DE10203863A1

DE10203863A1 - Feststoffbioreaktor und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE10203863A1
Application number: DE2002103863
Authority: DE
Inventors: Gunda Morgenstern; Andrea Fritsch
Original assignee: VTI THUERINGER VERFAHRENSTECHN
Current assignee: VTI THUERINGER VERFAHRENSTECHN
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2022-01-29
Also published as: DE10203863B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Feststoffbioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen und ein Verfahren zu dessen Betrieb. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, einen Feststoffbioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die es ermöglichen, die Mikroorganismen bei optimaler Durchlüftung eines partikulären Feststoffsubstrates sowie bei guter Abführung der gebildeten Gase unter gleichzeitiger Wahrung der notwendigen Feuchtigkeit des Feststoffsubstrates in einem günstigen Verhältnis von Gesamtvolumen des Festsstoffbioreaktor zu Feststofflast zu kultuvieren, so daß eine optimale Substratverwertung mit hohem Biomasseertrag bzw. großer Produktbildungsrate realisierbar ist, wird dadurch gelöst, daß ein Feststoffbioreaktor (1) aus einem Innenraum (11) sowie einem Reaktormantel (2), der Reaktoröffnungen (3), besteht, wobei die Reaktoröffnungen (3) einzeln öffenbar und luftdicht verschließbare Sichtfenster (31) aufweisen, im Innenraum (11) übereinander angeordnete, den Sichtfenstern (31) horizontal zugeordnete, gegenüber dem Reaktormantel (2) luftabdichtend durch Einschubträger (4) gehalterte Einschübe (7) mit Durchbrüchen (72) an ihren Böden (71) gelagert sind, jeder einzelne Einschub (7) unter dem ihm zugeordneten Boden (71) mit einer ventilgeregelten Luftzuführung (5), die durch den Reaktormantel (2) hindurchführt, versehen ist, jeder einzelne Einschub (7) mit einem partikulären Substrat (10) befüllbar ist und der Reaktormantel (2) ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Feststoffbioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Es ist bekannt, daß Mikroorganismen, wie bspw. Bakterien und Pilze, außerhalb ihrer näturlichen Habitate in künstlichen Systemen kultivierbar sind. Diese Systeme stellen den Mikroorganismen, je nach ihren Lebensbedürfnissen, verschiedenste Nährstoff und Energiequellen zur Verfügung, und gewährleisten möglichst optimale Umgebungsparameter, wie bspw. Sauerstoffgehalt, Temperatur, pH-Wert und Wassergehalt, damit ihre Lebensprozesse ablaufen können.

Diese künstlichen Systeme, wie bspw. Agarkulturen oder submerse bzw. emerse Flüssigkulturen in verschiedensten Kulturgefäßen, können je nach verwendeten Mikroorganismus und Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden, um u. a. zur Biomassegewinnung oder zur Erzeugung von natürlichen Produkten (z. B. von Wirkstoffen) Verwendung zu finden. Bedeutung besitzt die Kultivierung von Mikroorganismen sowohl auf wissenschaftlichem als auch auf kommerziellem Gebiet, wobei heute die verschiedensten Kultivierungserfahren im großtechnischen Maßstab, wie bspw. in Form von aeroben oder anaeroben Fermentationsverfahren vermittels verschiedenster Fermentoren oder Bioreaktoren, möglich sind. Man kennt dabei Kultivierungsverfahren in oder auf flüssigen bzw. festen Medien bzw. Substraten.

Bioreaktoren zur Kultivierung von Mikroorganismen auf festen, partikulären Substraten unter kontrollierten Bedingungen sind bereits seit langer Zeit bekannt. Das bekannteste Beispiel für einen Feststoffbioreaktor aus der Natur ist der Pansen von Wiederkäuern, in dem eine Fermentation von Mikroorganismen, u. a. durch die Verwertung von zerkleinertem cellulosehaltigem Pflanzenmaterial als Kohlenstoff und Energiequelle, gesteuert abläuft. Die Mikroorganismen sind dabei Bakterien und Pilze, die u. a. auch mit Einzellern vergesellschaftet sein können, welche als autochtone Organismen bezeichnet werden. Gesteuert werden in diesem natürlichen Bioreaktor die für das Wachstum der Organismen wichtigen Parameter, wie bspw. Temperatur, pH-Wert, Feuchtigkeitsgehalt, Sauerstoffversorgung, Gasabführung (z. B.: von gebildeten Methan, CO₂, H₂), indem der Wiederkäuer die Gesamtheit der Steuerung und Regelung der Fermentation gewährleistet. Genutzt wird diese Fermentation durch den Wiederkäuer, um durch sie komplexe, schwer verdauliche Nährstoffquellen enzymatisch aufzubereiten sowie die Fermentationsorganismen als Nahrung in Form von verwertbarer Biomasse zu produzieren.

