DE2037903C3

DE2037903C3 - Mehrstufiges Gärverfahren in einem durch perforierte Platten in Kammern geteilten Gärturm

Info

Publication number: DE2037903C3
Application number: DE2037903A
Authority: DE
Inventors: Atsuo Kamakura Kitai; Asaichiro Tokio Ozaki; Hiroshi Fujisawa Tone
Original assignee: SANRAKU-OCEAN Co Ltd TOKIO
Current assignee: SANRAKU-OCEAN Co Ltd TOKIO
Priority date: 1966-10-06
Filing date: 1970-07-30
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE1642653B2; DE1642653A1; DE2037903B2; DE1642653C3; DE2037903A1

Description

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In der DE-PS 16 42 653 wird ein mehrstufiges Gärverfahren in einem durch perforierte Platten in Kammern geteilten Gärtu/m, der fiine Luftzufuhr vom Boden aus aufweist beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist daß die Luft zur Er.· elung eines freien Raumes im oberen Teil dieser Kammer geleitet wird.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens können die einzelnen Kammern des Gärturms nicht unabhängig voneinander betrieben werden.

Durch die Erfindung wird nunmehr das in dem Hauptpatent 16 42 653 beschriebene Verfahren dahingehend weitergebildet daß die einzelnen Kammern des Gärturms unabhängig voneinander betrieben werden können.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht daß die lineare Geschwindigkeit der zugeführten Luft beim Durchgang durch die perforierten Platten, die Öffnungen mit einem Durchmesser von mehr als 2 mm aufweisen, auf mehr als 2 m/Sek. eingestellt wird, oder die Luft unabhängig von ihrer linearen Geschwindigkeit durch perforierte Platten geleitet wird, die Öffnungen mit einem Durchmesser von 2 mm oder weniger und einer Öffnungsquerschnittsfläche von weniger als 30% der Gesamtquerschnittsfläche des Gärturms aufweisen.

In vorteilhafter Weise wird die lineare Geschwindigkeit der zugeführten Luft auf mehr als 4 m/Sekunde eingestellt

Der Gärturm, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbar ist, besteht im wesentli- μ chen aus einer Säule, die das Gehäuse des Gärturms bildet und einer oder mehreren Platten, von denen jede mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist wobei die Platte oder Platten horizontal zu dem Gärturm angeordnet ist bzw. sind, so daß dieser in Abschnitte unterteilt ist. Die Gehäuseabschnitte des Gärturms, von denen jeder an beiden Enden offen und geflanscht ist, werden aufeinandergesetzt, wobei eine mit einer öffnung oder mit öffnungen versehene Platte jeweils zwischen zwei Abschnitte eingesetzt wird, so daß eine Reihe von Kammern gebildet wird, die durch Abdecken des oberen und unteren Endes verschlossen werden. In der nachfolgenden Beschreibung werden die Kammern vom Boden aus nach oben nummeriert Der Gärturm weist Einlaß- und Auslaßöffnungen an beiden Enden sowohl für Luft als auch für das Medium auf, ferner Heiz- und Kühleinrichtungen (beispielsweise ein Mantel), ein Thermometer, Rohre oder Hähne zur Probeentnahme sowie andere Hilfseinrichtungen, die gegebenenfalls nützlich sein können.

Der Gärturm wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschr.itt durch den zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Gärturm,

Fig.2 eine Draufsicht auf eine mit öffnungen versehene Platte,

F i g. 3 einen Axiallängsschnitt durch eine andere Ausführungsform des zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbaren Gärturms.

Fig.4 einen Axiallängsschnitt eines zylindrischen mehrstufigen Gärturms, der aus zwei Kammern besteht wie er zur Durchführung des Versuchs 1 verwendet wird,

Fig.5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Rücl <nischverhältnis und den linearen Geschwindigkeiten der Luft die durch eine perforierte Platte hindurchgeht gemäß Versuch 1, die zeigt daß durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit der Luft die durch die perforierte Platte mit Löchern von 2 mm oder mehr hindurchgeht auf mehr als 2 m/sec und vorzugsweise auf mehr als 4 m/sec der Rückfluß der Flüssigkeit durch die Platte adäquat herabgesetzt wird; dies ist ein Anzeichen für die Unabhängigkeit einer jeden der Kammern, die durch perforierte Platten in der Säule abgetrennt sind,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Rückmischverhältnis -snd dem Verhältnis der Gesamtöffnungsquerschnittsfläche einer perforierten Platte mit Löchern mit einem Durchmesser von 2 mm, die zeigt daß das Rückmischverhältnis durch Verwendung einer Platte mit weniger als 30% Gesamtöffnungsquerschnittsfläche auf ein Minimum herabgesetzt wird,

