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Die Erfindung betrifft einen Festphasenfermenter insbesondere zum Kultivieren von Mikroorganismen und Zellen an festen Substraten bzw. Oberflächen. Ein Anwendungsgebiet derartiger Festphasenfermenter ist das Kultivieren von Weißfäulepilzen mit dem Ziel der Gewinnung von Laccasen und Peroxidasen.
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Stand der Technik
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Bei der Festphasenfermentation erfolgt das Kultivieren der Mikroorganismen auf festen Substraten in einer definierten Gasphase ohne freie Wasserphase. Dazu sind unterschiedliche anlagentechnische Prinzipien bekannt, die speziell für bestimmte Kultivierungsaufgaben ausgelegt sind.
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Lösungen, bei denen das Festsubstrat in einem Behälter flach ausgebreitet wird, sind sehr platz- und der Verfahrensablauf sehr arbeitsaufwändig. Bevorzugt werden derartige Fermenter eingesetzt, um filamentöse Pilze zur Produktion von Sporen und Fruchtkörpern zu züchten. Eine Voraussetzung für diese Zuchtaufgabe ist nämlich, dass das Pilzmycel einerseits ohne jegliche mechanische Belastung wachsen kann, die beim Fermentationsprozess entstehende Wärme abgeführt wird und andererseits eine optimale Versorgung mit Sauerstoff und Feuchtigkeit gewährleistet wird. Für andere Fermentationsaufgaben, wie zum Beispiel die Herstellung von Enzymen und Biostoffen durch die Zucht von Weißfäulepilzen und deren Organismen sowie die Zellzucht sind solche ruhenden Fermenter weniger geeignet.
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Aus der
DE 103 35 522 A1 ist ein Solid-State-Fermenter bekannt, bei welchem mehrere luft- und wasserdurchlässige Fermenteretagen übereinander angeordnet sind. Bei dieser Lösung kann es durch das Biomassewachstum zu einem Zusetzen der Substratschüttung kommen. Es können Totzonen entstehen. Eine kontrollierte Gas- und Feuchtigkeitsversorgung ist nicht auf Dauer befriedigend realisierbar. Für das Kultivieren von Weißfäulepilzen zum Beispiel ist dieses Anlagenkonzept nicht vorteilhaft anwendbar. Eine ähnliche Lösung ist Gegenstand der
WO 1999/057239 A2 . Die
DE 102 03 863 B4 beschreibt einen Feststoffbioreaktor, bei dem einzelne mit einem Substrat versehene Einschübe im Reaktorinneren angeordnet sind. Neben der Mediumdosierung als Flüssigkeit kann wie in
DE 101 16 602 A1 beschrieben das Medium auch als Aerosol zudosiert werden, jedoch fehlt in diesem Konzept eine effiziente Mischmöglichkeit.
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Für Fermentationsprozesse, bei denen eine mechanische Belastung des Mikroorganismus durch das Bewegen des Substrates nicht so kritisch anzusehen ist, können Lösungen mit einem bewegten Reaktorsystem hinsichtlich des Fermentationsprozesses effektiver und im Handling vorteilhafter sein. So ist zum Beispiel bei der Kultivierung von Weißfäulepilzen eine schonende Bewegung des Festsubstrates von Vorteil, da so eine Verklumpung des selben, unter anderem durch das Pilzmycel, verhindert werden kann. Außerdem wird auf diese Weise ein optimaler Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Fest- und Gasphase gewährleistet. Dabei kommt es darauf an, einen Kompromiss zwischen dem Grad der negativen Wirkungen der mechanischen Belastung des Festsubstrates und den beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu finden. Die bekannten technischen Lösungen zur Festphasenfermentation können dabei noch nicht befriedigen. So sind Lösungen, zum Beispiel nach der
DD 260 837 A3 , bei der mittels eines Doppelkammerrührers ein massives Durchmischen der granulierten Festsubstrate erfolgt, für die schon genannten Fermentationsaufgaben nicht geeignet. Eine ähnlich wirkende Vorrichtung mit einer Rühreinrichtung ist Gegenstand der
DE 10 2006 043 534 A1 . Auch mit Lösungen nach dem Rieselbettverfahren (
DE 10 2004 022 300 A1 ) oder mit Lösungen unter Verwendung von Förderschnecken (
DE 30 43 062 A1 ) kommt man dem angestrebten Kompromiss nicht näher. Gegenstand der
DE 41 12 236 C1 ist ein Schüttbettreaktor mit einer rotierenden Trommel, wobei jedoch für den Fermentationsprozess kennzeichnend ist, dass durch Flüssigkeitszu- und ablauf ständig ein entsprechender Flüssigkeitsstand vorhanden ist.