Technisch realisierte Feststoffbioreaktoren, bei denen feuchte, partikuläre, rieselfähige Substrate als Nährstoff und Energiequelle Verwendung finden, die bspw. zur Herstellung von Enzymen, Nahrungs- und Würzmitteln, Wirkstoffen (z. B. Antibiotika) und Enzymen dienen sind u. a. aus den Veröffentlichungen von Dietmar Vollbrecht ("Feststoff- Bioreaktoren, Teil 1: Stationäre Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (70), 6198, S. 696-704, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1998 und "Feststoff-Bioreaktoren, Teil 2: Bewegte Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (71), 3199, S. 207-212, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1999) bekannt. Unterschieden werden dabei zwei große Gruppen von Feststoffbioreaktoren für die aerobe Fermentation, zum einen die stationären Anlagen, bei denen der Feststoff unbewegt oder weitestgehend unbewegt gelagert wird, und zum anderen die bewegten Anlagen, bei denen der Feststoff umgewälzt wird.

Die stationären Anlagen werden derzeit großtechnisch eingesetzt, wobei 100 t und mehr Feststoff pro Anlage fermentiert werden können (Dietmar Vollbrecht, "Feststoff-Bioreaktoren, Teil 1: Stationäre Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (70), 6198, S. 696-704, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1998). Die bewegten Anlagen hingegen werden derzeit nur im Labormaßstab betrieben, wobei Feststoffmengen unter 20 kg pro Anlage fermentiert werden können (Dietmar Vollbrecht, "Feststoff-Bioreaktoren, Teil 2: Bewegte Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (71), 3199, S. 207-212, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1999).

Bekannte stationäre Feststoffbioreaktoren sind Petrischalen, Fernbach- Kolben, hölzerne Inkubatoren, geschlossene flache Pfannen oder Kasserollen sowie Bioreaktoren. Die Bioreaktoren sind geschlossene Systeme und tragen bspw. in ihrem Inneren zahlreiche, ca. 10 Grad geneigte Tabletts mit perforiertem Boden oder sind als verschiedenste Säulen, die vertikal, horizontal oder geneigt gelagert sind, ausgebildet und werden z. T. auch als automatisierte sowie industrielle Anlagen betrieben (Dietmar Vollbrecht, "Feststoff-Bioreaktoren, Teil 1: Stationäre Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (70), 6198, S. 696-704, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1998). Das Ziel der Verwendung aller stationären Feststoffbioreaktoren zur aeroben Fermentation besteht darin, eine möglichst hohe Kapazitätsrate zu erreichen, d. h. mit möglichst viel Substrat möglichst viel des gewünschten Produkts zu erzeugen. Bei der Realisierung dieses Zieles muß einerseits eine gute Belüftung mit O₂, eine gute Abführung von CO₂, eine gleichbleibende Fermentationstemperatur und eine optimale Feuchtigkeit gewährleistet sowie andererseits gleichzeitig die auf das Gesamtvolumen des Bioreaktors bezogene Nutzlast maximal sein. Diese beiden Anforderungen sind jedoch bei ihrer Realisierung konträr. Die Parameter O₂, CO₂, Temperatur, Feuchtigkeit lassen sich optimal bei einer geringen Schichtdicke (im Zentimeterbereich) erreichen, was zu einem ungünstigen Verhältnis von Gesamtvolumen zu Nutzlast führt. Ein optimales Verhältnis von Gesamtvolumen zu Nutzlast bei großen Schichtdicken (Meterbereich) führt hingegen zu einer schlechten Aufrechterhaltung der zuvor genannten Parameter, so daß die bekannten stationären Bioreaktoren zur aeroben Fermentation immer mit einem oder mehreren der geschilderten Nachteile verbunden sind, wobei als Methode der Wahl die stationäre "Tablett- Methode" angesehen wird (Dietmar Vollbrecht, "Feststoff-Bioreaktoren, Teil 2: Bewegte Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (71), 3199, S. 207-212, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1999).

