DE2135762C3

DE2135762C3 - Verfahren zum aeroben Fermentieren und Fermentierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2135762C3
Application number: DE2135762A
Authority: DE
Inventors: Malcolm Ritchie Gibson; Frank Peter Maslen; Frank Cornelius Roesler; Stuart Raymond Leslie Smith
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1970-07-21
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1981-01-08
Also published as: PL90219B1; ES393475A1; CA959778A; DD90533A5; YU36750B; ZA714551B; CH556909A; YU190171A; DE2135762B2; NL7110036A; NL177031C; JPS5328509B1; IT1005018B; DE2135762A1; AU3145271A; GB1353008A; FR2099333A5; BE770300A; BR7104587D0; SU607555A3

Description

zirkulieren läßt und dem unteren Ende des Steigrohrs Luft und/oder Sauerstoff zuführt, um zwischen den hydrostatischen Drücken an den unteren Enden des Steigrohrs und des Fallrohrs eine Differenz zu erzeugen und dadurch das Fermentierungsmedium zwisehen den beiden Regionen mit unterschiedlichen hydrostatischen Drücken kontinuierlich zirkulieren zu lassen, wobei in der Region mit höherem hydrostatischen Druck ;in Fermentierungsmedium Laft und/ oder Sauerstoff aufgelöst wird und in der Region mit niedrigerem hydrostatischen Druck während der Fermentierung erzeugtes Kohlendioxid das Fermentierungsmedium verläßt, wobei das Verfahren eine Regulierung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Fermentierungsmediums sowie ein fortgesetztes Wachs- is turn der Mikroorganismen im Fallrohr ermöglichen soll.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man dem oberen Teil des Fallrohrs Luft und/oder Sauerstoff in einer Menge zuführt, die geringer ist als die Menge der dem Steigrohr zugeführten Luft und/oder des dem Steigrohr zugeführten Sauerstoffs.

Zweckmäßig wird überschüssige Wärme aus dem Fermentierungsmedium entfernt, indem man das Fermentierungsmedium kontinuierlich durch einen Warmeaustauscher hindurchgehen läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet zur Erzeugung von Protein oder Aminosäuren durch Züchtung von Mikroorganismen auf kohlenstoffhaltigen Substratmaterialien wie Kohlenhydra- jo ten. Kohlenwasserstoffen oder teilweise oxidierten Kohlenwassegstoffen, beispielsweise Methanol. Zweckmäßig wendet man das Verfahren bei der kontinuierlichen Fermentierung an.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung be- » steht in einer Fermentierungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Steigrohr und einem Fallrohr sowie Einrichtungen, um dem Fermentierungsmedium das kontinuierliche Zirki '.ieren zwischen dem Steigrohr und dem Fallrohr zu gestatten, wobei in der Nähe des unteren Endes oder am unteren Ende des Steigrohrs eine Einrichtung vorgesehen ist, um der Fermentierungsvorrichtung Luft und/oder Sauerstoff zuzuführen und zwischen den hydrostatischen Drücken an den unteren Enden det, Steigrohrs und des Fallrt,hrs eine Differenz zu erzeugen, die das Fermentierungsmedium kontinuierlich zwischen den beiden Regionen mit unterschiedlichen hydrostatischen Drücken zirkulieren läßt, und Mittel vorgehen sind, um Gas aus dem so oberen Teil der Fermentierungsvorrichtung entweichen zu Lssen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Einrichtung zum Zuführen von Luft und/oder Sauerstoff in den oberen T eil des Fallrohrs vorgesehen ist.

Unter Luft ist nachstehend Luft und/Oder Sauerstoff zu verstehen. Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird L uft am unteren Ende bzw. in der Nähe des unteren Endes des Steigrohrs zugeführt und steigt durch das Fermentierungsmedium (nachstehend einfach als »Medium« bezeichnet) hindurch im Steigrohr auf, das so teilweise mit Luft gefüllt ist. Da die Luft weniger dicht als das flüssige Medium ist, ist der Druck (P₁) am unteren Ende des Steigrohrs geringer als der Druck (P₂) am unteren (,5 Ende des Fallrohrs, das weniger Luft enthält. Weil das Medium zwischen rVm Steigrohr und dem Fallrohr zirkulieren kann, läßt die Differenz zwischen P, und P₁ das Medium im Steigrohr aufwärts zum Oberteil der Fermentierungsvorrichtung strömen, während ein Abwärtsstrom im Fallrohr erfolgt. Das Medium zirkuliert daher konstant zwischen einer Region hohen hydrostatischen Drucks im unteren Teil des Steigrohrs, die die Sauerstoffübertragung in das Medium hinein erleichtert, zu einer Region niederen hydrostatischen Drucks im oberen Teil des Steigrohrs, die die Kohlendioxidübertragung aus dem Medium heraus erleichtert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums wird bestimmt durch die Differenz zwischen P₁ und P,, die von der nachstehend definierten Arbeitshöhe der Fermentierungsvorrichtung und von der Geschwindigkeit, mit der dem Steigrohr Luft zugeführt wird, abhängig ist. Geeignete Arbeitshöhen der Fermentierungsvorrichtung sind abhängig von der Art der Fermentierung und vom Produktionsmaßstab.