F i g. 7 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen der Zellenkonzentration und der durchschnittlichen Verweilzeit in jeder Kammer im Vergleich zu einer Wachstumskurve bei diskontinuierlicher Arbeitsweise gemäß Versuch 3, die zeigt, daß die Zeilenkonzentration bei einem kontinuierlichen Verfahren unter Verwendung des Mehrstufengärturms einen stationären Zustand erreicht

F i g. 8 eine graphische Darstellung, die die Zellen- und Substratkonzentration in einem mit einer oder mehreren perforierten Platten ausgestatteten Mehrstufengärturm im Vergleich zu den entsprechenden Konzentrationen in einem Gärturm zeigt, der keine solche Platte aufweist, wobei gezeigt wird, daß die Zellenkonzentration und die Ausbeute im ersteren Fall höher als diejenigen im letzteren Fall sind.

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die im Vertikalschnitt einen zylindrischen mehrstufigen Gärturm zeigt, der aus vier Kammern 1 besteht, die übereinander mit den Platten 2 als Trennwandungen angeordnet sind. Fig. 2 zeigt die Oberfläche einer Platte. Jede Kammer kann mit einer Temperaturregu-

liereinrichtung, wie beispielsweise einem Mantel 3 und einer elektrischen Heizung, ausgestattet sein. Das Kopfstück S sowie der Boden 6 sind mit zwei Rohren 4 verbunden, die das Einströmen und Abfließen von Luft bzw. Medium ermöglichen. Diese Rohre können direkt an die Kammern angeschlossen sein, und in diesem Falle sind Abschlußteile S und 6 nicht erforderlich.

Der Gärturm weist gewöhnlich eine Anzahl von Kammern von einheitlicher Form und Größe auf, die übereinander angeordnet sind, doch kann sr auch Kammern, die in Form und Größe verschieden sind, aufweisen. Die Hauptsache ist, daß der Gärturm durch eine Platte oder Platten unterteilt ist, von denen jede zumindest eine öffnung aufweist Die Größe, Höhe und Breite des Gärturms können daher frei gewählt werden, und die Form der Kammer kann teilkugelig, wie in F i g. 3 gezeigt, oder oval oder kubisch sein. Es ist besser, daß der Gesamtaufbau eines solchen Gärturms, wenn alle Kammern verbunden sind, ein langgestreckter ist.

Die Gehäuseteile können aus Metall, Glas oder Kunststoff gefertigt sein. Ein transparentes Material ist jedoch zweckmäßig, da das Innere des Gärturms während des Betriebs dann sichtbar ist. Das Material, aus dem die Platten gefertigt sind, ist ebenfalls frei wählbar, doch sollten die Bestandteile des Mediums und das infolge der Gärung erzeugte Produkt, die auf das Plattenmaterial einwirken und dieses korrodieren können, in Betracht gezogen werden. Manchmal werden Drahtgewegeplatten oder poröse oder perforierte Platten verwendet Die Größe von jeder öffnung und die Anzahl der Öffnungen (Öffnungsquerschnittsfläche) werden durch solche Faktoren, wie lineare Geschwindigkeit der durch die perforierte Platte hindurchgehenden Luft, Größe des Gärturms und Art der gewünschten mikrowellen Reaktion, bestimmt. Die Anzahl der Kammern wird durch die besten Bedingungen vom Standpunkt solcher Faktoren, wie gewünschter Gärtyp, Höhe und Volumen des Gärturms. Belüftungssystem, Druckabfall u. dgl, bestimmt Jede eingesetzte Platte kann mit den Flanschkanten der Gehäuseteile unter Einsrtz von Dichtungen verschraubt sein. Probeentnahme-, Beschickungs- und/oder Abzugsleitungen oder -hähne 7, die an einzelnen Kammern montiert sind, sind ebenfalls zur Kontrolle und Steuerung der Fermentation nützlich, da sie den Austritt oder Eintritt von flüssigem Inhalt ermöglichen. Ein Luftfilter in wie bei den üblichen Gtrtürmen vorgesehen. Schließlich kann dieser mehrstufige Gärturm entweder allein oder als einer einer Gruppe verwendet werden.