Einen Beitrag zu der Lösung des o. g. Problemes der "Tablett-Methode" liefert EP 0 676 466 A2. Diese Schrift offenbart einen Feststoffbioreaktor zur Kultur von Mikroorganismen auf festen, partikulären Substraten, der im Innenraum in einem Winkel von 10-15° geneigte Tabletts aufweist, bei dem die Versorgung der Kultur mit einer definierten Gasatmosphäre durch eine strömungs- bzw. druckgeregelte Begasungseinrichtung und die Befeuchtung des Gesamtvolumenstromes auf eine relative Feuchte zwischen 40 und 99% durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von kaltem Wasserdampf vermittels hochfrequenter Schwingungen erfolgt, in dessen Inneren eine Vorrichtung zur Luftumwälzung angeordnet ist und die Luft bzw. das Gasgemisch in einer durch Leitbleche zwangsweise geführte Strömung und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit von der tiefer gelegenen Seite des Tabletts an der Ober- und Unterseite des Tabletts entlang zu dessen höhergelegenen Seite streicht, bei dem die Temperatur auf Werte zwischen -27°C und +100°C einstellbar ist, bei dem zur Abführung der Oxidationswärme an den Leitblechen Wärmetauscher vorgesehen sind, deren Temperatur 2-3°C unterhalb der gewünschten Fermentationstemperatur liegt, bei dem zur Heißdampfsterilisation eine eigene, drucklose Heißdampfversorgung oder ein Anschluß an eine externe, drucklose Heißdampfversorgung vorgesehen ist, bei dem zur Ableitung von Kondensat am tiefsten Punkt des Reaktorinnenraumes ein Ablauf mit einer hitzesterilisierbaren Falle installiert ist und bei dem zur Ableitung der Abluft oberhalb des höchsten Tabletts eine hitzesterilisierbare Vorrichtung zum Ableiten, Sterilisieren und ggf. Desodorieren der geruchs- und keimbelasteten Abluft installiert ist. Der Nachteil dieses Feststoffbioreaktors ist, daß bei der im Inneren des Reaktors befindlichen Vorrichtung zur Luftumwälzung Leitbleche vorgesehen sind, die lediglich eine zwangsweise geführte Luftströmung von der tiefer gelegenen Seite des Tabletts an der Unter- und Oberseite des Tabletts entlang zu dessen höher gelegenen Seite gewährleisten, so daß die Luft lediglich über die Substratoberfläche streicht, eine intensive Durchströmung des Substrats jedoch unterbleibt. Dies begrenzt die einbringbaren Schichtdicken des Substrates und somit die auf das Gesamtvolumen des Reaktors bezogene Nutzlast in der Art, daß bei dickeren Substratschichten das Innere der Substratschichten keine optimalen aeroben Kulturbedingungen für die Mikroorganismen aufweist. Dies führt bei aeroben Mikroorganismen dazu, daß das Substrat nicht vollständig von den Mikroorganismen durchwachsen wird, was wiederum zur Folge hat, daß keine optimale Substratverwertung mit hohem Biomasseertrag bzw. großer Produktbildungsrate realisierbar ist.