Unter der »Arbeitshöhe« der Fermentierungsvorrichtung soll der Teil der Gesamthöhe der Fermentierungsvorrichtung verstanden werd.,, der durch das Medium eingenommen wird, wer«: d*e Fermentierungsvorrichtung in Betrieb ist.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen das Steigrohr und das Fal'rohr. die zweckmäßig zylindrisch sind, seitlich nebeneinander und sind miteinander an ihren oberen und unteren Enden durch Leitungen verbunden, wodurch der Kreislauf für die Rückführung des Mediums vollendet wird. Die Zirkulation des Mediums wird aufrechterhalten durch die mittels der unterschiedlichen Belüftung des Steigrohrs und des Fallrohrs verursachte Druckdifferenz über die untere Verbindungsleitung. Der Strom verläuft in Richtung des sich vermindernden Druckes vom unteren Ende des Fallrohrs zum unteren Ende des Steigrohrs. Dadurch wird bewirkt, daß das Medium zusammen mit dem Luftstrom, der vorzugsweise an einer oder an mehreren Stellen zusätzlich zu mindestens einer Stelle in der Nähe des unteren Endes oder am unteren Ende des Steigrohrs in das Steigrohr eingeführt wird, im Steigroh- nach oben fließt.

Das Steigrohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vertikal in mehrere, vorzugsweise zwei, Abschnitte unterteilt sein, wobei die unteren /Abschnitte jeweils eine größere Querschnittsflächo aufweisen als der unmittelbar darüber befindliche, obere Abschnitt. Im Falle von zwei Ahschnitten erfolgt die meiste Sauerstoffübertragung vom Gas zum flüssigen Medium im unteren Abschnitt.

Der größere Durchmesser des unteren Abschnitts verlängert die Verweilzeit von flüssigem Medium und Gas im unteren Abschnitt und erlaubt daher eine maximale Auflösung von Sauerstoff in dem flüssigen Medium, um die Kultur unter optimalen Wachstumsbedingungen zu halten. Es ist wichtig, daß d'eses längere Verweilen im unteren Abschnitt stattfindet, da dieser Abschnitt unter einem höheren hydrostatischen Druck gehalten wird als die oberen Abschnitte, wobei ein erhöhter hyd-ostatischer Druck die Lösungsgeschwindigkeit von Sauerstoff im Medium steigert. An einer Stelle oberhalb des unteren Abschnittes wird der Durchmesser des Steigrohrs durch Einsetzen eines Reduzierstücks in das Steigrohr oder durch eine andere Maßnahme herabgesetzt. Der obere Abschnitt des Steigrohrs, der zweckmäßig zylindrisch ist, hat einen geringeren Durchmesser als der untere Abschnitt. Im oberen Abschnitt wird die Aufwärtsgeschwindigkeit sowohl des Gases als auch des Mediums wegen

des verminderten Durchmessers gesteigert, und der Gasanteil des Gemisches aus Gas und flüssigem Medium wird stark erhöht. Die Höhe des oberen Abschnitts wird festgelegt durch den hydrostatischen Druck, der notwendig ist, um die erforderliche Auflnsungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs im unteren Abschnitt aufrechtzuerhalten, sowie durch die Zeitdauer, die im wesentlichen erforderlich 1st, um das während der Fermentierung erzeugte, metabolische Kohlendioxid zu desorbieren. Die Freisetzung des Kohlendioxids aus dem flüssigen Medium wird durch einen niedrigen hydrostatischen Druck erhöht, und die Desorptionsgeschwindigkeit ist gegen das obere Ende des Steigrohrs hin maximal. Weitere Luftmengen können dem oberen Abschnitt des Steigrohrs zugeführt werden, um eine wirksame Desorption von metabolischem Kohlendioxid herbeizuführen. Die zusätzliche Luft oder ein anderes Verdünnungsgas vermindern bereits im Steigrohr den Partiaidruck des Kohlendioxids im Gas und steigern dadurch die Treibkraft für die Desorption.

Nach diesem Verfahren kann genügend Sauerstoff aus der Luft oder aus an Sauerstoff angereicherter Luft übertragen werden, um die Kultur zu unterhalten, und es kann genügend Kohlendioxid aus dem Medium in den Gasstrom übertragen werden, um ein Vergiften der Mikroorganismen zu verhindern.