Die Grundmerkmale dieser Gärungsvorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, sind aus dem folgenden Versuch er-ichtlich:

Versuch I

Ein Modellgärturm, wie er in Fig.4 dargestellt ist, wurde mit einer perforierten Platte in zwei Kammern unterteilt Wasser und Luft wurden kontinuierlich vom Boden der Vorrichtung aus mit konstanter Rate zugeführt. Sobald Luft und Flüssigkeit in stationärem Zustand strömten, wurde eine Tracerlösung (rote Tinte) von der oberen Kammer durch schnelles Einspritzen eingeführt. Probeflüssigkeit wurde in gewissen Zeitabständen aus jeder Kammer entnommen, und die Änderung der Tracerkonzentration wurde bestimmt. Das Verhältnis von volumen rückfließender Flüssigkeit (das Volumen, das von er oberen in die untere Kammer fließt, ausgedruckt durch F'(l/Stunde) zu dem Volumen der zugeführten Flüssigkeit [/^l/Stunde)], d.h. ein Rückmischverhältnis «= , , wurde experimentell bestimmt Wenn « = 0, so arbeitet jede Kammer als unabhängiges Gefäß ohne Rückmischung. Verschiedene «Werte wurden durch verschiedene Kombinationen der folgenden Faktoren bestimmt: Öffnungsdurchmesser, Verhältnis der Öffnungsquerschnittsfläche in einer Platte zu der Gesamtplattenoberfläche, Menge an

ίο zugeführter Luft d. h. spezifische Geschwindigkeit der zugeführten Luft Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit und Oberflächenspannung. Diese Faktoren sind in Tabelle I zusammengestellt Wie aus F i g. 5 ersichtlich ist steht der «-Wert mit der linearen Geschwindigkeit

is der durch eine perforierte Platte hindurchgehenden Luft durch die Größe einer öffnung (Durchmesser) als Parameter in Beziehung.

Tabelle I Plattenbediiigungen und experimentelle Bedingungen

Perforierte Platte: Lochdurchmesser 2,3, 5 mm

öffnungsquerschnitts-

flächenverhähnis 0,002-0,0252

Plattendicke 3 mm Arbeitsbedingungen: Luftströmungsgeschwindigkeit 14-30 l/min

Flüssigkeitsströmungs ^m geschwindigkeit 12 -15.6 l/h

Oberflächenspannung: 40, 72 Dyn/cm Aus den oben ermittelten Ergebnissen wurde

j-, gefunden, daß die Werte verhältnismäßig klein werden, wenn die lineare Geschwindigkeit der durch eine perforierte Platte mit öffnungen mit einem Durchmesser über 2 mm hindurchgehenden Luft 2 m/sec und vorzugsweise 4 m/sec übersteigt Unter dera-tigen

Bedingungen ist wie bereits ausgeführt wurde, das Rückmischen durch die Verwendung der perforierten Platen inhibiert, und jede Kammer arbeitet so als ein

nahezu unabhängiges Gefäß.

Bei Verwendung einer Platte mit öffnungen mit

einem Durchmesser von 2 mm oder weniger wurde die Unabhängigkeit der Kammer in dem vorliegenden Versuch unabhängig von der linearen Geschwindigkeit der Luft beim Durchgang durch die öffnungen der perforierten Platte nahezu erreicht Das Verhältnis der Gesamtöffnungsquerschnittsfläche zu der Querschnittsfläche der Säule muß jedoch 30% oder weniger zur Erzielung eines geeigneten Rückmischverhältnisses bei einem mehrstufenartigen Betrieb mit einer perforierten Platte, die öffnungen mit einem Durchmesser von 2 mm oticr weniger hat, betragen, wie F i g. 6 zeigt in der die Beziehung zwischen dem Rückmischverhä'tnis « unrl dem Öffnungsquerschnittsflächenverhältnis gezeigt ist

Wie bereits ausgeführt wurde, muß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei welchem die der Säule zugeführte F'üssigkeit mit konstanter Rate von einer Kammer zu einer anderen darüber angeordneten "Kammer transportiert wird und vom oberen Ende abfließt, wobei die Belüftung im Gleichstrom erfolgt die Beliliftungsrate und/oder das Öffnungsquerschnittsflä-

b5 chenverhältnis der Platte so eingestellt werden, daß der gewünschte Zustand erreicht wird. Im stationären Zustand eines solchen gleichströmenden Flüssigkeits-Luft-Strömunessvstems enthält iede Kammer eine

gewisse Menge Luft, die im oberen Teil der Kammer steht, wodurch eine Luftzone gebildet und der Rückfluß von Flüssigkeit (Medium) abgeschnitten wird. Eine lineare Geschwindigkeit der durch eine perforierte Platte hindurchgehenden Luft wird durch die folgende > Gleichung ausgedrückt

