DE10249959A1

DE10249959A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Essigsäure

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Publication number: DE10249959A1
Application number: DE2002149959
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Krischke; Lothar Dipl.-Ing. Schreiner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-10-26
Filing date: 2002-10-26
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-27
Also published as: DE10249959B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung eines Fermentationsproduktes wie Essigsäure, umfassend einen Bioreaktor und eine innerhalb des Bioreaktors angeordnete Filtrationsvorrichtung, so dass während des laufenden Betriebes die zur Fermentation verwendeten Zellen im Bioreaktor von dem produkthaltigen Medium mittels Filtration abgetrennt und das filtrierte, von Zellen befreite produkthaltige Medium anschließend aus dem Bioreaktor heraustransportiert werden kann, sowie ein Verfahren zur Filtration des zell- und produkthaltigen Mediums innerhalb des Bioreaktors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung eines Fermentationsproduktes wie Essigsäure von in einem Medium befindlichen Zellen, umfassend einen Bioreaktor und eine innerhalb des Bioreaktors angeordnete Filtrationsvorrichtung, wobei es diese erlaubt, während des laufenden Betriebes die zur Fermentation verwendeten Zellen im Inneren des Bioreaktor von dem produkthaltigen Medium mittels Filtration abzutrennen und das filtrierte, von Zellen befreite produkthaltige Medium anschließend aus dem Bioreaktor herauszutransportieren, sowie ein Verfahren zur Filtration des zell- und produkthaltigen Mediums innerhalb des Bioreaktors.

Neben der alkoholischen Gärung stellt die Fermentation von Ethanol zu Essigsäure eine der ältesten Anwendungen eines biotechnologischen Verfahrens dar. Essig beziehungsweise Essigsäure wird seit mehr als 10.000 Jahren aus Alkohol-haltigen Flüssigkeiten durch unvollständige Oxidation mit Essigsäure-Bakterien hergestellt. Die Herstellung von Essigsäure ist daher Sauerstoff-abhängig. Der bei der Umsetzung anfallende Wasserstoff wird über die Atmungskette der Mikroorganismen abgeführt. Bei der Oxidation wird 1 Mol Ethanol zu 1 Mol Essigsäure umgesetzt. Die gramnegativen Essigsäure-Bakterien gehören den beiden Gattungen Acetobacter und Gluconobacter an. Während Acetobacter Alkohol über Es sigsäure vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren kann, metabolisiert Gluconobacter Essigsäure nicht weiter. Darüber hinaus existieren unter den extrem variablen Essigsäure-Bakterien eine Reihe von Zwischenformen. Wichtige technisch eingesetzte Stämme sind beispielsweise Acetobacter aceti mit vielen Subspecies, A. pasteurianus, A. peroxidans und Gluconobacter oxidans (früher Acetomonas oxidans). Essigsäure wird immer unter Verwendung von Mischkulturen hergestellt. Dabei werden insbesondere alkoholische Lösungen wie Wein und andere vergorene Fruchtsäfte, aber auch technischer Alkohol umgesetzt. Die Essigsäure-Herstellung erfolgt in speziellen Bioreaktoren mit einem Volumen von bis zu 100 m³.

Wegen des relativ geringen Energiegewinns während der oxidativen Umsetzung von Ethanol zu Essigsäure sind relativ hohe Umsatzraten erforderlich, um das Überleben der Essigbakterien bei niedrigem pH-Wert zu ermöglichen. Ohne Sauerstoff-Zufuhr würden Essigbakterien daher bei hohem Ethanol- und Essiggehalt in der Fermentation in kurzer Zeit absterben. Da die Essigsäure-Herstellung mit einem hohen Luftbeziehungsweise Sauerstoff-Bedarf verbunden ist, sind spezielle Ausführungsformen der zur Essigsäure-Herstellung verwendeten Vorrichtungen erforderlich, die diesen spezifischen Erfordernissen Rechnung tragen.

Während es sich bei den ältesten Anlagen zur Essigproduktion noch um offene, flache Bottiche handelte, in denen die Essigsäure-Bakterien als Kahmhaut auf der Flüssigkeit wachsen, entwickeln sich die Essigsäure-Bakterien bei dem seit dem 17. Jahrhundert bekannten Boerhave-Verfahren auf einem lockeren Füllmaterial, beispielsweise Buchenholzspäne, das intermittierend mit Substratlösung überschichtet und durch Abziehen der Lösung wieder mit Luft in Berührung gebracht wurde. Bei dem seit 1935 bekannten Generator-Verfahren wird eine alkoholhaltige Lösung kontinuierlich über einen mit Essigsäure-Bakterien besiedelten Tropfkörper geschickt, wobei die Belüftung von unten her mit einem sich durch den Füllkörper aufwärts bewegenden Luftstrom erfolgt. Dem am häufigsten verwendeten modernen Bioreaktor-Typ, dem Frings-Acetator ( US 3,813,086 ), liegt das erste Submersverfahren zur fermentativen Herstellung von Essigsäure zugrunde. Der Acetator-Reaktor der Firma Frings weist ein besonderes Rührorgan auf, das bei hoher Dispergierwirkung geringe Scherkräfte erzeugt und somit eine gute Verteilung der Luft bei größtmöglicher Schonung der Mikroorganismen ermöglicht.

Für die Essigsäureherstellung sind in Abhängigkeit von der zu erzielenden Essigsäure-Endkonzentration verschiedene Prozessvarianten möglich. Hohe Essigsäure- und hohe Alkoholkonzentrationen hemmen das Wachstum der Bakterien, so dass bei einem Säuregehalt von über 10% eine mit dem Mikroorganismen-Wachstum gekoppelte Essigsäurebildung praktisch nicht mehr erfolgt. Um höhere Essigsäurekonzentrationen zu erreichen, werden mehrstufige Verfahren verwendet, wobei in der ersten Stufe bei niedrigen Säuregehalten von unter 10% die Biomasse erzeugt wird und in einer oder mehreren weiteren Stufen mit dieser Biomasse Ethanol zu Essigsäure umgesetzt wird, wobei die Konzentration der Säure mehr als 20% betragen kann. Dabei erfolgt allerdings kein nennenswertes Wachstum der Organismen. Dieses Verfahren ist beispielsweise aus der AT 363 053 bekannt. Die DE 30 05 099 beschreibt ein einstufiges Verfahren, wobei durch unterschiedliche Temperaturen in der Fermenterbrühe während der Bildungsphase Essigsäuregehalte bis 18% erzielt werden können. Häufig angewendet wird auch das Chargenverfahren, bei dem nach weitgehender Umsetzung des Alkohols die Hälfte des Reaktorinhaltes abgelassen und durch frisches Medium ersetzt wird, wodurch ein neuer Produktionszyklus gestartet wird. Die mit diesem Verfahren erreichbaren Essiggehalte liegen bei über 12%.