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Weitere Reaktoren sind aus den
DE 693 27 596 T2 und
DE 40 26 938 A1 bekannt. Dabei weist der in
DE 693 27 596 T2 beschriebene Reaktor keine Möglichkeit der Mediumdosierung und Gewinnung von biologisch aktiven Stoffen während des Fermentationsprozesses auf. Bei dem Reaktor nach
DE 40 26 938 A1 kann über eine Hohlwelle Medium zudosiert werden, jedoch erschwert dieser Aufbau eine effiziente Durchmischung und Belüftung des mit Mikroorganismen bewachsenen Substrates. Ein Reaktor, der eine Gas- und Mediumversorgung ermöglicht, ist Gegenstand der
WO98/53044 A1 . Da hier aber das mit Mikroorganismen bewachsene Substrat alternierend in Medium eintaucht, wird dieses zu stark befeuchtet und es kommt zur Anreicherung von Stoffwechselendprodukten, welche das mikrobielle Wachstum negativ beeinflussen.
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Die bekannten Fermentationsvorrichtungen haben gemeinsam, dass sie insbesondere für den Einsatz im Labor- oder vorindustriellen Bereich nicht zufrieden stellend geeignet sind.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen insbesondere für den Labor- und vorindustriellen Einsatz geeigneten Festphasenfermenter zu schaffen, bei welchem die Substrate während des Fermentationsprozesses schonend bewegt werden können und die Einstellung und Steuerung der Prozessparameter vorteilhaft möglich sein soll. Die visuelle Beobachtung des Fermentationsprozesses soll ohne Einwirkung auf den Fermentationsprozess realisierbar sein. Weder durch die Möglichkeiten der Beobachtung des Fermentationsprozesses noch durch das Beimpfen und Einbringen der flüssigen Substrate darf eine Fremdkontamination des Reaktorinneren erfolgen. Der eigentliche Reaktorbehälter muss als Ganzes autoklavierbar ausgebildet sein.
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Diese Aufgabe wird durch einen Festphasenfermenter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Da der Reaktor im Wesentlichen aus einem Trommelmodul mit einem hermetisch verschließbaren feststehenden Gehäuse und einer darin angeordneten perforierten drehbaren Trommel besteht, werden Flüssigkeitsansammlungen in der Biomasse sowie eine inhomogene Biomasseverteilung optimal verhindert. Der zentral auf der Rotationsachse angeordnete feststehende Düsenstock ermöglicht eine kontaminationsfreie Versorgung des Festsubstrates und damit der zu kultivierenden Mikroorganismen mit einem Substratnebel sowie eine optimale Regelung der Begasung. Auch das im Düsenstock integrierte Septum, durch welches das Beimpfen des Festsubstrates ermöglicht wird, ist für das Vermeiden von Fremdkontaminationen von Bedeutung.
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Der an der Unterseite der Außentrommel angeordnete Entnahmestutzen, über den ständig überschüssige Flüssigkeit ablaufen kann, ermöglicht weiterhin eine kontinuierliche Probenentnahme sowie die vorteilhafte Ernte der Enzyme.