Vp-Va/ß-Q/Aß

worin Vp eine lineare Geschwindigkeit der durch eine perforierte Platte hindurchgehenden Luft (m/sec) in bedeutet, Va eine lineare Geschwindigkeit der zugespeisten Luft (m/sec) darstellt, β das Verhältnis der Öffnungsquerschnittsfläche in einer Platte zu der Gesamtplattenquersehnittsfläche bedeutet, Q die Menge an zugespeister Luft (mVsec) darstellt und A die r, Querschnittsfläche eines Gärturmes (m^}) bedeutet.
Gemäß dem Grandmerkmal der oben beschriebenen

für das Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten Gärungsvorrichtung gefunden, zu deren weiteren Erläuterung die folgenden Versuche dienen:

Versuch 2

Ein Kulturmedium (pH 6,8) mit einem Gehalt von 0,1% Glucose, 0,05% Hefeextrakt, 0,3% KH₂PO₄.0,01% MgSO₄ · 7 H₂O und 0,5% NH₄CI wurde in einen Gärturm mit einer Höhe von 140 cm und einem Innendurchmesser von 14,5 cm eingeführt, der gleich- in mäßig in vier Kammern durch drei quer sich erstreckende Platten unterteilt war, wobei jede Platte mit Öffnungen mit einem Durchmesser von 3 mm versehen war und eine Gesamtperforationsquerschnittsfläche von 1,3% der Gesamtquerschnittsfläche r, der Platte aufwies.

Es wurde mit 7 Vol.-% einer Impfkultur von Escherichia coli beimpft, die ein einem Medium der gleichen Zusammensetzung wie oben beschrieben 18 Stunden gezüchtet war. Die Züchtung wurde bei 34° C bei einer Belüftung von 67 I/min durchgeführt. Die zugeführte Luft strömte mit einer linearen Geschwindigkeit von 5,2 m/sec durch eine perforierte Platte hindurch (im folgenden mit Vp bezeichnet). Nach 3 Stunden nach Züchtungsbeginn wurde ein sterilisiertes Medium der gleichen Zusammensetzung wie oben beschrieben vom Boden des Gärturms aus quantitativ eingepumpt. Die Verdünnungsrate, bezogen auf das Gesamtvolumen des Mediums, betrug '/3h-¹. Das Medium wurde d"rch den Gärturm nach oben geführt in und floß vom oberen Ende über.

Wenn die Strömung des Mediums in dem Gärturm in den stationären Zustand eintrat, wurde eine Luftzone unterhalb jeder perforierten Platte gebildet, und das in jeder Kammer gründlich bewegte Medium floß nicht zurück zu der benachbarten unteren Kammer, so daß jede Kammer der Vorrichtung nahezu individuell als einzelne Gärungsvorrichtung arbeitete.

Nach kontinuierlichem Fortschreiten der Züchtung wurde der Unterschied in der bakteriellen Wachstums- _Bn phase in dem Kulturmedium von einer Kammer zu der nächsten mit fortschreitender Zeit ersichtlicher, und nach 17 — 20 Stunden gelangte der Gradient in der Zellenkonzentration in einen stationären Zustand. Die Zeiienkonzentration (ü.O.D.) bei diesem Zustand und b5 der relative Nucleinsäuregehalt je U.O.D. (Einheit der optischen Dichte) in den einzelnen Kammern sind in der nachfolgenden Tabelle II angegeben.

Tabelle Il

Kammer	/.ellenkon/.entration	Relativer
(vom Boden aus)	(U.O. IX)	Nucleinsäure-
		wert
		(RNA/U.O.D.)
I	0,340	100
2	0,465	85
3	0,653	69
4	0,799	65

Außerdem wurde eine Züchtung in der Vorrichtung unter den folgenden Bedingungen vorgenommen. Der Lochdurchmesser und die Menge an zugeführter Luft waren die gleichen wie oben beschrieben, doch wui;)r u:il*-..~ A_n nonius uwi

f iv/i atiistr?i|Uw. 3\,iiimt3i ia-

che in jeder Platte auf 5,5% der Gesamtplattenquerschnittsfläche eingestellt, und Vp betrug somit 0,95 M/ see. Als !^:olge hiervon wurde das Medium heftig gemischt und sowohl nach oben als auch nach unten durch die perforierten Platten geführt, wodurch der gewünschte Betrieb nicht erreicht werden konnte.

In dem obigen Versuch wird beobachtet, daß, wenn eine gewisse Menge Medium quantitativ vom Boden der Vorrichiing aus während des Betriebs im stationären Zustand eingepumpt wird, das Medium unter Durchdrücken durch das Luftkissen in jeder Kammer und Durchgang durch die perforierten Platten nach oben geführt wird und schließlich von dem oberen Ende der Vorrichtung überströmt, und zwar mit der gleichen Rate, mit der es eingeführt wird. Andererseits sammelt sich weiter Luft unter jeder perforierten Platte an, wodurch verhindert wird, daß sich das Medium in jeder Kammer mit dem Medium in einer benachbarten anderen Kammer vermischt, wobei das Medium in jeder Kammer noch weiter gründlich in Bewegung gehalten wird.