Vom oberen Ende des Steigrohrs aus tritt das Gemisch aus GaK und flüssigem Medium in eine Leitung ein, die die oberen Enden des Steigrohrs und des Fallrohrs verbindet. Die Abtrennung des Gases aus dem flüssigen Medium erfolgt längs dieser Leitung. Das flüssige Medium hat längs der Leitung eine horizontale Geschwindigkeitskomponente, und das Gas hat sowohl eine horizontale Komponente, die ihm durch den allgemeinen Strom des durch die Leitungswandungen zwangsläufig geführten Gemisches verliehen wird, als auch eine vertikale Geschwindigkeitskomponente, die ihm durch die Auftriebskräfte der einzelnen Blasen verliehen wire!. Wenn man die Strömungsgeschwindigkeit von Gas und flüssigem Medium kennt, kann an dieser Stelle ein geeigneter freier Oberflächenbezirk für die Leitung so gewählt werden, daß das Gas aus dem flüssigen Medium im wesentlichen vollständig ausgetreten ist, bevor das Medium wieder in den Oberteil des Fallrohrs eintritt, das weniger Luft enthält als das Steigrohr. Das Fallrohr befördert das flüssige Medium über eine untere Verbindungsleitung zum unteren Teil des Steigrohrs.

Der Durchmesser des Fallrohrs sollte klein sein, so daß die V^rweilzeit. verglichen mit der Verweilzeit des Mediums im Steigrohr, klein ist; er sollte jedoch nicht so klein sein, daß der durch die hohen Fluidgeschwindigkeiten im Fallrohr erzeugte Druckabfall groß wird im Vergleich zu dem Flüssigkeitsdruck, der zum Zirkulieren des Mediums zwischen den beiden Regionen verfügbar ist. Luft bzw. sauerstoffhaltige Luft wird dem Fallrohr an einer oder mehreren Stellen zugeführt, wovon sich eine Stelle in der Nähe des oberen Teils des Fallrohrs befindet. Die Luft darf nur mit einer solchen Geschwindigkeit zugesetzt werden, daß der durchschnittliche Gasanteil des im Fallrohr befindlichen Gemisches aus Gas und flüssigem Medium geringer ist als der durchschnittliche Gasanteil des im Steigrohr befindlichen Gemischs. Die dem Fallrohr zugeführte Luft kann sowohl zur Regalierang der Zirkulationsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums durch Einstellung der Differenz des hydrostatischen Drucks zwischen den unteren Enden des Steigrohrs und des Fallrohrs als auch zur Ermöglichung eines fortgesetzten Wachstums der Mikroorganismen im Fallrohr durch Schaffung einer Sauerstoffzufuhr zur

'· Kt'Ifur eingesetzt werden.

Sowohl im Steigrohr als auch im Fallrohr erfolgt ein optimaler Stoffaustausch zwischen Gas und flüssigem Medium mit Gasblasen, die einen Durchmesser zwischen 1 und 4 mm haben. Es ist zweckmäßig, daß

ίο die Zufuhreinrichtungen, die der Fermentiefungsvorrichtung Luft zuführen. Blasen mit einem Durchmesser in diesem Bereich erzeugen. Obwohl das Zusammenwachsen von Gasblasen bei Fermentierungskulturen nicht schwerwiegend ist. kann diese Erscheinung 5 herabgesetzt werden, indem man in den gemeinsamen Strömungsweg von Gas und flüssigem Medium sowohl im Steigrohr als auch im Fallrohr F.inrichtungen zum Aufbrechen von Blasen anbringt. Diese Einrichtungen küniicii Neizc, Giiici, Stangen udei Siciipiciiicii

ίο aus Metall, beispielsweise Stahl, oder Kunststoff oder irgendwelche Hindernisse sein, die eine örtliche Turbulenz verursachen. Das Aufbrechen von Blasen \vird durch hohe Geschwindigkeiten im Steigrohr erhöht.

Eine andere, weniger bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fermentierungsvorrichtung ist längs eines überwiegenden Teils ihrer Arbeitshöhe (·. ie vorstehend definiert) durch eine Trennwand in innere und äußere Abteilungen unterteilt, wobei die äußere Abteilung das die innere Abteilung umgebende Steigrohr ist und die Abteilungen an ihren oberen und unteren Enden and an mindestens einem Zwischenpunkt miteinander in Verbindung stehend ausgebildet sind.

Die Trennwand kann zweckmäßigerweise so in der Fermentierungsvorrichtung angeordnet sein, daß sich ihr unteres Ende ein wenig oberhalb der Basis der Fermentierungsvorrichtung befindet. Noch zweckmäßiger ist es, wenn sich die Trennwand durch ein Loch

in der Basis der Fermentierungsvorrichtung hindurch erstreckt und das flüssige Medium durch ein das untere Ende des Fallrohrs mit einem Wärmeaustauscher verbindendes Rohr hindurchfiießt und von dort durch eine Leitung zum unteren Ende des Steigrohrs zurückkehrt. So kann die hydrostatische Druckdifferenz, die durch die Zufuhr von Luft in das Steigrohr erzeugt wird, ausgenutzt werden, um ein Hindurchpumpen des Mediums durch den Wärmeaustauscher zu vermeiden bzw. zu umgehen.

so Steigrohr und Fallrohr haben zweckmäßig einen kreisförmigen Querschnitt. Der optimale durchmesser des Fallrohrs ist abhängig von der Art des durchzuführenden Fermentierungsverfahrens, denn dieses bestimmt die optimale Geschwindigkeit, die für das