Bekannte bewegte Feststoffbioreaktoren zur aeroben Fermentation sind rotierende, gerührte, oder taumelnde Röhren bzw. Trommeln. Der wesentliche Nachteil dieser bewegten Feststoffbioreaktoren ist, daß die Feuchtigkeit des Substrates auf wesentlich niedrigere Werte als in stationären Feststoffbioreaktoren eingestellt werden muß, um während des Umwälzungsvorganges ein Verklumpen der einzelnen Substratpartikel zu vermeiden. Ein weiterer wesentlicher Nachteil bei mycelartig wachsenden Mikroorganismen ist, daß eine Wachstumshemmung infolge mechanischer, auf das Mycel wirkender Einflüssen erfolgt. (Dietmar Vollbrecht, "Feststoff-Bioreaktoren, Teil 2: Bewegte Anlagen" Chemie Ingenieur Technik (71), 3199, S. 207-212, WILEY-VCH Verlag GmbH Weinheim, 1999).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für einen Feststoffbioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die es ermöglicht, die Mikroorganismen bei optimaler Durchlüftung eines partikulären Feststoffsubstrates sowie bei guter Abführung der gebildeten Gase unter gleichzeitiger Wahrung der notwendigen Feuchtigkeit des Feststoffsubstrates in einem günstigen Verhältnis von Gesamtvolumen des Feststoffbioreaktors zu Feststofflast zu kultivieren, so daß eine optimale Substratverwertung mit hohem Biomasseertrag bzw. großer Produktbildungsrate realisierbar ist.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Feststoffbioreaktors besteht darin, daß der Innenraum eines Bioreaktors, der an seiner Oberseite eine Luftabführung aufweist, mit übereinander angeordneten und gegeneinander sowie gegenüber der Bioreaktorwand abgedichteten Fermentationswannen mit Lochboden versehen ist, wobei die Lochböden der Fermentationswannen Begasungslöcher aufweisen, deren Durchmesser und Anzahl nach der Art der Konfektionierung gewählt ist und jeder einzelne Lochboden mit einer ventilgeregelten Luftzuführung versehen ist, so daß eine Zwangsführung der über die Luftzuführungen einleitbaren Luft durch die Begasungslöcher sowie durch die einzelnen Lochböden der Fermentationswannen durch das partikuläre Feststoffsubstrat hindurch und innerhalb des Reaktors vertikal in Richtung der Luftabführung gebildet ist. Die eingeleitete, bzgl. der Zuführmenge, dem Wassergehalt und der Temperatur regelbare Begasungsluft ist außerhalb des Reaktors reinigbar, befeuchtbar, steril filterbar und temperierbar.

In den einzelnen Fermentationswannen ist mit speziellen aeroben Mikroorganismen beimpftes Kulturfeststoffsubstrat bis zu einer Dicke von 30 cm gleichmäßig lagerbar, so daß der erfindungsgemäße Feststoffbioreaktor eine optimale Durchlüftung und Sauerstoffversorgung sowie eine gute Abführung der gebildeten Gase bei gleichzeitiger Wahrung der notwendigen Feuchtigkeit des Feststoffsubstrates gewährleistet.