Die Erfindung wird weiter in dem folgenden Versuch 3 im Vergleich mit einem üblichen diskontinuierlichen Verfahren erläutert:

Versuch 3

Nach den obigen Arbeitsweisen wurde eine Gärung in einem anderen Gärturm durchgeführt, der dieses Mal in zehn Kammern mit in gleichem Abstand angeordneten Platten unterteilt war, wobei jede Platte Löcher mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Gesamtöffnungsquerschnittsfläche von 11% der Gesamt^ jerschnittsfläche der Platte aufwies.

Nach dreistündigem Vorkultivieren wurde ein Medium mit einer Zusammensetzung von 0,1% Glucose, 0,05% Hefeextrakt, 0,5% NH₄Cl, 0,1% NH₄NO₃, 0,2% Na₂SO₄, 0,01% MgSO₄ · 7 H₂O, 03% K₂HPO₄ und 0,1% KH₂PO₄ mit einer konstanten Rate vom Boden des Gärturms aus zugeführt. Die Verdünnungsrate bezogen auf das Gesamtvolumen des Mediums, betrug 'Ii h~'. Insbesondere wurde die Menge an zugeführtem Medium so eingestellt, daß die Verdünnungsrate in der Bodenkammer die maximale spezifische Wachstumsrate des Mikroorganismus nicht übersteigt. Die Flüssigkeit, die durch den Gärturm nach oben geführt wurde, floß vom oberen Ende über.

Die unterschiede in der Zeiienkonzentration von einer Kammer zu der nächsten wurden mit fortschreitender Zeit ersichtlicher und nach 17 — 20 Stunden wurde der Gradient der Zellenkonzentration stationär.

Die Zellenkonzentration (U.O.D.) im stationären Zustand und der Nucleinsäuregehalt je U.O.D. in den einzelnen Kamrrern sind in Tabelle III angegeben. Fig. 6 zeigte ebenfalls die Zellenkonzentration in einigen Kammern in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Verweilzeit, zu Vergleichszwecken zusammen mit der Wachstumskurve bei diskontinuierlicher Kultur.

Tabelle III

Kammer	Zellen konzentration	Relativer
(vom Boden aus)	(U.O.D.)	Nucleinsiiure-
		wert
		(RNA/U.O.D.)
3	0.310	100
C	0,492	67
7	0,698	56
9	0,792	53
10	0.810	52
	Versuch 4

Ein sterilisiertes Kulturmedium (pH 5.2) mit einem Gehalt von 2% (Volumen/Volumen) Äthylalkohol, 0.03% Hefeextrakt. 0.1% Pepton, 0,05% MgSOi · 7 H₂O. 0,4% KH₂PO₄, 0,05% K₂HPO«. 0,3% (NH4)'SO4 und 0.1% Entschäumungsmittel wurde in einen Gärturm eingefüllt, der eine Höhe von 65 cm und einen Innendurchmesser von 14,5 cm hatte und gleichmäßig in drei Kammern durch perforierte Platten unterteilt war, die Löcher mit 3 mm Durchmesser und eine Gesamtperforationsquerschnittsfläche von 0,56% der Gesamtquerschnittsfläche der Platte aufwiesen.

Es wurde mit 5 Vol.-% einer Impfkultur von Candida utilis beimpft, die 24 Stunden in einem Medium der gleichen Bestandteile wie oben kultiviert worden war. Die Züchtung wurde bei 28° C bei pH 5,0 ±0,2 unter Belüftung mit 30 I/min durchgeführt. Die zugeführte Luft strömte durch die perforierte Platte mit einer linearen Geschwindigkeit von 5,05 m/sec.

Nach 24stündiger Vorkultivierung wurde sterilisiertes Medium der gleichen Zusammensetzung wie oben beschrieben vom Boden des Gärturms aus eingeführt. Die Verdünnungsraten, bezogen auf das Gesamtvolumen an Medium in dem Gärturm, betrugen 0,038, 0,045, 0,056 bzw. 0,069 h -'. Die Kulturbrühe strömte durch den Gärturm nach oben und floß am oberen Ende über.

Bei dem Verdünnungsverhältnis von 0,069 h-' beispielsweise wurden die Unterschiede in der bakteriellen Wachstumsphase in dem Kulturmedium von einer Kammer zur nächsten im stationären Zustand der kontinuierlichen Züchtung beobachtet. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle IV gezeigt.