Hindurchfließen des flüssigen Mediums durch das Fallrohr erforderlich ist, und die Geschwindigkeit variiert umgekehrt mit der Querschnittsfläche des Fallrohrs. Die minimal zulässige Geschwindigkeit hängt von der Zeitdauer ab, über die der beim Fermentieren

όο im Einzelfall eingesetzte Mikroorganismus im wesentlichen in Abwesenheit von Sauerstoff existieren kann, d. h., daß der Mikroorganismus abstirbt, wenn die Geschwindigkeit zu gering ist. Die maximal zulässige Geschwindigkeit ist abhängig von dem Ausmaß

des Druckabfalls, der an den Auslaßkanälen in der Trennwand zulässig ist (um der. Durchgang von Fluid zwischen den Abteilungen entlang der Trennwand zu gestatten), d. h., daß der Verlust an Druckgefälle an

einem Kanal um so größer ist, je größer die Geschwindigkeit des flüssigen Mediums im Fallrohr ist.

Beim Aufwärtswandern der Luftblasen durch das Steigrohr dehnen sich diese unter Bildung größerer Blaser aus, die dazu neigen, sich "nzuhäufen und im oberen Teil des Steigrohrs große »Gasmassen« zu bilden. Dies führt zur Zerstörung der Homogenität des blasigen, flüssigen Mediums und vermindert die Übertragung von Gaseil ifi das Medium hinein und aus diesem heraus. Dieses Problem kann überwunden werden, indem man abwärts fließendes, flüssiges Medium aus dem Fallrohr zum Steigrohr zurückführt, und zwar an Stellen entlang der Länge, zweckmäßig an Stellen entlang der gesamten Länge, der Trennwand. Die Auslaßkanäle in der Trennwand, durch die flüssiges Medium vom Fallrohr zum Steigrohr hindurchgeht, befinden sich zweckmäßig an Stellen, wo die aufsteigenden Blasen für eine gegebene Luftzufuhrgeschwinuigkeii einen kritischen Hohiraumanteil et
zeugt haben (Der Hohlraumanteil ist der aus (j;is bestehende Anteil des Gesamtvolumens an Fluid bei einer gegebenen Höhe.) Wenn flüssiges Medium an diesen Stellen vom Fallrohr her zugesetzt wird, vermindert sich der Hohlraumanteil, und die Aufwärtsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums im Steigrohr wird erhöht.

Die Geschwindigkeit, in der dem Steigrohr vom Fallrohr aus flüssiges Medium zugeführt wird, bestimmt den Grad der Herabsetzung des Hohlraumanteils im Steigrohr. Eine niedrige Zufuhrgeschwindigkeit .ührt zu einer entsprechend geringen Herabsetzung des Hohlraumanteils, so daß der Hohlraumanteil im Steigrohr nach nur kurzer Zeit wieder den kritischen Wert erreicht. Eine hohe Zufuhrgeschwindigkeit führt zu einem scharfen Abfall des Hohlraumanteils im Steigrohr, was zu einer Verminderung der Grenzfläche zwischen Gas und flüssigem Medium führt, die zur Sauerstoff- und Kohlendioxidübertragung verfügbar ist.

Zweckmäßig wird ein Ausgleich getroffen zwischen einer großen Anzahl von Öffnungen über die Höhe der Fermentierunesvorrichtune zwischen Steigrohr und Fallrohr, durch die dem Steigrohr jeweils eine geringe Menge von flüssigem Medium zugeführt wird, und einer kleinen Anzahl von Öffnungen, durch die dem Steigrohr jeweils eine große Menge von flüssigem Medium zugeführt wird.

Zweckmäßig sind diese Öffnungen als Ringräume aus zwei konzentrischen Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser ausgebildet, wobei das Rohr mit dem größeren Durchmesser über dem Rohr mit dem kleineren Durchmesser angeordnet ist. Die Fließgeschwindigkeit des flüssigen Mediums vom Fallrohr zum Steigrohr kann aus der Differenz zwischen der Fläche des größeren und des kleineren Rohrs und aus der linearen Geschwindigkeit des flüssigen Mediums im Fallrohr berechnet werden. Die Vorteile dieses Verfahrens sind seine mechanische Einfachheit und die Herabsetzung der Turbulenz im Fallrohr auf ein Mindestmaß. Das dem Steigrohr zugeführte, flüssige Medium kann durch Ablenkplatten, die den axialen Strom des flüssigen Mediums vom Fallrohr ganz oder teilweise in eine radiale Richtung verlagern, innig in das flüssige Medium und das Gas, die sich im Steigrohr befinden, dispergiert werden.

Man kann auch Schnäbel oder Schaufeln verwenden, um den Abwärtsstrom des im Fallrohr befindlichen, flüssigen Mediums in das Steigrohr zu richten.