Da jede Fermentationswanne des erfindungsgemäßen Feststoffbioreaktors . einzeln optimal durchlüftet und mit Sauerstoff versorgt wird, sowie gleichzeitig ein Durchtritt der Luft durch die einzelnen Fermentationswannen hindurch bis hin zur Luftabführung gewährleistet, kann der erfindungsgemäße Feststoffbioreaktor bis zu mehreren Metern Höhe ausgeführt werden, wobei die einzelnen Fermentationswannen, die mit einer lichten Höhe von mehr als 100 mm voneinander beabstandet sind und bei der Handhabung durch den Menschen ohne Hilfmittel ein Fassungsvermögen von 100 Litern nicht übersteigen sollten (was nicht ausschließt, daß bei der Nutzung technischer Hilfsmittel weitaus größere Volumina gewählt werden können), weist der erfindungsgemäße Feststoffbioreaktor ein vorteilhaftes Verhältnis von Gesamtvolumen des Feststoffbioreaktors zur Feststofflast auf und gewährleistet gleichzeitig eine optimale Substratverwertung mit hohem Biomasseertrag bzw. großer Produktbildungsrate.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Zeichnungen und einem Verwendungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform eines Feststoffbioreaktors in einer räumlichen Darstellung,
Fig. 2 den Feststoffbioreaktor gemäß Fig. 1 in einer teilweise eröffneten Darstellung,
Fig. 3 den Feststoffbioreaktor gemäß Fig. 1 in einer Schnittdarstellung entlang einer Ebene A-A,
Fig. 4 einen Einschub des Feststoffbioreaktors gemäß Fig. 1. in einer räumlichen, z. T. eröffneten Darstellung
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform eines Feststoffbioreaktors 1 besteht aus einem Reaktormantel 2 mit Luftabführung 9, der mit öffenbaren und gasdicht verschließbaren Reaktoröffnungen 3 versehen ist und im Innenraum 11 des Feststoffbioreaktors 1 gleichmäßig voneinander beabstandete, Einschübe 7 halternde Einschubträger 4 aufweist, die jeweils an ihrer Unterseite 41 mit einer Luftzuführung 5 versehen sind, die durch den Reaktormantel 2 über Verbindungsleitungen 51 mit peripheren Systemen 6 verbindbar sind, wobei die Einschübe 7 über die Einschubträger 4 mit dem Reaktormantel 2 gasdicht in Verbindung stehen und mit partikulärem, geschütteten Substrat 10 befüllbar sind
Die Einschübe 7 tragen Meßsonden 73, die im geschütteten Substrat 10 lagerbar sind, und besitzen in ihrem Boden 71 Durchbrüche 72, so daß Luftleitwege 8 gebildet sind, die von den Luftzuführungen 5 durch die Durchbrüche 72 führen. Im Reaktormantel 2 befindet sich zumindest eine Luftabführung 9, die mit einem Abluftreinigungssystem 91, z. B. einem Sterilfilter, versehbar ist. Die Luftzuführungen 5 sind mit Luftregelventilen 52 versehen. Die mit Substrat 10 beschickbaren Einschübe 7 haben vorzugsweise einen rechteckigen Boden 71. Dieser Boden 71 kann bspw. aus Lochblech gebildet sein, wobei den Durchbrüchen 72 ein Durchmesser D von 2/3 der Korngröße des Substrates 10 gegeben ist. Der Anteil der Durchbrüche 72 beträgt dabei mehr als 30% der gesamten Bodenfläche 71.
Die Meßsonden 73 sind als durch die Reaktorwand 2 eingeführte Temperaturmeßsonden 731, die in das Substrat 10 führen, als CO₂- Meßsonden 732, die in der Abluftleitung positioniert sind, und als Feuchtesensoren 733, die in der Luftzuführung positioniert sind und in das Substrat 10 führen, ausgeführt.
Im Beispiel beträgt der Durchmesser D der Durchbrüche 72 etwa 1 bis 4 mm und das Substrat 10 liegt jeweils in einer Schichtdicke d von 10 bis 30 cm auf den Böden 71, wobei pro Einschub 7 maximal 100 Liter Substrat 10 deponiert sind. Die äußere Porosität des geschütteten Substrats 10 sollte dabei 50% nicht unterschreiten, damit bspw. selbst bei starkem Wachstum mycelartig wachsender Mikroorganismen verhindert wird, daß der Strömungswiderstand in dem geschütteten Substrat 10 so erhöht wird, daß die Durchlüftung des Substrats 10 zum Erliegen kommt. Für den Einsatz von Lignocellulosen in Form von Stroh bedeutet dies bspw., daß die durchschnittliche Korngröße (Stückigkeit) > 4 mm beträgt, wobei 6 bis 8 mm für dieses Beispiel optimal sind und die maximale Stückigkeit für umsatzbezogene Fermentationen 12 bis 16 mm beträgt.