Bei den vorstehend aufgeführten Verfahren handelt es sich um Batch-Verfahren, das heißt der Ansatz läuft ohne weitere Eingriffe bis zur nahezu vollständigen Umsetzung des Alkohols ab. Um einen neuen Ansatz zu starten, kann anschließend frisches Medium zugegeben werden, wobei ein Teilvolumen des Reaktorinhaltes vorher abgelassen werden kann. Der Reaktorinhalt kann aber auch komplett geerntet und weiterverarbeitet werden. Während der Produktionsphase darf es nie zu einem Sauerstoff- oder Ethanolmangel kommen, da dies zum sofortigen Absterben der Mikroorganismen führen würde. Insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen ist ein jedoch möglichst weitgehender Ethanolumsatz anzustreben. Um dies zu erreichen, ist eine sorgfältige Kontrolle des gesamten Prozesses notwendig, wobei die Säure- und Alkoholkonzentrationen insbesondere am Ende der Produktionsphase ständig überwacht werden müssen.

Durch die Entwicklung geeigneter On-Line-Messtechniken konnte der Chargenbetrieb im Laufe der Zeit automatisiert und eine zufriedenstellende Betriebssicherheit erreicht werden. Allerdings ist dies mit einem sehr hohen apparativen Aufwand verbunden.

Die Essigsäureherstellung kann jedoch auch unter Verwendung kontinuierlich betriebener Verfahren erfolgen. Kontinuierlich betriebene Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass ständig Ethanolhaltige Medien zugeführt und im gleichen Maße Produkthaltiges Medium aus dem Reaktor abgezogen wird, so dass das Flüssigkeitsvolumen im Reaktor konstant bleibt. Der Durchfluss wird dabei so gewählt, dass möglichst sehr viel Alkohol in Säure umgesetzt wird. Über die Durchflussrate kann ein Betriebspunkt eingestellt werden, bei dem nach einer Einschwingphase die Konzentrationen von Biomasse, Säure und Alkohol für den weiteren Prozessablauf konstant bleiben, zumindest solange sich die auf die Biomasse bezogene Umsatzrate, das heißt die spezifische Produktivität, der Mikroorganismen nicht ändert. Im kontinuierlichen Betrieb darf die Durchflussrate nie größer werden als die Wachstumsrate der Organismen, da diese ansonsten verdünnt und aus dem Reaktor ausgewaschen würden. Da es sich um einen wachstumsgekoppelten Prozess handelt, werden mit diesem Verfahren in der Regel nur Säurekonzentrationen von weniger als 9% erreicht. Da im kontinuierlichen Betrieb hinsichtlich der Konzentrationen konstante Bedingungen vorliegen, ist hier eine vergleichsweise wenig aufwendige Prozesskontrolle erforderlich, da im Prinzip nur der Flüssig keitsdurchsatz konstant gehalten und überwacht werden muss. Nachteilig bei einem solchen System ist allerdings der ständige Verlust an Biomasse durch den Produktaustrag. Da die Essigsäureproduktivität von der Biomassekonzentration abhängt, ist es wünschenswert, eine möglichst hohe Biomassekonzentration im Reaktor vorzuhalten, das heißt im kontinuierlichen System muss die Biomasse-Verweilzeit von der Flüssigkeits-Verweilzeit entkoppelt werden und die Organismen müssen im System zurückgehalten werden. Das Zurückhalten der Organismen im System erfolgt beispielsweise durch Immobilisierung der Organismen oder durch mechanisches Rückhalten.

Auch das sogenannte Fessel-Verfahren (Frings-Bildner) wird mit immobilisierten Bakterien betrieben. Wie vorstehend ausgeführt, handelt es sich hierbei um einen mit Buchenholzspänen gefüllten Tropfkörper, der von unten her belüftet und von oben her mit alkoholhaltigen Medien versorgt wird. Eine verbesserte Technik ist in der CH 683 694 beschrieben. Die Immobilisierung von Bakterien hat jedoch den Nachteil, dass sich die Versorgung der bakteriellen Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen mit wachsenden Biomasseschichten immer schwieriger gestaltet und die Prozessparameter wie Temperatur und Belüftung nur sehr schlecht kontrolliert werden können.

Die mechanische Rückhaltung von Zellen wie Bakterien erfolgt herkömmlicherweise über eine kontinuierlich betriebene Filtrationsmethode, die sogenannte Cross-Flow-Filtration. Dazu wird eine externer Filtrationskreislauf mit einem geeigneten Membran modul an den Bioreaktor angeschlossen. Mittels einer Pumpe wird im Kreislauf eine Durchströmung des Moduls mit typischerweise 2-6 m/s erreicht, um ein Verblocken der Porenstruktur durch Kontrolle der Deckschicht zu verhindern und damit einen stabilen Permeatfluss sicherzustellen. Dabei wird kontinuierlich ein zellfreies Permeat gewonnen, während die Organismen über den Kreislauf zurück in den Reaktor gelangen und im Lauf der Zeit immer weiter auf konzentriert werden. Damit stabile Betriebszustände erreicht werden, muss gleichzeitig ein Teilstrom an unfiltriertem Reaktorinhalt, der sogenannte Bleed-Strom, abgeführt werden. Das Verhältnis von Permeat zur Gesamtentnahme, das heißt Permeat und Bleed, wird als Rückführverhältnis R definiert. Ein Rückführverhältnis R von 0 entspricht dem kontinuierlichen Betrieb ohne Aufkonzentrierung, während ein R-Wert von 1 einer totalen Aufkonzentrierung ohne stabilen Betriebspunkt entspricht. Typische R-Werte liegen daher etwa bei 0,7 bis < 1. Die DE 42 12 187 und die EP 0 189 378 offenbaren Bioreaktoren für die Essigsäurebildung mit externen Filtrationskreisläufen. Insbesondere bei der Essigsäureproduktion sind jedoch Bioreaktoren mit externen Filtrationskreisläufen aufgrund der Empfindlichkeit der verwendeten Mikroorganismen und des hohen Sauerstoffbedarfs äußerst problematisch. Die DE 42 12 187 und die EP 0 189 378 beschreiben daher zusätzlich in die Filterkreisläufe integrierte Begasungseinrichtungen, mit deren Hilfe die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen sichergestellt werden soll. Im Wesentlichen durch die vorhandenen Umlaufpumpen zur Membranüberströmung entstehen allerdings sehr hohe Scherkräfte, die die Organismen in erheblichem Maße schädigen können. Ein weiteres Problem bei diesen externen Kreisläufen ist, dass das Auftreten von sauerstoffarmen Zonen an manchen Stellen trotz der Begasung wohl nicht vermieden werden kann und dort die Organismen geschädigt werden. Ein Sauerstoffmangel von weniger als 10 Sekunden führt zum Absterben der Bakterien. Zudem wird die Peripherie des Reaktors durch einen zusätzlichen Filterkreislauf erheblich komplizierter und insgesamt wesentlich störungsanfälliger. Ein weiterer Nachteil von Bioreaktoren mit externen Filtrationskreisläufen sind die sehr hohen Betriebskosten, die durch den nicht unerheblichen Leistungseintrag durch die Kreislaufpumpe verursacht werden.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, Mittel und Verfahren zur, besonders bevorzugt kontinuierlichen, Herstellung von Fermentationsprodukten, insbesondere Essigsäure, in einem Bioreaktor bereitzustellen, wobei im Reaktor eine hohe Biomassekonzentration aufrechterhalten und damit eine hohe Fermentationsprodukt-Produktivität sichergestellt wird, gleichzeitig aber die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile von Bioreaktoren zur kontinuierlichen Herstellung von Fermentationsprodukten, insbesondere Bioreaktoren mit externen Filtrationskreisläufen, wie die Schädigung der Mikroorganismen durch hohe Scherkräfte, die Störanfälligkeit des Bioreaktors und die sehr hohen Betriebskosten, vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung löst dieses technische Problem durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Fermentationsproduktes, insbesondere eines in einem flüssigen Medium befindlichen Fermentationsproduktes, welches von in einem Medium befindlichen Zellen, insbesondere Essigsäure-produzierenden Mikroorganismen, gebildet wird, umfassend einen Bioreaktor und eine Filtrationsvorrichtung zur Abtrennung der Zellen vom produkthaltigen Medium, die mindestens einen Filter und mindestens einen damit verbundenen Filterhalter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsvorrichtung innerhalb des Bioreaktors angeordnet ist.