Die Schnäbel bzw. Schaufeln sind Leitungen bzw. Rohre, die innerhalb des Fallrohrs angebracht sind, um das flüssige Medium abzufangen. In das Fallrohr ist jeweils ein Loch gebohrt, um den Schnabel bzw. die Schaufel in das Steigrohr eintreten zu lassen und damit ein inniges Vermischen des aus dem Schnabel bzw. der Schaufel ausgestoßenen, flüssigen Mediums mit dem im Steigrohr befindlichen blasigen, flüssigen Medium zu ermöglichen. Der Schnabel bzw. die

ίο Schaufel kann irgendeinen, günstig einen kreisförmigen. Querschnitt haben und um irgendeinen geeigneten Winkel /ur Vertikalen gebogen sein, um ein gutes Vermischen zu fördern. Rings um den Umfang des Fallrohrs kann eine Anzahl solcher Schnäbel bzw. Schaufeln angeordnet sein. Unterhalb der Ebene des Ausgangs der Schnäbel bzw. Schaufeln kann der Durchmesser des Fallrohrs mit Hilfe eines Reduzierstücks vermindert sein, um die Geschwindigkeit des flüssigen Mediums aufrechtzuerhalten.

Zur Verhütung eines übermäßigen Zusammenwachsens von Blasen, das die Stoffaustauschgeschwindigkeiten vermindern würde, können Siebeinsätze, beispielsweise aus Kunststoff- oder Stahlnetzen, in das Steigrohr eingesetzt sein, um die Blasen aufzu-

»5 brechen.

Bei dieser Ausführungsform neigen einige Blasen insbesondere die kleineren, dazu, daß sie beim Aufsteigen zum Oberteil des Steigrohrs die Oberfläche der Flüssigkeit nicht durchbrechen und daß sie in das

jo Fallrohr hinübergetragen werden. Um die Neigung der Blasen, in dieser Weise hinübergetragen zu werden, zu vermindern, kann das obere Ende der Trennwand nach auswärts abgeschrägt ausgebildet sein, zweckmäßig um am oberen Ende der Trennwand ei-

J3 nen Kegelstumpf zu bilden. Auf diese Weise wird der freie Oberflächenbezirk vergrößert, der für die Ablösung von Blasen am Oberteil der Fermentieningsvorrichtung zur Verfügung steht. Durch die Wirkung des abgeschrägten Teils der Trennwand werden zusätzliehe Blasen ausgetrennt. Blasen, die die Trennwand erreicht haben, müssen dann entlang der Unterseite Hei ahpesrhrätrtpn TpiU wandprn um rlip Ohprflärhp zu erreichen, d. h., sie müssen in einem Winkel zur Vertikalen wandern, während ihre normale Bewegung vertikal ist, und sie haben größere Möglichkeiten zum Durchbrechen der Oberfläche. Die Größe des abgeschrägten Teils am Oberteil wird durch die wahrscheinliche Größe der Blasen an der Oberfläche festgelegt, d. h., daß die Länge der abgeschrägten Seite zweckmäßig umgekehrt mit der zu erwartenden Blasengröße variiert. Die Abschrägung kann jeden Winkel zur Vertikalen einnehmen; sie kann z. B. horizontal sein, doch bildet sie zweckmäßig mit der Vertikalen einen Winkel von 45°. Um gegebenenfalls Blasen zu sammeln, die durch die Trennwand abgetrennt sind, kann der abgeschrägte Teil durch eine Anzahl von Leitungen bzw. Schächten durchdrungen sein, die sich über die Oberfläche des flüssigen Mediums in der Fermentierungsvorrichtung erstrecken und in denen große Blasen in senkrechter Richtung hinaufsteigen und rasch entweichen können. Zweckmäßig befinden sich die Schächte in gleichem Abstand voneinander rings um das obere Ende des Steigrohrs. Die Schächte können irgendeine Querschnittsgestalt haben, beispielsweise kreisförmig sein, oder sie können durch halbkreisförmige Leitbieche gebildet werden, die an den Außenrand der abgeschrägten Trennwand angegliedert sind. Die Fläche jedes Schachtes ist abhängig

von der Menge des der Fermentierungsvorrichtung zugeführten Gases und von der Anzahl der Schächte. Um das physikalische Heiübertragen von flüssigem Medium zu vermeiden, ragen die Sehächte vorzugsweise ein Stück über den allgemeinen Flüssigkeitsspiegel hinaus

Es sollte stets mindestens ein Lufteinlaß in der Nähe des unteren findes oder am unteren Ende des Steigrohrs vorhanden sein. Falls erwünscht, können jedoch ergänzende Luft- und/oder Sauerstoffeinlässe zum Steigrohr an anderen Stellen entlang dem Steigrohr vorgesehen sein. Wenn das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, können in der Wandung der Fermentierungsvorrichtung an geeigneten Stellen öffnungen für das Hinzusetzen frischer Reaktionsteilnehmer und für das Entfernen von Produkten vorgesehen sein. Wenn das kohlenstoffhaltige Substrat gasförmig ist, kann es der Fermentierungsvorrichtung flurrh Öffniinopri in der Nähe des unteren Endes oder am unteren Ende z. B. des Steigrohrs zugeführt werden, und zwar entweder mit der Luft bzw. dem Sauerstoff oder getrennt davon.