Der Abstand a von Boden 72 zu Boden 72 ist größer 100 mm gewählt, wobei die Reaktoröffnungen 3 bspw. als dichtschließendes Türsystem ausgebildet sind und sich in Höhe jedes Einschubs 7 öffenbare Sichtfenster 31 befinden, so daß über diese die Beimpfung des Substrates 10, eine manuelle Probenentahme und eine optische Kontrolle der Fermentation erfolgen kann.
Die Begasungsluft, die innerhalb des Feststoffbioreaktors 1 entlang der Luftleitwege 8 zwangsgeführt wird, ist außerhalb des Feststoffbioreaktors 1 im peripheren System 6 reinigbar, steril filterbar, temperierbar sowie konditionierbar und über die Verbindungsleitungen 51, die im Beispiel durch die Rückwand 12 des Feststoffbioreaktors 1 führen, zuführbar.
Der Gesamtgasstrom der Begasungsluft in den Verbindungsleitungen 51 ist mengen- und temperaturregelbar, wobei die einzutragende Luftmenge im Beispiel proportional zur Schichtdicke d des auf den Einschüben 7 gelagerten Substrates 10 einstellbar ist.
Das periphere System 6 beinhaltet u. a. die nicht im einzelnen dargestellten Kühl- und Heizungseinrichtungen für die Begasungsluft, ein Rotameter sowie Steuer- und Regeltechnik, die mit den Meßsonden 73, den einzelnen Luftregelventilen 52, den externen, peripheren Kühl- und Heizungseinrichtungen sowie dem Rotameter in Verbindung steht, so daß eine automatische und differenzierte Belüftung und Befeuchtung der Einzelluftströme entlang der Luftleitwege 8 ermöglicht ist.
Die Luftabführung 9 befindet sich im Ausführungsbeispiel an der Oberseite 13 des Feststoffbioreaktors 1 und ist mit einem Abluftreinigungssystem 91 versehen.
Die in den Feststoffbioreaktor 1 über die Luftzuführung 5 einzuleitende Begasungsluft mit 40 bis 70% Sauerstoffsättigung und mit einer Begasungsrate von 0,1 bis 1,5 vvm kann bspw. über einen Kompressor erzeugt, ölgereinigt und über ein gekoppeltes Mikrofiltersystem (3 µm) gefiltert werden und die Temperierung der Begasungsluft kann bspw. durch einen Thermostaten je nach Anforderung im Bereich 12-90°C erfolgen. Alternativ dazu ist auch die Verwendung sowohl von Kühleinrichtungen als auch Heizregistern mit unterschiedlich zuschaltbarer Leistungsaufnahme möglich.
Die Begasungsluft ist bspw. durch einen temperierbaren und regelbaren Luftbefeuchter mit einer Feuchte zwischen 20-95% versehbar.
Zur Sterilisation des Feststoffbioreaktors 1 und des Substrates 10 ist die entlang der Luftleitwege 8 zwangsgeführte, zu ca. 95% befeuchtete Begasungsluft mit einer Maximaltemperatur von ca. 100°C beaufschlagt. Zur Abführung von Reaktionswärme aus dem Substrat 10 kann die Begasungsluft über den externen Kühler in den unteren Temperaturbereich von bis zu 12°C gebracht werden, bevor sie über die Luftzuführung 5 in den Feststoffbioreaktor 1 eingeleitet wird.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor findet bspw. zur Durchführung von Solid-State-Fermentationen mit vorzugsweise mycelbildenden Mikroorganismen auf konditionierten und konfektionierten Kultursubstraten unter steuerbaren Milieubedingungen Verwendung. Ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Feststoffbioreaktors soll im folgenden anhand der Fermentation von Pleurotus ostreatus auf Hanfstäbchen, die als partikuläres, rieselfähiges Substrat 10 sowie Nährstoff und Energiequelle in Form assimilierbarer Kohlenstoff und Stickstoffquellen dienen näher erläutert werden.
Das Verfahren umfaßt die Einzelschritte Sterilisation sowie Beimpfung des Kultursubstrates und Fermentationsführung. Es findet zur Produktion von mikrobieller Biomasse sowie zur Enzymproduktion Verwendung.
Nach dem Beschicken der einzelnen Einschübe 7 mit dem konditionierten und entsprechend konfektionierten partikulären Substrat 10, Hanfstäbchen mit einer Körnung < 8 mm, bis zu einer Schichthöhe des Substrats 10 von ca. 150-200 mm wird der Feststoffreaktor 1 verschlossen und sterilisiert. Die Sterilisation des Feststoffbioreaktor 1. erfolgt durch die Einspeisung von Wasserdampf in die Luftzuführung 5. Dazu wird der Dampf über die an der Rückwand 12 des Feststoffbioreaktors 1 befindliche Verbindungsleitung 51 in die Luftzuführung 5 bei völlig geöffneten Luftregelventilen 52 eingetragen. Die Feststoffbioreaktorinnen-temperatur wird so innerhalb von 3 h auf > 80°C erhöht und auf dieser Temperatur mindestens 3 h gehalten. Anschließend wird der Feststoffbioreaktor 1 im geschlossenen Zustand abgekühlt. Dieser Sterilisationszyklus wird an drei aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt.