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Durch die Anordnung von Sichtfenstern in der perforierten rotierenden Trommel und in dem feststehenden Gehäuse kann der Fermentationsprozess jederzeit beobachtet werden, was insbesondere bei einem Einsatz des Festphasenfermenters im Labor- oder vorindustriellen Einsatz von Vorteil ist. Die zwischen den Sichtfenstern des feststehenden Gehäuses und der drehbaren Trommel angeordnete Wischervorrichtung gewährleistet ständig eine gute Beobachtbarkeit des Fermentationsprozesses. Die Anordnung des Reaktors in einem optional auch kühlbaren Wärmeschrank ist die Voraussetzung für das Einstellen und Aufrechterhalten optimierter thermischer Prozessparameter. So kann neben der Temperierung des Trommelmoduls gleichzeitig die Temperierung der einzusprühenden Substrate erfolgen, wodurch eine nachteilige Kondensation an der Behälterwand verhindert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung des Fermenters in der Vorderansicht
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2 eine Prinzipdarstellung des Trommelmoduls in der Seitenansicht
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3 eine Einzelheit des Trommelmoduls im Bereich des Düsenstockes gemäß 2
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Der Wärmeschrank 1 nimmt im oberen Bereich die Flüssigsubstratbehälter 10 und 11 für Wasser und Nährlösung auf. Darunter ist auf dem ausziehbaren Modulträger 15 das Trommelmodul 4 lösbar installiert. Das Trommelmodul 4 besteht aus der feststehenden Außentrommel 2 und der darin drehbaren Innentrommel 3. Die Innentrommel 3 verfügt über einen perforierten Mantel. An der Rückseite ist die Innentrommel 3 über die selbstfindende Antriebskupplung 16 mit einem am Wärmeschrank 1 installierten und nicht dargestellten motorischen Antrieb lösbar verbunden. An ihren Frontseiten sind die Außentrommel 2 und die Innentrommel 3 mit Sichtscheiben 7 und 8 versehen. Auf der Drehachse der Innentrommel 3 liegend ist in der Sichtscheibe 7 der Außentrommel 2 ein Düsenstock 5 feststehend montiert. Auf dem Düsenstock 5 ist die Sichtscheibe 8 der Innentrommel 3 drehbar gelagert.
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Alle Füge- oder Lagerstellen zwischen feststehenden oder zu einander bewegten Bauteilen und Baugruppen sind dabei hermetisch dichtend ausgeführt.
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Zwischen der Sichtscheibe 7 und der Sichtscheibe 8 erstreckt sich an diesen anliegend vom Düsenstock 5 ausgehend die Wischereinrichtung 12, welche um ihre vertikale Längsachse drehbar ausgebildet ist. An der Oberseite der Außentrommel 2 befindet sich der Abluftstutzen 20, welcher abzuführende Luft über einen nicht dargestellten Filter nach außen führt.
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Im Zentrum des Düsenstockes 5 ist in der Innentrommel 3 die Zweistoffdüse 6 ausgebildet. In diese mündet die Flüssigsubstratzuführung 18 und die Prozessluftzuführung 19. Oberhalb der Zweistoffdüse 6 verläuft die Impföffnung 22, welche durch das Septum 23 verschlossen ist. An der Unterseite der Außentrommel 2 ist der Ablaufstutzen 17 angeordnet, über welchen der Flüssigkeitsauffangbehälter 9 an das hermetisch abgedichtete Innere des Trommelmoduls 4 angeschlossen ist. Am Düsenstock 5 und am rückseitigen Lager der Innentrommel 3 ist mittels der Abstreiferarme 21 der Abstreifer 13 feststehend angeordnet.
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Die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Festphasenfermenters wird nachfolgend am Beispiel der Kultivierung von Weißfäulepilzen zum Zwecke der Gewinnung von Laccasen und Peroxidasen erläutert. Dazu wird eine Pilzmycelprobe von einer vorher kultivierten Agarplatte in flüssiges Medium überführt. Nach einer kurzen Kultivierung wird das Medium-Pilzmycel-Gemisch homogenisiert.
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Das aus dem Wärmeschrank 1 entnehmbare Trommelmodul 4 wird mit lignozellulosehaltigem Festsubstrat, zum Beispiel mit Holzhackschnitzeln, Weizenspelzen oder Orangenschalen, gefüllt und anschließend in einem Autoklaven sterilisiert. Nach dem Wiedereinbau des Trommelmoduls 4 in den Wärmeschrank 1 und der Verbindung der selbstfindenden Antriebskupplung 16 mit dem nicht dargestellten motorischen Antrieb sowie dem Anschluss aller Schlauch- und Messleitungen erfolgt über die Impföffnung 22 und das Septum 23 das Beimpfen.