Erfindungsgemäße Fermentierungsvorrichtungen sind so gebaut, daß sie die folgenden vorteilhaften Merkmale aufweisen:

1. Die Anwendung mechanischer Rührer wird "ermieden. Das flüssige Medium wird durch aufsteigende Blasen im Steigrohr gerührt, und durch das entwickelte Druckgefälle wird eine Gesamtzirkulation aufrechterhalten, wodurch das flüssige Medium homogen gehalten wird.

2. In der Fermentierungsvorrichtung treten unterschiedliche hydrostatische Drücke auf, wobei Sauerstoff hauptsächlich in der Region mit höherem Druck absorbiert und CO₂ hauptsächlich in der Region mit niedrigerem Druck desorbiert wird.

3. Das Medium wird rasch und kontinuierlich zwischen diesen Regionen mit unterschiedlichen hydrostatischen Drücken zirkulieren gelassen, wodurch vermieden wird, daß die Mikroorganismen entweder hohen O₂- oder hohen CO₂-PartiaI-drücken in der Pnase des flüssigen Mediums ausgesetzt sind.

4. Der Strom des Mediums wird durch hydrostatische Kräfte bewegt, die dadurch geschaffen werden, daß die Fermentierungsvorrichtung in ein Steigrohr und ein Fallrohr unterteilt ist und daß dem Steigrohr beträchtlich mehr Luft zugeführt wird als dem Fallrohr.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 bis 6 veranschaulichen zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fermentierungsvorrichtung mit einem das Fallrohr umgebenden Steigrohr;

Fig. 7 veranschaulicht eine zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fermentierungsvorrichtung, bei der Steigrohr und Fallrohr seitlich nebeneinander angeordnet sind;

Fig. 8 ist ein Leitungsschema einer Anlage für die kontinuierliche Herstellung eines proteinhaltigen Nahrungsmittel-Zusatzstoffs unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Teils der Arbeitslänge einer erfindungsgemäßen Ferrnentierungsvorrichtung;

Fig. 2 ist ein Grundriß des Oberteils der Fermenfierungsvorrichtung;

Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie A-A von Fig. 1;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht des Oberteils der Fermentieiungsvorrichtung;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines Teils der Arbeitslänge einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fermentierungsvorrichtung;

Fig. 6 ist ein Querschnitt längs der Linie A-A von ίο Fig. 5;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, der bevorzugten Ausführungsforrr der Fermentierungsvorrichtung.

Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fermentierungsvorrichtung besitzt ein Steigrohr mit zylindrischen oberen bzw. unteren Abschnitten 24 bzw. 25, wobei diese Abschnitte über ein Reduzierstück 34 miteinander verbunden sind und

4 einen kleineren Durcrimesser als der untere Abschnitt 25 hat. Der obere Abschnitt 24 des Steigrohrs steht über ein oberes Verbindungsstück 29 in Verbindung mit dem oberen Ende des zylindrischen Fallrohrs 28, während der untere Abschnitt 25 über das untere Verbindungsstück 26 mit dem unteren Ende des Fallrohrs 28 in Verbindung steht. Durch Zufuhrleitungen 27 wird Luft in den unteren Abschnitt 25 eingeführt, wodurch ein kontinuierliches Zirkulieren des die Fermentierungsvorrichtung bis zur Ebene C-C füllenden Mediums verursacht wird. Es wird nicht erlaubt, daß das obere Verbindungsstück 29 vollständig mit flüssigem Medium gefüllt wird, so daß eine freie Oberfläche verbleibt, durch die Luft und Kohlendioxid aus dem Medium entweichen und durch die Öffnung 30

hindurchgehen. Über die Leitung 33 wird zusätzliche Luft in den oberen Teil des Fallrohrs 28 eingeführt. Das Medium tritt über die Leitung 37 in die Fermentierungsvorrichtung ein, während das Produkt über die Leitung 35 abgezogen wird. Zusätzliche Nährstoffe, beispielsweise Ammoniak, können tier Fermentierungsvorrichtung über die Leitung 36 zugeführt werden. Der obere Abschnitt 24 des Steigrohrs enihaii eine Reihe von Einrichiungen zum Aufbrechen von Blasen wie 38. Das Fallrohr 28 weist einen Wärmeaustauscher 31 auf.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Fermentierungsvorrichtung besitzt eine äußere, ein Steigrohr 13 einschließende, zylindrische Wandung 12 sowie ein Fallrohr 14, wobei Steigrohr und Fallrohr durch die innere Trennwand 15 voneinander getrennt sind. Die Trennwand 15 weist eine Reihe getrennter zylindrischer Abschnitte auf, wobei jeder Abschnitt einen kleineren Durchmesser als der unmittelbar darüber befindliche Abschnitt hat. An der Verbindungsstelle zwischen jedem Abschnittspaar dringen ringförmige Auslaßkanäle 16 durch die Trennwand 15. Die Abschnitte werden mittels Verstrebungen 17 relativ zueinander in Stellung gehalten.