Tabelle IV	Zellenkonzentration (g/l)	Äthylalkohol konzentration (Vol./Vol.) %
Stufe	5,7 8,2 9,5	0,90 0,47 0,31
1 2 3

In der gleichen Weise wurden vier Werte der Zellen- und Substratkonzentration im stationären Zustand in der vom oberen Ende der Kammer austretenden Kulturbrühe ermittelt.

Der gleiche kontinuierliche Züchtungsversuch wurde mit einem Gärturm durchgeführt, der keine perforierte Platte aufwies. Die Züchtungsbedingungen waren die gleichen wie oben. Das Gesamtvolumen des Mediums in dem Gärturm ohne unterteilende Platten betrug, wie κι gemessen wurde, 10,51. Die Strömungsraten des Mediums wurden auf den Bereich von 0,38— 1,84 l/min eingestellt, und verschiedene Werte der Zellen- und Substratkonzentration im stationären Zustand in der von dem Gärturm überfließenden Brühe wurden ij analysiert

Die Daten der Zellen- und Substratkonzentration zwischen den oben verwendeten Gärtürmen, von denen einer unterteilt war und der andere nicht unterteilt war. sind zu Vergleichszwecken in Fig.8 gezeigt. Bei einer .'ο geringeren Verdünnungsrate, bezogen auf das Gesamtflüssigkeitsvolumen in dem Gärturm, wurde der Anstieg in der Austragszellenkonzentration und die Abnahme der entsprechenden Substratkonzentration bereits beobachtet. Es sei bemerkt, daß es unmöglich ist, hohe Verdünnungsraten in einem in mehrere Stufen unterteilten Gärturm zu erhalten, da, wenn jede der abgeteilten Kammern einem einzelnen und unabhängigen Gärturm im Betrieb äquivalent ist, die Verdünnungsrate in jeder Kammer die maximale spezifische Wachstumsrate der Organismen nicht überschreiten sollte. Die Verdünnungsrate, bezogen auf das Gesamtvolumen in dem dreistufigen Gärturm, sollte daher geringer sein als Vi der maximalen Verdünnungsrate in einem einzigen Gärungsgefäß.

Dieses Ergebnis zeigt, daß die Leistung, die gewöhnlich in einem mehrstufigen System erwartet wird, erreicht wurde und daß der eingesetzte Gärturm als mehrstufiges System bei Verwendung einer einzigen Vorrichtung arbeitet, wenn diese mit perforierten Platten versehen ist und unter den erfindungsgemäßen Bedingungen bezüglich der linearen Luftgeschwindigkeit oder des Verhältnisses des Öffnungsbereichs einer Platte betrieben wird.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß in dem erfindungsgemäßen Gärungsverfahren unter Verwendung einer mehrstufigen Gärungsvorrichtung die Strömung des Mediums einen stationären Zustand erreicht, wenn die zugeführte Luft so eingestellt wird, daß diese in der Vorrichtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömt, und zwar durch die Größe und Anzahl der Öffnungen in jeder perforierten Platte, die jeweils zwei Klammern trennt, wobei in diesem Zustand die Strömung des Mediums eine bestimmte Verteilung hat, die der von einem Kolben erzeugten Strömung sehr ähnlich ist (vgl. die Bedingungen des Patentanspruchs). Nach einer gewissen Zeitspanne zeigen die Zellen, die in jeder Kammer für eine gewisse Zeitspanne gehalten werden, die sehr dicht bei der durchschnittlichen Verweilzeit liegt, eine spezifische Wachstumsphase oder Zellenkonzentration, die von derjenigen in anderen Kammern verschieden ist, d. h., der Gradient der Zellenkonzentration wird stationär. In diesem Zustand verläuft der Gradient der Zellenkonzentration vom Boden zu den oberen Kammern in Richtung der Strömung des Mediums. Die Kulturbrühe, die Zeilen des gewünschten Alters enthält, kann daher leicht aus einer geeigneten Kammer durch Einstellung der Menge des Mediums, das von dem Boden der Gärune-svnrrirhtiincr

üblichen Serie

in

eingepumpt wird, im Vergleich zu dem
diskontinuierlichen System mit einzelnen
geschalteten Behältern erhalten werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die üblichen Gärungsverfahren usw. mit großer Leistungsfähigkeit und Rentabilität durchgeführt werden.

Die folgenden freispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Ein Kulturmedium (pH 5,0) mit einem Gehalt von 2% Äthanol, 0,3% (NH₄J₂SO₄, 0,05% MgSO₄ · 7 H₂O, 0,1% KH₂PO₄, 0,03% Malzextrakt, 0,1% Pepton und 0,5% Entschäumungsmittel wurde in einen zylindrischen Gärturm mit einem Innendurchmesser von 15 cm und einer Höhe von 140 cm eingeführt, der in gleiche Teile durch zwei perforierte Querplatten unterteilt war, wuuei jede Piaiie eine Anzahl von öffnungen mit einem Durchmesser von 4 mm aufwies, wobei die Gesamtquerschnittsfläche dieser Löcher 1,1% der Gesamtquerschnittsfläche ausmachte.