Das heißt, die vorliegende Erfindung stellt einen Bioreaktor bereit, innerhalb dessen eine Filtrationsvorrichtung vorhanden ist, wobei die Filtrationsvorrichtung so angeordnet ist, dass insbesondere der Filter in das zu filtrierende zell- und produkthaltige Medium eintaucht beziehungsweise von diesem umgeben ist und während des Fermentationsprozesses eine kontinuierliche Filtration des zell- und produkthaltigen Mediums ermöglicht. Der vom Medium teilweise oder vollständig umgebene Filter trennt dabei die Zellen, beispielsweise Essigsäure-Bakterien, vom Produkt-haltigen Medium, wobei die Zellen an der Oberfläche des Filters zurückgehalten werden und im Reaktor verbleiben. Da der Filter und der Filterhalter erfindungsgemäß in besonders bevorzugter Ausführungsform jeweils über einen Innenraum verfügen und miteinander in Fluidverbindung stehen, kann das im Innenraum des Filters gebildete Filtrat oder Permeat, also das von Zellen befreite produkthaltige Medium, in den Innenraum des Filterhalters eintreten und wird von dort aus, insbeson dere kontinuierlich, aus dem Bioreaktor heraustransportiert beziehungsweise abgeleitet. Dabei erfolgt der Permeattransport in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch den hydrostatischen Druck im Reaktorinnenraum und/oder durch einen in der Filtrationsvorrichtung erzeugten Unterdruck.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines in einem Medium befindlichen Fermentationsproduktes weist im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten kontinuierlich arbeitenden Bioreaktoren mehrere Vorteile auf. Bedingt durch die im Bioreaktor angeordnete Filtrationsvorrichtung ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung während des laufenden Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche Erhöhung der Zell-Konzentration im Fermentationsmedium. Die an der Oberfläche der Filtrationsvorrichtung zurückgehaltenen Zellen werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter, bevorzugter Ausführungsform beispielsweise durch Rotation der Filtrationsvorrichtung oder durch bereits im Reaktorinnenraum vorhandene Flüssigkeitsströmungen, die beispielsweise bei der Essigsäureherstellung zur Feinverteilung der Luftblasen besonders vorteilhaft und bevorzugt sind, um eine möglichst große Phasengrenzfläche zur Sauerstoffübertragung in die Flüssigkeit zu erreichen, wieder von der Filteroberfläche gelöst und im Fermentationsmedium gleichmäßig verteilt. Die Zellen werden daher im Unterschied zu herkömmlichen Reaktoren nicht mit dem Produkt aus dem Reaktor abgezogen, sondern stehen für den weiteren Fermentationsprozess zur Verfügung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also in vorteilhafter Weise die Entkopplung der Verweilzeit der Biomasse von der Verweilzeit der Flüssigkeit, das heißt des produkthaltigen Mediums, während der Fermentation. Der Ablauf des Fermentationsprozesses kann daher in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Weise über die Durchflussrate geregelt werden, wobei die gewählte Durchflussrate unabhängig von der Wachstumsrate der Zellen eingestellt werden kann und sich lediglich nach der Konzentration von Substrat und/oder Produkt im Fermentationsmedium richtet. Die Biomassekonzentration wird über das Rückführverhältnis (Permeat/Permeat + Bleed) eingestellt und darf höchstens so hoch werden, wie sie unter den gegebenen Fermentationsbedingungen mit Sauerstoff versorgt werden kann (bei aeroben Prozessen). Ferner führt die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einer sehr hohen Produkt-Produktivität, das heißt einer sehr hohen auf die Biomasse bezogenen Umsatzrate eines Substrates, da, wie vorstehend ausgeführt, die Produkt-Produktivität des Systems von der Biomassekonzentration abhängt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von in Medien befindlichen Fermentationsprodukten bietet während des laufenden Betriebes vorteilhafte Wachstumsbedingungen für die zur Fermentation verwendeten Zellen. Da das Fermentationsprodukt während der Fermentation kontinuierlich durch die Filtrationsvorrichtung aus dem Reaktorinnenraum ab gezogen wird, liegen im Reaktorinnenraum Bedingungen vor, die das Wachstum der Zellen begünstigen und nicht beeinträchtigen. Dies kommt insbesondere bei solchen Fermentationen zum Tragen, bei denen das Fermentationsprodukt beziehungsweise eine bestimmte Produkt-Konzentration das Wachstum der Zellen beeinträchtigt oder hemmt. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zur Essigsäure-Herstellung verwendet wird, können über die Durchflussrate solche Essigsäure-Konzentrationen im Reaktor eingestellt werden, die das Wachstum der Essigsäure-Bakterien nicht hemmen. Besonders vorteilhaft ist die Einstellung der Produktkonzentration über die Zuflusskonzentration des Ethanol. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung insofern weitere vorteilhafte Bedingungen für das Wachstum der Zellen, als im Gegensatz zu Bioreaktoren mit einem externen Filterkreislauf bei aeroben Fermentationen keine zusätzliche Begasungsvorrichtung zur Sicherstellung der Sauerstoffversorgung der Zellen erforderlich ist. Damit entfallen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die in Bioreaktoren mit externer Filtervorrichtung vorhandenen Scherkräfte, die die Zellen schädigen können. Die günstigen Zellwachstums-Bedingungen und die kontinuierliche Erhöhung der Zellkonzentration in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirken, dass das zur Fermentation verwendete Substrat durch die Zellen beziehungsweise Enzyme der Zellen vollständig oder nahezu vollständig umgesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist jedoch nicht nur überraschende Vorteile für das Wachstum der Zellen und damit die Produktivität des Systems auf, sondern liefert auch ein zellfreies in einem Medium enthaltenes Produkt, dessen weitere, in an sich bekannter Weise erfolgende Aufarbeitung und Aufreinigung gegenüber aus herkömmlichen Bioreaktoren gewonnenen Produkten wesentlich vereinfacht ist. Das heißt, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich die Kosten zur weiteren Aufreinigung des Fermentationsprodukts erheblich senken. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu Bioreaktoren mit externen Filtrationskreislauf mit einem relativ geringen apparativen Aufwand verbunden und ist damit wesentlich störungsfreier. Beispielsweise entfallen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzliche Begasungsvorrichtungen und eine spezielle Umlaufpumpe, die in Bioreaktoren mit externem Filtrationskreislauf wesentliche Erfordernisse darstellen. Gegenüber herkömmlichen Reaktoren mit kontinuierlichem Betrieb werden daher Rüstzeiten eingespart und die Prozesskontrolle wird wesentlich vereinfacht. Auch aus energiewirtschaftlichen Gründen besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber Bioreaktoren mit externem Filtrationskreislauf erhebliche Vorteile, da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dynamische Filtrationsmethoden zur Anwendung kommen, die zu einer beträchtlichen Senkung der Betriebskosten führen. Solche dynamischen Filtrationsmethoden sind dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichtkontrolle der Filter erfolgt, indem im Gegensatz zu herkömmlichen Filtrationsmethoden nicht das gesamte Flüssigkeitsvolumen bewegt und beschleunigt wird, sondern nur die Filtrationsvorrichtung, wofür nur ein Bruchteil des Energieaufwandes erforderlich ist. Zu den energiewirtschaft lichen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung trägt auch die Tatsache bei, dass der Transport des Permeates, das heißt des produkthaltigen Mediums, aus dem Reaktor unter dem Einfluss von hydrostatischem Druck im Reaktor sowie durch einen Unterdruck innerhalb der Filtrationsvorrichtung erfolgt.

In besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Produkten geeignet, die in bestimmten Konzentrationen das Wachstum der Zellen oder die Aktivität von bestimmten Enzymen hemmen oder beeinträchtigen beziehungsweise bei denen eine Erhöhung der Zelldichte oder ein zellfreier Produktaustrag verfahrenstechnisch oder wirtschaftlich von Vorteil ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich daher in besonders vorteilhafter Weise für die Herstellung von Essigsäure anwenden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahrensweise lässt sich jedoch auch für andere biotechnologische Umsetzungen verwenden. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahrensweise können beispielsweise auch andere organische Säuren, wie Milchsäure, Propionsäure usw. oder andere mikrobiellen Produkte hergestellt werden, und zwar auf aerobem oder anaerobem Weg. Bei anaerob hergestellten Produkten, wie Milch- und Propionsäure, ist die Anordnung des Filterhalters, insbesondere eines Rotorfilters, der besseren Zugänglichkeit wegen auch in einem externen Kreislauf realisierbar, da so keine Probleme mit der Sauerstoffversorgung auftreten. Die energetischen Einsparungen sind auch hier gegeben, da für dieses System nur ein einfacher Flüssigkeitstransport zum Filter und zurück in den Reaktor zusätz lich benötigt wird und die Filtration selbst über die Rotation des Filters mit hydrostatischem Druck beziehungsweise Unterdruck erfolgt.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Bioreaktor" eine Vorrichtung zur Kultivierung von Zellen, insbesondere Mikroorganismen und Pilzen, aber auch pflanzlichen, menschlichen oder tierischen Zellen, und zur Herstellung definierter Produkte, wie Antibiotika, Vitamine, organische Säuren, Enzyme etc. verstanden. Die Zellen können natürlichen Ursprungs oder gentechnisch oder in anderer Weise verändert sein. Unter dem Begriff „Zellen" werden auch Teile, wie Zellorganellen, oder Aggregate von Zellen oder Teilchen davon verstanden. Unter dem Begriff „Zellen" werden auch in künstlichen Systemen, zum Beispiel Liposomen, enthaltene Enzyme oder Enzymkomplexe ebenso wie auf Trägern immobilisierte Enzyme oder Enzymkomplexe verstanden. Bei den in einem Bioreaktor kultivierten Mikroorganismen kann es sich sowohl um aerobe als auch um anaerobe Zellen, Zellorganellen oder Teile von Zellen handeln. Die Zellen werden im Bioreaktor vorzugsweise einer Submers-Kultivierung unterworfen. Der Begriff „Bioreaktor" umfasst daher auch Vorrichtungen, in denen mit Hilfe von isolierten und/oder immobilisierten Enzymen definierte Produkte hergestellt werden.