Ablenkplatten 21 unterhalb der Auslaßkanäle 16 ermöglichen eine innige, feine Verteilung des aus dem Fallrohr 14 austretenden flüssigen Mediums in das flüssige Medium und das Gas, die sich im Steigrohr 13 befinden. An jeder Verbindungsstelle zwischen Abschnitten kann sich die Trennwand des oberen Ab-Schnitts bis unter die Verbindungsstelle erstrecken -und einen Mantel 20 bilden. Der Mantel 20 kann parallel zur Trennwand 15 liegen, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, oder er kann in einem Winkel von bei-

spielsweise 8° zur Trennwand des oberen Abschnitts nach außen erweitert sein. Verbindungsstellen, bei denen sich die Trennwand des oberen Abschnitts als erweiterter Mantel fortgesetzt, sind in den oberen Teilen der Fermentierungsvorrichtung sehr geeignet. Das Fallrohr 14 ist mit dem Steigrohr 13 mittels einer in den Zeichnungen nicht gezeigten Leitung verbunden, die vom Fallrohr 14 durch die in den Zeichnungen nicht gezeigte Basis der Fermentierungsvorrichtung zu einem in den Zeichnungen nicht gezeigten Wärmetauscher und von da durch die Basis zum Steigrohr 13 geht. Die Basis ist auch durch eine Reihe von in den Zeichnungen nicht gezeigten Zufuhreinrichtungen durchdrungen, durch die dem Steigrohr 13 Luft oder Sauerstoff zugeführt werden kann. Am oberen Ende der F ermentierungsvorrichtung sind die äußere Wandung 12 und die Trennwand 15 diagonal nach auswärts abgeschrägt, wobei der oberste Abschnitt der Trennwand 15 in einem Kegelstumpf eines Konus 22 endet, durch den Schächte 23 hindurchgehen. Die äußere Wandung 12 erstreckt sich bis zu einem bestimmten Abstand über die oberen Enden von Konus 22 und Schächten 23.

Bei der anderen, weniger bevorzugten Ausführungsform, die in den Fig. 5 und 6 gezeigt wird, ist die Trennwand 15 durchgehend, wobei sie in Abständen verjüngt ist und Abschnitte bildet, von denen jeder einen kleineren Durchmesser als der unmittelbar darüber befindliche Abschnitt hat. An der Verbindungsstelle zwischen jedem Abschnittspaar ist die Trennwand 15 durch Auslaßkanäle 18 durchdrungen, deren Seiten 19 unter Bildung von Schaufeln in das Steigrohr vorspringen.

Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung einer Fermentierungsvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 4 nimmt das Medium den Raum bis zu der Linie B-B von Fig. 4 ein. Luft wird dem Steigrohr 13 mit einer geeigneten Geschwindigkeit zugeführt, und Blasen steigen durch das Steigrohr 13 nach oben. Beim Erreichen des Konus 22 wandern kleine Blasen, die nicht ganz zur Oberfläche aufgestiegen sind, entlang der Unterseite von 22 und steigen allmählich zur Oberfläche auf, um zu entweichen, bevor sie in das Fallrohr hinübergetragen werden. Von den wenigen kleineren Blasen, die in den oberen Teil des Fallrohrs 14 hinübergetragen werden, entweichen einige durch die Oberfläche des flüssigen Mediums in 14, und einige werden im Fallrohr 14 mit hinuntergetragen. Größere Blasen ent-

^r> weichen durch die Schächte 23. Da das Steigrohr 13 mehr Blasen enthält als das Fallrohr 14, ist der Druck P₁ am unteren Ende des Steigrohrs geringer als der Druck P₂ am unteren Ende des Fallrohrs. Daher steigt das flüssige Medium in 13 aufwärts und in 14 abwärts.

Teile des abwärts strömenden Mediums werden durch Durchlaßkanäle 16, die nach unten über die Länge der Trennwand 15 verteilt sind, nach 13 zurückgeführt. Flüssiges Medium, das durch das untere Ende von 14 geht, strömt durch eine Leitung zu einem Wärmeaustauscher und wird dann zum Steigrohr zurückgeführt.

In der in Fig. 8 gezeigten Anlage gelangt ein kohlenstoffhaltiges Substrat kontinuierlich über die Leiiung I in einen Rührmischtank 2, wo es fortlaufend mit Wasser, einer stickstoffhaltigen Verbindung und anorganischen Salzen verdünnt wird, die durch die Leitung 3 eintreten, so daß sich ein wäßriges Substrat für das Fermentierungsverfahren bildet. Das im Mischtank gebildete wäßrige Substrat fließt kontinuierlich durch einen in der Zeichnung nicht gezeigten Sterilisator hindurch in die Fermentierungsvorrichtung 5, in die eine Impfkultur von Mikroorganismen eingeführt worden ist. Druckluft strömt über die Leitung 6 und das Filter 7 in die Fermentierungsvorrichtung.

