent "Strong fluctuations in the nitrogen level considerably impair the optimal growth of the microorganisms."

Ziel der ErfindungObject of the invention

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«The aim of the invention is to provide a perforation method in which the nitrogen required for the process in the amount required for the microorganisms without an additional distribution system for gaseous ammonia or without complicated process steps of preparation and introduction of aqueous ammonium salt or ammonia solutions in the Process and without additional water contamination of the fermentation and the considerable transport

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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·The object of the invention is to provide a fermentation process in which the nitrogen required can be supplied to the process by a simple reaction procedure.

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»Surprisingly, it has been found that the disadvantages of the complicated process stages are overcome when nitrogen is introduced in the form of gaseous ammonia by atomization into the fermentor liquid »

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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»It has been found that advantageously liquid ammonia in the gas stream, which is introduced to the oxygen and nutrient supply of microorganisms in the permentor, can admit. As the gas stream in the context of the present invention, both the oxygen-containing gas (eg. B _e air, which is needed to meet the oxygen demand of the microorganisms), as well as usable as a carbon source gas (eg. As natural gas, methane) to understand or other gases "

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.According to the invention, it is necessary to atomize the ammonia and to select the point of addition so that the ammonia is gaseous before entering the perforating liquid, but preferably in the gas distribution device. Due to the fine distribution of the ammonia droplets, intensive mixing with the gas stream takes place. As a result, a gas mixture with a uniform, previously selected ammonia concentration is available at the inlet to the perforator liquid. "To ensure the nitrogen requirement in the per- mentor, the amount of ammonia to be introduced in the gas stream is 0.1% by volume in conventional productivities and using air as an oxygen source. preferably 0.2-0.7% by volume. However, the concentration of 5 % by volume in the gas introduced should not be exceeded in order to avoid toxic concentrations.

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, hohenThe advantage of the process of the invention is that the introduced with the gas stream of ammonia causes a significantly lower concentration gradient across the Permentor than the addition of aqueous ammonium salt or ammonia solutions is carried out the addition thereof at a few points of introduction or the separate introduction of gaseous ammonia _e When using the According to the invention, the nitrogen requirement of the microorganisms (concentration in the per-mentor) can be varied within the desired conventional limits and adjusted with great accuracy. "The choice of high nitrogen concentrations does not lead to unpleasant, high

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toxischen Konzentrationen an den Zugabestellen im Permentor«toxic concentrations at the points of addition in the per-

Überraschend wurde weiter gefunden, daß es im Abgas des Permentors nicht möglich war, mit den üblichen Analysenmethoden Ammoniak nachzuweisen·Surprisingly, it was further found that it was not possible in the exhaust gas of the per-mentor to detect ammonia using the customary analytical methods.

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»It is a particular advantage of the method according to the invention that, with the aid of conventional control technology, the nitrogen level in the per-mentor can be adjusted continuously as a result of low dead times in the metering "

Besonders günstig und operativ wenig aufwendig gestaltet sich dabei die Dosierung des flüssigen Ammoniaks unter Anwendung technisch üblicher Apparate und Regelungstechnik«The dosing of the liquid ammonia using technically common apparatus and control technology is particularly cost-effective and relatively inexpensive. "

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Ausführungsbeispieleembodiments

Example 1:

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem kontinuier-The process according to the invention was carried out in a continuous

lieh arbeitenden 250 irr-Fermentor experimentell nachgewiesen.lely operating 250 irr fermentor experimentally detected.

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.When diesel fuel was used as carbon source and yeasts of the genus Candida, the plant was put into operation with the addition of dilute ammonia water as nitrogen source and operated until a stable technical and technological regime was reached. »Thereafter, ammonia was introduced into the air flow to the fermenter in an amount of 27 kg / h fed and interrupted the dosage of ammonia water. Under these conditions, the fermentor was run for a period of 5 days. At intervals of 4 η, the nitrogen concentration of the fermentor liquid was measured at several points in the fermentor. "During the runtime of the plant with gaseous ammonia, the fluctuations of the nitrogen concentration in the fermentor were insignificant and within the error range of the applied analytical method (Kjeldahl). A decrease in productivity was not detectable throughout the experiment. "The fermenter exhaust air was analyzed analytically" It could no ammonia in the fermentor exhaust be detected. "In addition, the pH of the fermentor content was kept constant without any additional measures at 3.9.

Example 2:

In der unter 1. beschriebenen Anlage wurden die unter 1. beschriebenen Betriebsbedingungen eingestellt. Als Meßverfahren zur Feststellung der Änderung des Stickstoff-GehaltesIn the plant described under 1. the operating conditions described under 1. were set. As a measuring method for determining the change in the nitrogen content

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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» )in the culture liquid, a continuous pH measurement was used. (The sensitivity * of the measuring method to changes in the nitrogen level in the culture liquid was experimentally checked and proved »)

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«When changing the dosing amount of ammonia water, a change in the nitrogen level was only noticed on the display device after a few minutes »When using gaseous ammonia in the fermentation, the change on the display device was almost instantaneous«

Claims

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Erfindun gsansp ru ch.

1 »Process for fermentation, in particular method for nitrogen supply of the microorganisms by introducing gaseous ammonia into the Permentationsfllissigkeit characterized in that liquid ammonia is added to the gas stream, which is introduced to the oxygen and nutrient supply of microorganisms in the permentor, that in dependence from the temperature and flow rate of this gas stream, the point of addition of the liquid ammonia is selected so that the ammonia is gaseous before entering the perforating liquid, but preferably in the gas distribution device, that the ammonia content when using air as a gas stream 0.1 - 1, 2 vol. #, Preferably 0.2-0.7 vol.% And when using other gases not more than 5 vol.

2. The method according to item 1, characterized in that the gas stream are oxygen-containing or the gases used for oxygen and carbon supply.

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