Der Begriff „Fermentationsprodukt" umfasst alle durch enzymatisch-chemische Veränderungen eines zum Beispiel organischen Substrates, die durch die zur Fermentation eingesetzten Zellen, beispielsweise Mikroorganismen, beziehungsweise durch Enzyme, die von den Zellen gebildet werden beziehungsweise aus diesen Zellen isoliert wurden, hergestellten Metabolite beziehungsweise Produkte.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Filtrationsvorrichtung" eine Vorrichtung zur Trennung von Feststoffteilchen aus fluiden Medien, insbesondere Feststoffteilchen enthaltende Flüssigkeiten, wie Suspensionen, verstanden. Ein wesentliches Merkmal einer Filtrationsvorrichtung besteht darin, dass diese von einer kontinuierlichen Phase, insbesondere einer Flüssigkeit durchströmt wird, wobei dispergierte Teilchen, wie Feststoffteilchen oder auch Tröpfchen an der Oberfläche der Filtrationsvorrichtung oder in deren Innenraum zurückgehalten werden.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die in der Vorrichtung zur Herstellung eines Fermentationsproduktes verwendete Filtrationsvorrichtung aus mindestens einem Filter und mindestens einem damit verbundenen Filterhalter besteht. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Filter" insbesondere der Teil der Filtrationsvorrichtung verstanden, an dessen Oberfläche beziehungsweise in dessen Inneren die eigentliche Filtration des zell- und produkthaltigen Mediums des Bioreaktors erfolgt. Unter einem „Filterhalter" wird der Teil der Filtrationsvorrichtung verstanden, der den Filter trägt und ihm innerhalb des Bioreaktors, insbesondere innerhalb des im Bioreaktor befindlichen Mediums zur Kultivierung von Zellen mechanische Stabilität verleiht.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass der Filter und der Filterhalter der Filtrationsvorrichtung eine Fluidverbindung miteinander bilden oder aufweisen, und den Transport des filtrierten produkthaltigen Mediums durch den Filter und Filterhalter aus dem Bioreaktor heraus ermöglichen. Unter einer „Fluidverbindung" wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung verstanden, die einen Flüssigkeitsstrom von einem Raum oder Bereich in einen anderen Raum oder Bereich ermöglicht. Die Fluidverbindung zwischen dem Filter und dem Filterhalter wird erfindungsgemäß in besonders bevorzugter Ausführungsform dadurch hergestellt, dass der Filter und der Filterhalter jeweils einen Innenraum umfassen, wobei der Filterhalter im Verbindungsbereich zu dem Filter mindestens eine den Durchtritt des Filtrates vom Filter in den Filterhalter ermöglichende Öffnung aufweist. So kann der Innenraum des Filters über eine oder mehrere Öffnungen, Röhren, Kanäle, Leitungen, Bohrungen, Schlitze, poröse Bereiche oder ähnliches mit dem Innenraum des Filterhalters so in Verbindung stehen, dass ein Flüssigkeitsstrom vom Innenraum des Filterelements in den Filterhalter-Innenraum erfolgen kann und damit eine Fluidverbindung geschaffen wird. Aufgrund der Fluidverbindung zwischen Filter und Filterhalter ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise, dass das im Filter gebildete Filtrat, das heißt also das von den Zellen befreite produkthaltige Medium innerhalb der Filtrationsvorrichtung transportiert und aus dem Bioreaktor heraus abgezogen werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Filterhalter beziehungsweise Rotorfilter im Innenraum des Bioreaktors entlang der Symmetrieachse des Bioreaktors oder im Bereich der Bioreaktor-Symmetrieachse, das heißt in dessen räumlicher Nähe angeordnet ist. Der Filterhalter, insbesondere Rotorfilter, kann in einer besonderen Ausführung auch nicht in der Symmetrieachse des Fermenters angeordnet sein, insbesondere bei der Essigsäureherstellung. Ein Einbau parallel zur Strömung, also von der Seite mit der Welle senkrecht und den Filterscheiben parallel zur Strömungsrichtung, ist bevorzugt. Der Filterhalter ist vorzugsweise in Form einer Hohlwelle ausgebildet. Der Filterhalter, vorzugsweise die Hohlwelle, ist dabei drehbar angeordnet und kann bewegt, insbesondere in Rotation versetzt und beschleunigt werden. Der Filterhalter, vorzugsweise die Hohlwelle, ist mit mindestens einem Filter, vorzugsweise jedoch mit mehreren Filtern verbunden, die beabstandet zueinander auf oder an dem Filterhalter angeordnet sind und mit diesem drehfest verbunden sind. Der Filterhalter weist dabei solche Abmessungen auf und nimmt eine solche Position ein, dass die Filter in das zu filtrierende zell- und produkthaltige Medium eintauchen und zur Deckschichtkontrolle der Filteroberfläche vom Fermentationsmedium überströmt werden können. Vorzugsweise ist mindestens ein Filter so mit dem Filterhalter verbunden, dass er sich im Bereich des Reaktorbodens befindet. Der Filterhalter, vorzugsweise die Hohlwelle, kann durch einen außerhalb des Reaktors angeordneten Antrieb in Rotation versetzt werden. Durch die bei Rotation auftretende Flüssig keitsbewegung um die Filter und zwischen den Filtern und die auf diese wirkende Zentrifugalkraft kann so eine Deckschichtbildung auf der Filteroberfläche wirkungsvoll kontrolliert werden, zum Beispiel konstant gehalten werden für gleichbleibende Permeatflüsse. Die Zentrifugalkraft wirkt reinigend auf die Flüssigkeit beziehungsweise die Deckschichtpartikel. Da in Reaktoren kontinuierlich frisches Fermentationsmedium in den Reaktorinnenraum eingeleitet wird und darüber hinaus in aerob arbeitenden Reaktoren zudem häufig eine Dispergierung der zur Belüftung eingetragenen Gasphase mittels Flüssigkeitsstrahlen erfolgt, entstehen zusätzlich nutzbare hydrodynamische Drücke, wenn die erfindungsgemäß eingesetzte Filtrationsvorrichtung, insbesondere die Filter, in den Flüssigkeitskreislauf vor einer Düse, zum Beispiel einer Zweistoffdüse, zum Einbringen von Flüssigkeit und/oder Gas wie Luft oder Sauerstoff eingebaut werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also die energetisch vorteilhafte Entkopplung von für die Filtration notwendiger Überströmgeschwindigkeit und sonstiger Flüssigkeitsbewegung, da die für die effiziente Filtration notwendige Überströmgeschwindigkeit durch die Rotation der Filtrationsvorrichtung erzeugt wird.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der mindestens eine Filter drehfest so auf der drehbaren Hohlwelle angebracht ist, dass das Filtrat durch diese abgezogen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hohlwelle einstückig ausgebildet ist und den mindestens einen Filter durch eine, in bevorzugter Ausführungsform zentral in letzterer angeordnete, Durchgangsöffnung durchsetzt, wobei zumindest eine Öffnung oder Nut in Längsrichtung der Welle in dem Bereich der Hohlwelle vorgesehen ist, den der Filter mit seiner inneren Mantelfläche umschließt, so dass Flüssigkeit vom Filter in das Innere der Hohlwelle gelangen kann. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere Filter beabstandet zueinander auf dem einstückigen Filterhalter angeordnet sind.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Filterhalter, insbesondere die Hohlwelle, mehrstückig aus verschiedenen, zum Beispiel rohrförmigen, hohlen Abschnitten ausgebildet ist, wobei die verschiedenen Abschnitte des Filterhalters durch zwischen diesen angeordnete Filter, insbesondere Filterscheiben, getrennt und gleichsam zur zu filtrierenden Fermentationsflüssigkeit hin flüssigkeitsdicht durch diese verbunden sind. Auch in dieser Ausgestaltung ist eine Fluidverbindung, beispielsweise eine Öffnung oder Nut in Längsrichtung der Welle zwischen dem Inneren des Filterträgers und des Filters, vorgesehen. Das in das Innere des Filters eindringende Filtrat kann so vom Inneren des Filters in das Innere der Hohlwelle gelangen und aus dieser abgezogen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steht die Längsachse des Filterhalters, vorzugsweise der Hohlwelle, senkrecht auf den Ober- und Unterseiten, also Grundflächen der beispielsweise als Filterscheibe ausgebildeten Filter.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform mindestens ein, vorzugsweise jedoch mehrere Filterhalter im Bereich der Wandung des Bioreaktors oder in der Bioreaktor-Wandung selbst angeordnet sind, so dass die mit den Filterhaltern verbundenen Filter in den Innenraum des Bioreaktors, insbesondere in das zell- und produkthaltige Fermentationsmedium hineinragen. Das heißt, in dieser Ausführungsform sind vorzugsweise mehrere Filterhalter in der Wandung, also im Gehäuse des Bioreaktors fest verankert und somit unbeweglich und nicht drehbar. Die feststehenden, unbeweglichen Filterhalter und Filter können erfindungsgemäß beispielsweise anstelle der üblicherweise in Bioreaktoren vorhandenen Strombrecher eingebaut werden. Filter und Filterhalter können in einer Ausführungsform auch einstückig ausgebildet sein. Dabei ist vorgesehen, dass der Einbau so erfolgt, dass eine möglichst intensive Überströmung der Filteroberfläche erreicht wird. Da in dieser Ausführungsform die Filtrationsvorrichtung selbst nicht mehr bewegt wird, wird eine weitere Energie- und Kosteneinsparung erreicht. Neben den energetischen Einsparungen sind auch die konstruktiven Aufwendungen für das Abziehen des Permeates aus dem Reaktor wesentlich geringer. Eine Kontrolle der Deckschicht an den unbeweglichen feststehenden Filtern kann in dieser Ausführungsform durch eine im Reaktor bereits vorhandene Flüssigkeitsströmung erfolgen, die beispielsweise in Bioreaktoren auftritt, wo hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen zur Feinverteilung von Luftblasen benötigt werden, um eine möglichst große Phasengrenzfläche zur Sauerstoffübertragung in die Flüssigkeit zu er zielen. Eine weitere Überströmung der Filter zur Deckschichtkontrolle kann dadurch erreicht werden, dass oberhalb und/oder unterhalb der feststehenden Filter spezielle bewegliche Elemente zur Turbulenzerzeugung angeordnet werden.