5 Vol.-% einer Impfkultur von Candida utilis, die 16 Stunden in einem Medium der gleichen Zusammensetzung wie das obige Medium kultiviert worden war, wurden zugegeben, und die Züchtung wurde bei 30⁰C unter Belüftung durchgeführt, wobei die Luft mit einer Rate von 56 l/min durch einen Verteiler vom Boden der Vorrichtung aus zugeführt wurde und mit einer Vp von 4,8 m/sec nach oben strömte.

Nach 18stündiger Vorkultivierung wurde die Zellenkonzentration bestimmt. Sie betrug 10,5 g/l auf Trokkengewichtsbasis. Anschließend wurde die Kultur kontinuierlich durch Zufuhr eines getrennt hergestellten Mediums der gleichen Zusammensetzung wie oben vom Boden der Vorrichtung aus durch deren Düse mit einer Rate von 2,5 l/Stunde durchgeführt. Das Medium, das durch die Vorrichtung nach oben geführt wurde und durch die perforierten Platten hindurchging, floß vom oberen Ende als mikrobielle Zellen enthaltende Kulturbrühe in einer gewissen Menge über, die der zugeführten Mediummenge entsprach. Die Verdünnungsrate betrug etwa 0,3 h-¹ in jeder Kammer und 0,10 h-' in der gesamten Vorrichtung.

Die Zellenkonzentrationen und die Äthanolgehalte in den jeweiligen Kammern waren im stationären Zustand wie folgt:

Kammer

(vom Boden aus)

Zellenkonzentration

(g/I)

Athanolgehalt

6
10
11

0,8
0,4
0,15

Die Unterschiede in der Zellenkonzentration und dem Athanolgehalt in den jeweiligen Kammern sind aus den obigen Werten ersichtlich.

Die Produktivität an Zellen betrug 1,10 g/Stunde in einem Gärturm mit einer Kapazität von 1 1. Diese Porduktivität ist dreimal größer als diejenige in einem diskontinuierlich arbeitenden Gärturm unte^r den gleichen Züchtungsbedingungen.

Beispiel 2

Nach den in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweisen und Bedingungen wurde das Medium hergestellt und mit dem gleichen Inoculum beimpft und kontinuierlich in einem zylindrischen Gärturm mit einer Höhe von 140 cm und einem Innendurchmesser von 14,5 cm gezüchtet, der durch perforierte Platten in fünf gleiche Kammern unterteilt war, wobei jede Platte eine Anzahl von öffnungen mit einem Durchmesser von 2 mm aufwies, wobei die Gesamtquerschnittsfläche dieser öffnungen 10% der Gesamtquerschnittsfläche ausmachte. Bei dieser Arbeitsweise war für eine Kammer die Verdünnungsrate die gleiche wie in Beispiel 1, und die Menge an zugeführter Luft betrug 45 l/min mit Vp 45 cm/min.

Die Zellenkonzentrationen und Äthanolgehalte in den jeweiligen Kammern wurden im stationären Zustand wie folgt bestimmt:

Zellen	Äthanol
konzen	gehalt
tration
(g/l)	(%)
14	0,6
12	0.3
11	0,15
9,5	0,1

Kammer

(vom Boden aus)

3
5
6 (Flüssigkeitsüberlauf)

Die Tabelle zeigt den Unterschied der Äthanolkonzentration in den jeweiligen Kammern. Die Zellen zeigen jedoch eine Tendenz zum Absetzen.

Beispiel 3

Ein zylindrischer Gärturm mit einem Innendurchmesser von 12 cm und einer Höhe von 120 cm wurde in gleiche Kammern mittels drei Querplatten unterteilt, wobei jede Platte eine Anzahl von öffnungen von 5 mm Durchmesser aufwies und die Gesamtöffnungsquerschnittsfläche 1,2% der Gesamtoberfläche der Platte betrug.

In die Bodenkammer wurde rohes technisches Naphthalin, 10 Gew.-% der Gesamtflüssigkeit, eingeführt sowie ein Kulturmedium mit einem Gehalt von 0,3% NH₄CI, 2,0% KH₂PO₄, 0,05% MgSO₄ ■ 7 H₂O, 0,02% MnCl₂,0,005% FaSO₄ · H₂O und 0,05% CaCl₂. Es wurde mit Pseudomonas aeruginosa beimpft.