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Nach einigen Tagen ist im temperierten Trommelmodul 4 das Pilzmycel auf dem Festsubstrat so herangewachsen, dass das Mischen und Dosieren eines Aerosols aus Wasser oder Nährlösung möglich ist. Dazu wird Wasser oder Nährlösung aus den Flüssigsubstratbehältern 10, 11 über den Düsenstock 5 zur Zweistoffdüse 6 geleitet und dort jeweils mittels der über die Prozessluftzuführung 19 zugeführten Druckluft als Aerosol eingeleitet. Die Zufuhr der Flüssigsubstrate sowie der Prozessluft wird dabei über Magnetventile gesteuert.
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Während des Kultivierungsvorganges wird die perforierte Innentrommel 3 in regelmäßigen Intervallen gedreht, wodurch die sich entwickelnde Biomasse schonend durchgemischt wird. Der vom perforierten Mantel der Innentrommel 3 etwas beabstandet angeordnete Abstreifer 13 verhindert beim Drehen der Innentrommel 3 ein Verklumpen der Biomasse und damit ein Zusetzen der Löcher in der Innentrommel 3. So ist ständig gewährleistet, dass sich ansammelnde Flüssigkeit über den Ablaufstutzen 17 in den Flüssigkeitsauffangbehälter 9 abgeleitet werden kann. Diese schonende Versorgung mit Wasser und Nährlösung führt zu einer raschen Biomasseproduktion und damit zu einem hohen Enzymertrag. Die Ernte der Enzyme erfolgt durch Abspülen des mit Pilzmycel bewachsenen Festsubstrates und Auffangen der Lösung über den Entnahmestutzen 17. Über diesen ist außerdem eine kontinuierliche Probenentnahme möglich.
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Durch die Sichtscheiben 7 und 8 ist jederzeit eine optische Kontrolle des Fermentationsprozesses möglich. Die zwischen den Sichtscheiben 7 und 8 befindliche Wischereinrichtung 12 sorgt ständig für eine klare Sicht. Über das Septum 23 ist auch die Entnahme von Proben möglich.
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Die Temperatur des Wärmeschrankes 1 ist über einen PID-Regler stufenlos einstellbar. Falls infolge einer zu geringen Differenz zwischen der Innentemperatur des Trommelmoduls 4 und der Raumtemperatur keine optimale Temperierung des Fermenters möglich ist, kann ein thermostatgesteuerter Kühlkreislauf zugeschaltet werden. Zum Kultivieren von tierischen Zellen ist über ein optional anschließbares CO2-Regelgerät die Einstellung einer 5%igen CO2-Atmosphäre möglich. Die Steuerung der Motordrehzahl und die Programmierung der verschiedenen Zyklusprogramme für die relevanten Prozessparameter erfolgt über einen externen Prozessrechner, der über ein Mess- und Steuermodul mit dem Festphasenfermenter verbunden ist. Weiterhin kann über den genannten Rechner eine Aufzeichnung aller relevanten Prozessdaten zum Zwecke der Dokumentation erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeschrank
- 2
- Außentrommel
- 3
- Innentrommel
- 4
- Trommelmodul
- 5
- Düsenstock
- 6
- Zweistoffdüse
- 7
- Sichtscheibe
- 8
- Sichtscheibe
- 9
- Flüssigkeitsauffangbehälter
- 10
- Flüssigsubstratbehälter
- 11
- Flüssigsubstratbehälter
- 12
- Wischereinrichtung
- 13
- Abstreifer
- 14
- Prozessgasanschluss
- 15
- Modulträger
- 16
- Antriebskupplung
- 17
- Entnahmestutzen
- 18
- Flüssigsubstratzuführung
- 19
- Prozessluftzuführung
- 20
- Abluftstutzen
- 21
- Abstreiferarme
- 22
- Impföffnung
- 23
- Septum