In bevorzugter Ausführungsform weisen die an dem Filterhalter angebrachten Filter Durchgangsöffnungen zur Aufnahme des Filterhalters beziehungsweise zur Verbindung mit dem Filterhalter auf. Handelt es sich bei dem Filterhalter um eine innerhalb des Bioreaktor-Innenraums angeordnete drehbar gelagerte Hohlwelle, sind die Filter vorzugsweise drehfest so angebracht, dass das Filtrat durch diese abgezogen werden kann. Vorzugsweise sind die Filter als Filterscheibe ausgeführt. Die Filterscheibe kann beispielsweise als ein eine Membran aufweisender oder Membran überzogener Hohlkörper beziehungsweise Hohlrahmen ausgeführt sein. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass der Innenraum der Filterscheibe als poröse Stützstruktur ausgebildet ist, die der auf der Oberfläche angebrachten Membranschicht Stabilität verleiht und für den Abtransport des Permeates verantwortlich ist. Die Membranschicht ist eine selektive poröse Trennschicht, die je nach Porengröße nur für bestimmte Molekular- und Partikelgrößen durchlässig ist. Erfindungsgemäß wird die Membranschicht so ausgewählt, dass sie für Zellen, insbesondere Mikroorganismen, nicht durchlässig ist. Als Filterscheibe eingesetzt werden können erfindungsgemäß beispielsweise üblicherweise in der Membrantrenntechnik verwendete technische Membranen, zum Beispiel Polymer- oder Keramikmembranen mit zur Mikro- und Ultrafiltration geeigne ten Porenstrukturen, insbesondere deren Porendurchmesser so gewählt ist, dass das Fermentationsprodukt durch die Membran hindurchdringen kann, während Zellen wie Mikroorganismen an der Membran zurückgehalten werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Filter eine Flachmembran ist. Die Filterfläche selbst kann unterschiedliche Formen aufweisen. Erfindungsgemäß können die für den Membranaustrag erforderlichen Filterflächen, insbesondere die zur Trennung erforderlichen Membranflächen, aufgrund des ständigen Produktaustrages relativ klein gehalten werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Permeattransport innerhalb der Filtrationsvorrichtung und damit das Abziehen des Permeates aus dem Bioreaktor durch den im Reaktor herrschenden hydrostatischen Druck und durch einen künstlich erzeugten Unterdruck von der Saugseite her erfolgen. Aufgrund der Höhe der Flüssigkeit wird innerhalb des Bioreaktors ein hydrostatischer Druck aufgebaut, der erfindungsgemäß als transmembranes Druckgefälle ausgenutzt werden kann. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Filtrationsvorrichtung, insbesondere der Filterhalter, mit einer außerhalb des Bioreaktors angeordneten Pumpe verbunden ist, um innerhalb der Filtrationsvorrichtung einen Unterdruck zu erzeugen und damit einen effizienten Transport des Permeates aus dem Bioreaktor heraus zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die Filtrationsvorrichtung, insbesondere der Filterhalter, über Schläuche, Leitungen, Rohre und ähnliche Systeme mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist. Der mit der Pumpe verbundene Filterhalter weist daher im Verbindungsbereich mit der Pumpe mindestens eine Öffnung auf, die den Durchtritt des Filtrates aus dem Filterhalter-Innenraum in diese Schläuche, Leitungen, Rohre etc. und damit das Abziehen des Filtrates aus dem Reaktor ermöglicht.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass der die Filtrationsvorrichtung enthaltende Bioreaktor für eine aerobe Verfahrensweise mindestens eine Düse zur Zufuhr von beispielsweise Luft aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Düse um eine Zweistoffdüse. Im Falle einer anaeroben Fermentation ist für Luft keine Düse vorhanden. In bevorzugter Ausführung erfolgt jedoch die Dispergierung und Vermischung, gegebenenfalls auch von Luft, mittels eines Rührorgans. Als Bioreaktor kann ein beliebiger Bioreaktortyp mit mechanischer, pneumatischer oder hydrodynamischer Eintragung der für die Flüssigkeitsumwälzung erforderlichen Energie eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bioreaktor um einen Rührkesselreaktor, insbesondere einen Spezial-Reaktor zur Essigsäureproduktion. In bevorzugter Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur fermentativen Herstellung von Essigsäure unter Verwendung von Acetobacter und/oder Gluconobacter-Zellen verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende Problem auch durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Gewinnung eines in einem flüssigen Medium befindlichen Fermentationsproduktes, welches von Zellen, beispielsweise Essigsäure-Bakterien, in einem Bioreaktor gebildet wird, wobei die Zellen in einem Bioreaktor in ein geeignetes Kulturmedium eingebracht und dort kultiviert werden und wobei während oder nach der Kultivierung und der damit verbundenen Anreicherung des Fermentationsproduktes im Kulturmedium die Zellen innerhalb des Bioreaktors mittels Filtration vom produkthaltigen Kulturmedium getrennt werden. Das zell- und produkthaltige Medium wird innerhalb des Bioreaktor-Innenraums filtriert, wobei das filtrierte produkthaltige Medium nach Filtration aus dem Bioreaktor heraus transportiert wird, während die abgetrennten Zellen im Bioreaktor verbleiben und für den weiteren Fermentationsprozess zur Verfügung stehen. Durch die Filtration des zell- und produkthaltigen Mediums kann so auf effiziente Weise die Konzentration der zur Fermentation benötigten Zellen, beispielsweise der Bakterien, innerhalb des Bioreaktors erhöht werden. Dabei wird das zell- und produkthaltige Medium unter Verwendung einer innerhalb des Bioreaktors angeordneten, aus einem Filter und einem Filterhalter bestehenden Filtrationsvorrichtung filtriert. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung eines Fermentationsproduktes ist in bevorzugter Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass das zell- und produkthaltige Medium unter dem Einfluss von hydrostatischem Druck und eines innerhalb der Filtrationsvorrichtung erzeugten Unterdrucks filtriert und dann durch die Filtrationsvorrichtung aus dem Bioreaktor heraustransportiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in bevorzugter Ausführungsform insbesondere vor, dass der Unterdruck innerhalb der Filtrationsvorrichtung durch eine mit dem Filterhalter verbundene Pumpe erzeugt wird.

In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Filtrationsvorrichtung zur Deckschicht-Kontrolle bewegt, insbesondere in Rotation versetzt wird. Dabei handelt es sich insbesondere um solche Filtrationseinrichtungen, die im Bioreaktor-Innenraum entlang der Symmetrieachse des Bioreaktors drehbar beziehungsweise bewegbar angeordnet sind. Der Filterhalter, insbesondere Rotorfilter, kann in einer bevorzugten Ausführung auch nicht in der Symmetrieachse des Fermenters angeordnet sein, insbesondere bei der Essigsäureherstellung. Ein Einbau parallel zur Strömung, also von der Seite mit der Welle senkrecht und den Filterscheiben parallel zur Strömungsrichtung, ist bevorzugt. Auf diese Weise wird eine ständige Reinigung der zur Filtration erforderlichen Membranoberfläche der Filter erreicht und gleichzeitig werden ständig Zellen innerhalb des Fermentationsmediums verteilt, wobei in der Fermentationsbrühe eine kontinuierliche Zunahme der Organismenkonzentration erreicht wird, die über den gleichzeitig abgezogenen Bleed-Strom auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Kontrolle der Deckschicht nicht die Filtrationsvorrichtung selbst bewegt wird, sondern eine im Bioreaktor vorhandene Flüssigkeitsströmung zur Überströmung der Filteroberfläche und damit zur Deckschichtkontrolle verwendet wird und/oder zusätzlich ein unterhalb beziehungsweise oberhalb der stationär und unbeweglich angeordneten Filtrationseinrichtung angeordnetes bewegbares Turbulenzerzeu gungs-Element bewegt wird. Bei solchen Filtrationsvorrichtungen handelt es sich also insbesondere um feststehende, insbesondere im Bereich der Bioreaktor-Wandung angeordnete Filtrationsvorrichtungen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Essigsäure aus Ethanol in einem Bioreaktor, wobei zur Fermentation bakterielle Zellen der Gattung Acetobacter oder Gluconobacter eingesetzt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Milchsäure oder Propionsäure.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der 1 und 2 sowie eines Beispiels näher erläutert.