Eine Gärung wurde bei 30°C durch Zufuhr von Luft mit einer spezifischen linearen Geschwindigkeit von 7 cm/sec durch die Vorrichtung und einer Vp von 5,83 m/sec durchgeführt, wobei das Naphthalinmaterial mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm in alle Kammern durch die perforierten Platten verteilt wurde. Nach 18stündiger Gärung waren 5,3 g/l an Salicylsäure produziert. Dann wurde eine kontinuierliche Gärung durch Zufuhr eines Mediums der gleichen Zusammensetzung wie oben mit einer Rate von 0,5 l/Stunde vcm Boden der Vorrichtung aus durchgeführt. Die Verdünnungsrate betrug '/₂8 h ~'.

Die Unterschiede der Konzentration an erzeugter

Salicylsäure in den jeweiligen Kammern wurde im stationären Zustand wie folgt bestimmt:

20	37	903	mit	3 mm	12	aufwies	und	I
					Durchmesser			die I
urde im	Öffnungen

Kammer

(vom Boden aus)

Salicylsäurekonzentration

(g/l)

0,6 3,0 6,7 8,2

Die überfließende Gärungsbrühe enthielt die erzeugte Säure in etwa in der gleichen Menge wie sie aus der vierten Kammer erhalten wurde. Die Gärung wurde acht Tage fortgesetzt.

Beispiel 4

Ein Kulturmedium mit einem Gehalt von 0,5% n-Paraffin, 0,2% KH₂PO₄, 0,3% Na₂HPO₄, 0,08% MgSO₄ ■ 7 H₂O, 0,1% (NH₄)SO₂, 0,01% FeSO₄ · 7 H₂O und 0,2% Entschäumungsmittel wurde in einen Gärturm mit einem Innendurchmesser von 15 cm und einer Höhe von 140 cm eingeführt, der durch perforierte Platten in sechs Kammern unterteilt war, wobei jede Platte

Geiamtperforationsquerschnittsfläche 0,56% der Gesamtplattenquerschnittsfläche ausmachte.

Nach Beimpfung mit Nocardia sp. wurde die Kultur bei 30⁰C bei pH 7,3 unter Belüftung mit einer linearen Geschwindigkeit von 3,5 cm/sec durch die Vorrichtung hindurch oder mit einer Vp von 6,25 ni/sec durchgeführt. Nach 48 Stunden ab Beginn der Kultur wurde p-Xylol in die vierte Kammer mit einer Rate von 2 ml/Stunde mittels einer Mikropumpe eingeführt, während ein neu hergestelltes Medium der gleichen Zusammensetzung wie oben gleichzeitig vom Boden der Vorrichtung mit einer Rate von 300 ml/Stunde eingespeist wurde, was erlaubte, die Gärung kontinuierlich und gleichzeitig durchzuführen. Während des Betriebs wurde die Temperatur auf 3O⁰C gehalten und der pH-Wert in deii jeweiligen Kammern so eingestellt, daß er bei 7,3 in dem unteren Teil der Vorrichtung (erste bis dritte Kammer vom Beds" aus) und bsi 7,8 ■"■ dem oberen Teil (vierte bis sechste Kammer) gehalten wurde. Diese Einstellung erfolgte mit giisförmigem Ammoniak.

Nach 40stündiger Gärung war der stationäre Zustand erreicht, bei welchem das Verfahren weitere 7 Tage fortgesetzt wurde. Im stationären Zustand wurden je Stunde 1,12 g, bezogen auf das Trockengewicht, an Zellen und 0,82 g an Dimethyl-cis, cis-muconsäure (48% Ausbeute) aus der vom oberen Ende des Gärturmes abgezogenen Flüssigkeit erhalten.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufiges Gärverfahren in einem durch perforierte Platten in Kammern geteilten Gärturm, der eine Luftzufuhr vom Boden aus aufweist wobei die Luft zur Erzielung eines freien Raumes im oberen Teil dieser Kammer geleitet wird, nach Patent 1642 653, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Geschwindigkeit der zugeführten ι ο Luft beim Durchgang durch die perforierten Platten, die öffnungen mit einem Durchmesser von mehr als 2 mm aufweisen, auf mehr als 2 m/Sek. eingestellt wird oder die Luft unabhängig von ihrer linearen Geschwindigkeit durch perforierte Platten geleitet !5 wird, die Öffnungen mit einem Durchmesser von 2 mm oder weniger und eine Öffnungsquerschnittsfläche von weniger als 30% der Gesamtquerschnittsfläche des Gärturms aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet diß die lineare Geschwindigkeit der zugeführten Luft auf mehr als 4 m/Sek. eingestellt wird.