Die Beimpfung des Substrates 10 kann durch Einbringen von aktivem Feststoffinokulum in den Feststoffbioreaktor 1 erfolgen, wobei das Inokulum und das Substrat dabei in einem Volumenverhältnis von 1 : 5 bis 1 : 100 stehen. Das Inokulum/die Vorkultur sollte sich dabei in der aktiven Wachstumsphase befinden. Die Aktivität des Inokulums, im Beispiel Pleurotus ostreatus, wird dabei durch Bestimmung der Sauerstoffzehrung ermittelt. Alternativ dazu kann die Beimpfung mit submers gezüchtetem Inokulum durchgeführt werden. Das Submersinokulum wird in Form von Pellets, Pelletbruchstücken oder Hyphensuspension direkt aus dem abgeschlossenen Vorkulturgefäß gepumpt und auf das sterilisierte Feststoffsubstrat aufgesprüht. Die Größe der Pellets oder deren Bruchstücke sollte dabei nicht mehr als 4 mm betragen. Die Vorkultur sollte sich bevorzugt im letzten Drittel der logarithmischen Wachstumsphase befinden.
Die Beimpfung des Feststoffbioreaktors 1 erfolgt sukzessive über die Reaktoröffnungen 3 mit Sichtfenster 31. Der Eintrag von Keimen in den Feststoffbioreaktor 1 wird während der Beimpfung dadurch verhindert, daß der über die Luftleitwege 8 zwangsgeführte Begasungsstrom mit einer Begasungsrat zwischen 0,1 und 1,5 vvm und einer Feuchte von ca. 90% neben der Luftabführung 9 zum Teil auch über die geöffneten Reaktoröfihungen 3 aus dem Feststoffbioreaktor 1 entweicht.
Die Fermentation wird bei einem pH-Wert von 3,0-8,0, bevorzugt bei pH 4, 5, sowie einer Temperatur im Bereich von 15-40°C, bevorzugt bei 27°C, geführt. Die Feuchte des Substrats 10 beträgt ca. 75% und die Luftfeuchte liegt bei über 90%.
Die Fermentationsdauer beträgt bis zu einem Monat, wobei eine Dauer von 7 bis 10 Tagen zur Produktion von Biomasse und eine Dauer von 15 bis 21 Tagen zur Produktion lignolytischer Enzyme besonders vorteilhaft ist.
Im Falle der Erhitzung des Substrates 10 durch Stoffwechselvorgänge wird diese durch die Temperatursonden 731 erfaßt und die Temperatur durch gekühlte Begasungsluft gesenkt. Die Steuerung und Regelung dieser Prozesse erfolgt durch die peripheren Systeme 6. Die Substrattemperaturen der einzelnen Einschübe 7 werden durch gezielte Leitung der Begasungsluft durch die Luftregelventile 52 gesteuert. Die Begasungsrate kann für jeden Einschub 7 gesondert eingestellt werden, so daß sowohl eine einheitliche als auch differenzierte Durchlüftung des Substrats 10 möglich ist.
Die Temperaturmessung erfolgt über die jeweiligen Temperatursonden 731. Zur Abführung von Reaktionswärmemengen aus dem Substrat 10 können sowohl die Belüftungsraten erhöht als auch die Lufttemperaturen abgesenkt werden. Die Absenkung der Lufttemperatur wirkt sich auf den gesamten Feststoffreaktor 1 aus, hingegen können die Belüftungsraten individuell auf die aktuellen Prozeßtemperaturen in den einzelnen Einschüben 7 eingestellt werden.
Die Überwachung des Fermentationsverlaufes erfolgt durch die Messung der Prozeßtemperatur pro Einschub 7 und die Messung des CO₂-Gehalts der Luft nach ihrer Zwangsführung entlang der Luftleitwege 8 während des Entweichens durch die Luftabführung 9 vermittels der CO₂-Sensoren 733. Die Enzymausbeute der Fermentation beträgt im Beispiel für Laccasen bis zu 8280 U/kg Substrat und für Manganperoxidase bis zu 33750 U/kg Substrat. Bezugszeichenliste 1 Feststoffbioreaktor
11 Innenraum
12 Rückwand
13 Oberseite
2 Reaktormantel
3 Reaktoröfihungen
31 Sichtfenster
4 Einschubträger
5 Luftzuführung
51 Verbindungsleitungen
52 Luftregelventile
6 periphere Systeme
7 Einschübe
71 Boden
72 Durchbrüche
73 Meßsonden
731 Temperaturmeßsonde
732 CO₂-Meßsonde
733 Feuchtesensoren
8 Luftleitwege
9 Luftabführung
91 Abluftreinigungssystem
10 Substrat
a Abstand
d Schichtdicke