Die Figuren zeigen:

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Fermentationsproduktes, die einen Bioreaktor und eine im Bioreaktor angeordnete Filtrationsvorrichtung umfasst, wobei die Filtrationsvorrichtung zentral und mittig im Innenraum des Reaktors entlang der Symmetriehöhenachse des Bioreaktors angeordnet ist.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Fermentationsproduktes mit einem Bioreaktor 3 und einer innerhalb des Reaktors angeordneten Filtrationsvorrichtung 11. Der Reaktor 3 weist ein Gehäuse 5 auf, in dem die zu filtrierende zell- und produkthaltige Flüssigkeit (C) mit einer Füllhöhe (H) enthalten ist. Im Innenraum 50 des Gehäuses 5 ist zentral und mittig im Bereich der Symmetriehöhenachse die Filtrationsvorrichtung 11 angeordnet, die einen in Form einer Hohlwelle ausgebildeten Filterhalter 13 und eine Vielzahl von drehfest mit dem Filterhalter 13 verbundenen Filterscheiben 15 umfasst.

Der rohrförmige Filterhalter 13 durchsetzt die jeweils eine, nicht dargestellte, zentrale Durchgangsöffnung aufweisenden Filterscheiben 15. Der Filterhalter 13 weist in den Bereichen, in denen er mit den Filterscheiben 15 verbunden ist, eine den Durchtritt des Filtrats aus dem Innenraum der Filterscheibe 15 in den Innenraum des Filterhalters 13 erlaubende Durchgangsöffnung (nicht dargestellt) auf, die eine Fluidverbindung erlaubt.

Die Funktionsweise der Filtrationsvorrichtung 1 stellt sich wie folgt dar:
Auf der Filtrationsvorrichtung 11 lastet aufgrund der Füllung des Reaktors 3 mit Medium (C) ein hydrostatischer Druck, wobei ein transmembranes Druckgefälle erzeugt wird. Innerhalb der Filtrationsvorrichtung 11 wird außerdem durch eine hier nicht dargestellte Pumpe und eine dazugehörige Leitung ein Unterdruck erzeugt. Sowohl der hydrostatische Druck als auch der Unterdruck führen zur Filtration der im Reaktorgehäuse enthaltenen zell- und produkthaltigen Flüssigkeit (C). Dabei dringt Filtrat (B), bei dem es sich um produkthaltiges Medium handelt, durch die Filterscheiben 15 in deren Inneres ein, strömt durch die Fluidverbindung zwischen Filterscheibe 15 und Filterhalter 13 in das Innere des Filterhalters 13 und wird durch diesen aus dem Gehäuse 5 abgezogen, während im Medium enthaltene Zellen an der Oberfläche der Filterscheiben 15 zurückgehalten werden. Während des Verfahrens rotieren der Filterhalter 13 und die damit drehfest verbundenen Filterscheiben 15, so dass eine Zentrifugalkraft erzeugt wird, die zur Kontrolle der Deckschichtbildung auf den Filterscheiben 15 führt. Die Deckschichtkontrolle wird in dieser Ausführungsform erfindungsgemäß also durch die Rotation des Filterhalters erzeugt und ist damit von der Zuflussgeschwindigkeit und dem Zuflussvolumen des Fermentationsmediums abgekoppelt. Die auf die Deckschicht wirkende Kraft ist demgemäß frei wählbar. Diese Verfahrensweise ermöglicht eine energetisch erheblich verbesserte Betriebsweise von Bioreaktoren.

Die Rotation des Filterhalters 13 und der damit drehfest verbundenen Filterscheiben 15 kann zusätzlich durch bereits im Reaktorinnenraum vorhandene Flüssigkeitsströmungen, die durch das Rührorgan oder durch eine im Reaktorboden 9 angeordnete Düse 30, die ein Gas (D), beispielsweise Luft oder Sauerstoff, in den Reaktor 3 eindüsen, unterstützt werden. Durch das Einspritzen von Luft oder Sauerstoff wird ein zusätzlich auf die Filtervorrichtung 11 wirkender Druck erzeugt, nämlich ein hydrodynamischer Druck.

Die 2 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Herstellung eines in einem Medium befindlichen Fermentationsproduktes umfassend einen Bioreaktor 3, zum Beispiel einen Abwasserreaktor, und mehrere Filtervorrichtungen 11, die einen Filterhalter 13 und einen Filter 15 umfassen. Die Filterhalter 13 der Filtervorrichtungen 11 sind, verteilt über den Umfang des Gehäuses 5, jeweils in der Innenwandung 7 des Reaktorgehäuses 5 verankert. Der Reaktor 3 enthält das zu filtrierende zell- und produkthaltige Fermentationsmedium (C), das mit einer Füllhöhe (H) im Reaktor 3 vorhanden ist.

Der Antrieb der im Reaktor 3 vorliegenden Umlaufströmung erfolgt durch einen im Reaktorboden 9 durch das Rührorgan oder durch die Düse 30 eingestrahlten Luftstrahl. Die in der Reaktorwandung verankerten Filtrationsvorrichtungen 11 stehen unter dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule des Reaktors 3 und einem Unterdruck, der von einer nicht dargestellten Pumpe und einem dazugehörigen Leitungssystem innerhalb der Filtrationsvorrichtungen 11 erzeugt wird. Beide Drücke erzeugen ein transmembranes Druckgefälle, welches in kostengünstiger Weise die Filtrierung des Fermentationsmediums (C) ermöglicht. Der produkthaltige Filtratstrom (B) wird aus den Filterhaltern 13 abgeleitet, während die Zellen durch die Umlaufverströmung innerhalb des Reaktors 3 verteilt werden.

Essigsäureproduktion mit einem industriell eingesetzten Acetobacter-Stamm
Als Produktionsmedium wurde sogenanntes Denaturat verwendet, das für den kontinuierlichen Betrieb auf eine Ethanol-Konzentration von etwa 115 ml/l und eine Essigsäurekonzentration von etwa 10 g/l eingestellt wurde (K-Medium). Die Zugabe von Nährstoffen (üblicherweise verwendete Fertigmischung) wurde der jeweiligen Biomassekonzentration angepasst und belief sich auf 1,5-4,5 g/1 Medium. Als Starterkultur wurde Biomasse aus einem Essigsäure-produzierenden Reaktor verwendet. Bei dem Bioreaktor handelte es sich um einen Rührkesselreaktor mit zwei Blattrührern und einer im unteren Teil des Reaktors eingebauten Filterscheibe aus Keramik mit einem Trennbereich von 0,2 μm (Mikrofiltration, Membranfläche ca. 300 cm²).
Der Reaktor wurde mit einer Batch-Phase gestartet. Das Startmedium enthielt 80 g/l Essigsäure und 40 ml/l Ethanol. Nachdem Ethanol bis auf eine Menge von unter 10 ml/l verbraucht war, wurde auf kontinuierlichem Betrieb mit K-Medium umgestellt und eine Flüssigkeitsverweilzeit von etwa 50 Stunden bei einer Essigsäureproduktivität von 1,8 g/l/h und einer Biomassekonzentration von etwa 0,1 g/l erreicht. Die Produktivitäten im bislang industriell eingesetzten Chargenbetrieb liegen bei 1,5 g/l/h, so dass mit dem Übergang auf kontinuierlicher Betriebsweise eine Produktivitätssteigerung erreicht werden konnte. Die Ethanolkonzentration wurde über die Durchflussrate bei 5 bis 8 ml/l gehalten. Die Essigsäurekonzentration lag über 110 g/l. Der nur über die Durchflussrate geregelte Betrieb des Reaktor erwies sich als sehr stabil und konnte im Versuchsbetrieb ohne Probleme über 6000 Stunden aufrecht erhalten werden.
Zur Erhöhung der Biomassekonzentration und damit zur Steigerung der Essigsäure-Produktivität wurde in der Folge ein Teil des Mediums über die Filterscheibe als Permeat abgezogen. In der folgenden Tabelle 1 sind die bei einem bestimmten Rückführverhältnis erreichbaren Biomassekonzentrationen beziehungsweise Produktivitäten dargestellt. Aus den Daten ist ersichtlich, dass in dem verwendeten Reaktor eine Verdreifachung der Produktivität bei kontinuierlicher Betriebsweise möglich war, wobei Essigsäure-Endkonzentrationen von 110-115 g/l erreicht wurden. Der Permeatfluss belief sich auf 12 l/hm², wobei die Filterscheibe statisch im Reaktor betrieben wurde, das heißt, keine Antriebsenergie erforderlich war. Durch die Rotation der Scheiben ließen sich wesentlich höhere Flüsse erreichen, so dass die Membranflächen verringert werden konnten.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Fermentationsproduktes von in einem Medium befindlichen Zellen, umfassend einen Bioreaktor (3) und eine Filtrationsvorrichtung (11) zur Abtrennung der Zellen vom produkthaltigen Medium, die mindestens einen Filter und mindestens einen damit verbundenen Filterhalter (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsvorrichtung (11) innerhalb des Bioreaktors (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Filter und der Filterhalter (13) eine Fluidverbindung aufweisen und so eine Ableitung des produkthaltigen Mediums aus dem Bioreaktor (3) ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluidverbindung dadurch gebildet wird, dass der Filter und der Filterhalter (13) jeweils einen Innenraum umfassen und der Filterhalter (13) im Verbindungsbereich zu dem Filter mindestens eine den Durchtritt des Filtrats vom Filter in den Filterhalter (13) ermöglichende Öffnung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Filterhalter (13) im Innenraum des Bioreaktors (3) entlang der Symmetrieachse des Bioreaktors (3), in deren räumlicher Nähe oder ausgehend von einer Seite des Bioreaktors senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Filterhalter (13) eine Hohlwelle (13) oder eine Vollwelle mit einer oder mehreren Nuten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Hohlwelle (13) einstückig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Hohlwelle (13) mehrstükig ausgebildet ist und der mindestens eine Filter intermittierend und flüssigkeitsdicht zwischen den einzelnen Abschnitten der Hohlwelle (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Filterhalter (13) mit dem mindestens einen Filter drehbar in dem Bioreaktor (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Filterhalter (13) im Bereich der Wandung (7) des Bioreaktors (3) oder in der Bioreaktor-Wandung (7) angeordnet ist und der Filter in den Innenraum des Bioreaktors (3) hineinragt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei in räumlicher Nähe, zum Beispiel unterhalb und/oder oberhalb, des Filters mindestens ein bewegbares Turbulenzerzeugungs-Element angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Filterhalter (13) über eine Leitung mit einer außerhalb des Bioreaktors (3) angeordneten Pumpe verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Filterhalter (13) mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Filterhalter (13) im Verbindungsbereich mit der Pumpe mindestens eine den Durchtritt des Filtrats ermöglichende Öffnung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Filter eine Filterscheibe (15) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Innenraum der Filterscheibe (15) als poröse Stützstruktur ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Oberfläche der Filterscheibe (15) mit einer selektiven Schicht, insbesondere einer Membran beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Filter eine Flachmembran ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Bioreaktor (3) als Schlaufenreaktor ausgeführt ist und mindestens eine in den Innenraum des Bioreaktors (3) gerichtete Düse für den Flüssigkeitsumlauf aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Düse eine Zweistoffdüse ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Bioreaktor (3) ein Bioreaktor (3) mit mechanischer, pneumatischer oder hydrodynamischer Eintragung der für die Flüssigkeitsumwälzung erforderlichen Energie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Bioreaktor (3) ein Rührkesselreaktor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Bioreaktor (3) ein Spezialreaktor für die Essigsäureproduktion ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Vorrichtung zur fermentativen Herstellung von Essigsäure, Milchsäure oder Propionsäure dient.
Verfahren zur Gewinnung eines Fermentationsproduktes von in einem Medium befindlichen Zellen in einem Bioreaktor (3), wobei die Zellen während oder nach Durchführung eines Fermentationsprozesses innerhalb des Bioreaktors (3) mittels Filtration vom produkthaltigen Medium getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das produkthaltige Medium nach Trennung von den Zellen aus dem Bioreaktor (3) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei die abgetrennten Zellen im Bioreaktor (3) verbleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die Zellen unter Verwendung einer innerhalb des Bioreaktors (3) angeordneten, aus einem Filter und einem Filterhalter (13) bestehenden Filtrati onsvorrichtung (11) vom produkthaltigen Medium getrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Trennung der Zellen vom produkthaltigen Medium und die Ableitung des produkthaltigen Mediums aus dem Bioreaktor (3) unter dem Einfluss von hydrodynamischem Druck und eines innerhalb der Filtrationsvorrichtung (11) erzeugten Unterdruckes erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Unterdruck innerhalb der Filtrationsvorrichtung (11) durch eine über eine Leitung mit dem Filterhalter (13) verbundene Pumpe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei die Filtrationseinrichtung im Innenraum des Bioreaktors (3) zur Deckschicht-Kontrolle in Rotation versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei zur Kontrolle der Deckschicht der Filtrationsvorrichtung (11) eine bereits im Bioreaktor (3) vorhandene Flüssigkeitsströmung verwendet wird und/oder ein im Bereich der Filtrationseinrichtung angeordnetes bewegbares Turbulenzerzeugungs-Element bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wobei es sich bei den Zellen um bakterielle Zellen der Gattung Acetobacter oder Gluconobacter handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, wobei als Produkt Essigsäure, Propionsäure oder Milchsäure hergestellt wird.