Claims

1. Feststoffbioreaktor (1) bestehend aus einem Innenraum (11), einem Reaktormantel (2), der mit Reaktoröffnungen (3) versehen ist, wobei
die Reaktoröffnungen (3) einzeln öffenbare und luftdicht verschließbare Sichtfenster (31) aufweisen,
im Innenraum (11) übereinander angeordnete, den Sichtfenstern (31) horizontal zugeordnete, gegenüber dem Reaktormantel (2) luftabdichtend durch Einschubträger (4) gehalterte Einschübe (7) mit Durchbrüchen (72) in ihren Böden (71) gelagert sind,
jeder einzelne Einschub (7) unter dem ihm zugeordneten Boden (71) mit einer ventilgeregelten Luftzuführung (5), die durch den Reaktormantel (2) hindurchführt, versehen ist,
jeder einzelne Einschub (7) mit einem partikulären Substrat (10) beaufschlagbar ist,
der Reaktormantel (2) mit zumindest einer durchführenden Luftabführung (9) versehen ist,
wobei Luftleitwege (8) gebildet sind, die von den Luftzuführungen (5) entlang der Böden (71) durch die Durchbrüche (72) sowie durch das partikuläre Substrat (10) hindurch im Innenraum (11) vertikal in Richtung der Luftabführung (9) verlaufen.

2. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der einzelnen Durchbrüche (72) unterhalb von ca. 2/3 der Korngröße des partikulären Substrates (10) festgelegt sind.

3. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (72) einen Durchmesser von 1 bis 15 mm besitzen.

4. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Durchbrüche (72) an der gesamten Fläche des Bodens (71)wenigstens 30% beträgt.

5. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschübe (7) gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

6. Feststoffbioreaktor nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschübe (7) in einem Abstand (a) größer als 100 mm voneinander beabstandet sind.

7. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden (71) rechteckförmig ausgebildet sind.

8. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das partikuläre Substrat (10) in einer Schichtdicke (d) bis maximal 30 cm auf den Böden (71) aufgebracht ist.

9. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschübe (7) mit Temperaturmeßsonden (731) versehen sind, die in das aufgebrachte Substrat (10) eingeführt sind.

10. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführung (5) mit Luftregelventilen (52) versehen sind, die über Verbindungsleitungen (51) mit peripheren Systemen (6) verbindbar sind.

11. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftabführung (9) mit einem Abluftreinigungssystem (91) verbindbar ist.

12. Feststoffbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine CO₂-Meßsonde (732) innerhalb der Luftabführung (9) vorgesehen ist.

13. Verfahren zum Betrieb des Feststoffbioreaktors (1) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem Mikroorganismen in einem sterilen, feuchten, partikulären, rieselfähigen Substrat (10) als Nährstoff und Energiequelle, das zumindest eine assimilierbare Kohlenstoffquelle und zumindest eine assimilierbare Stickstoffquelle enthält, eingebracht sind, bei einem pH-Wert von 3,0-8,0 und einer Temperatur von 15-40°C, zwischen 7 bis 10 Tagen zur Produktion von Biomasse und bis zu 30 Tagen zur Produktion ligholytischer Enzyme unter permanenter, bzgl. Feuchte, Sauerstoffgehalt, Begasungsrate und Temperatur regelbarer Luftzufuhr, kultiviert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Substrat (10) mit einer durchschnittlichen Korngröße von 6 bis 16 mm verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) bis zu einer Schichtdicke (d) von 30 cm auf den Böden (71) der Einschübe (7) aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor (1) mit steriler, etwa 90% befeuchteter und temperierter Luft in einer Größenordnung von 0,1 bis 1,5 vvm über die Luftzuführungen (5) begast wird, wobei die Sauerstoffsättigung der Luft 40 bis 70% beträgt und die Luftfeuchte, die Lufttemperatur und die Begasungsraten über externe Systeme (6) gesteuert wird.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 13, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikroorganismen mycelartig wachsende Mikroorganismen eingesetzt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Weißfäule- oder Braunfäulepilze eingesetzt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikroorganismus der Weißfäulepilz Pleurotus ostreatus eingesetzt wird.