Ammoniak tritt über die Leitung 8 und das Filter 9 in die Fermentierungsvorrichtung ein, während zusätzliche Luft über die Leitung 4 zugeführt wird.
In der Fermentierungsvorrichtung wird ein proteinhaltiges Produkt als Aufschlämmung gebildet, die kontinuierlich zur Zentrifuge 10 geht, von wo das feste, proteinhaltige Produkt zu einem Trockner 11 wandert, während unfermentierte Flüssigkeit zum Mischtank 2 zurückgefüNrt wird. Während des gesamten Verfahrens wird die Fermentierungsvorrichtung bei einer Temperatur von etwa 30° C gehalten.

ImTrOCknerwirddasnrntpinhnltiae PmHijIrt hpi pinpr Temperatur von 100 bis 300° C mittels HeiFiuft getrocknet, bevor es durch die Leitung 12 entfernt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

O 1 7£O I Ui Patentansprüche:

1. Verfahren zum aeroben Fermentieren eines Substrats durch Mikroorganismen, die in der Lage sind, das Substrat zum Wachstum auszunutzen, bei dem man ein aus dem Substrat und den Mikroorganismen bestehendes Fermentierungsmedium kontinuierlich durch eine ein Steigrohr und ein Fallrohr aufweisende Vorrichtung zirkulieren läßt und dem unteren Ende des Steigrohrs Luft und/ oder Sauerstoff zuführt, um zwischen den hydrostatischen Drücken an den unteren Enden des Steigrohrs und des Fallrohrs eine Differenz zu erzeugen und dadurch das Fermentierungsmedium zwischen den beiden Regionen mit unterschiedlichen hydrostatischen Drücken kontinuierlich zirkulieren zu lassen, wobei in der Region mit höherem hydrostatischen Druck im Fermentierungsmedium Luft und/oder Sauerstoff aufgelöst wird und in der Region mit niedrigerem hydruslaiischen Druck während der Fermentierung erzeugtes Kohlendioxid das Fermentierungsmedium verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß man dem oberen Teil des Fallrohrs Luft und/oder Sauerstoff in einer Menge zv'ührt, die geringer ist als die Menge der dem Steigrohr zugeführten Luft und/oder des dem Steigrohr zugeführten Sauerstoffs.

2 Fermentierungsvorrichtung zur Durchführung des V riahrens nach Anspruch 1 aus einem Steigrohr und einem Fallrohr sowie Einrichtungen, um dem Fermentierungsmedium das kontinuierliche Zirkulieren zwischen dem Steigrohr und dem Fallrohr zu gestatten, wobei in der Nähe des unteren Endes oder am unteren Ende des Steigrohrseine Einrichtung vorgesehen ist, um der Fermentierungsvorrichtung Luft und/oder Sauerstoff zuzuführen und zwischen den hydrostatischen Drücken an den unteren Enden des Steigrohrs und des Fallrohrs eine Differenz zu erzeugen, die das Fermentierungsmedium kon'·- nuierlich zwischen den beiden Regionen mit unterschiedlichen hydrostatischen Drücken zirkulieren läßt, und Mittel vorgesehen sind, um Gas aus dem oberen Teil der Fermentierungsvorrichtung entweichen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (33) zum Zuführen von Luft und/oder Sauerstoff in den oberen Teil des Fallrohrs (28) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr vertikal in zwei Abschnitte unterteilt ist. wobei der untere Abschnitt (25) eine größere Querschnittsfläche aufweist als der obere Abschnitt (24).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß sie längs eines überwiegenden Teils ihrer Arbeitshöhe durch eine Trennwand in innere und äußere Abteilungen unterteilt ist. wobei die äußere Abteilung das die innere Abteilung umgebende Steigrohr ist und die Abteilungen an ihren oberen und unteren Enden und an mindestens einem Zwischenpunkt miteinander in Verbindung stehend ausgebildet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum aeroben Fermentieren eines Substrats durch Mikroorganismen und auf eine Fermentierungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Verfahren zur mikrobiologischen Erzeugung von Protein durch Züchtung aerober Mikroorganismen auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat, beispielsweise einer Erdölfraktion oder einem davon abgeleiteten Ausgangsmaterial, zwecks Gewinnung

ίο eines hochproteinhaltigen Nahrungsmittel-Zusatzstoffs ist es erforderlich, sicherzustellen, daß während des Fermentierungsschrittes Sauerstoff mit einer geeigneten Geschwindigkeit im Fermentierungsgemisch aufgelöst wird und daß das metabolische Kohlendioxid, das während der Fermentierung erzeugt wird, die Lösung mit einer geeigneten Geschwindigkeit verläßt. Bei bekannten Verfahren wird dies im allgemeinen dadurch erreicht, daß man die Fermentierung in einer gerührten Fermentierungsvorrichtung durchführt. Die Tätigkeit des Rührers führt zum Aufbrechen vuiiGasbiaieniiider Fermentier ungbvüf richtung unter Bildung einer großen Oberfläche und erleichtert daher den Stoffaustausch sowohl von Sauerstoff als auch von Kohlendioxid, d. h. das Eintreten von

2ί Sauerstoff in die Lösung und das Austreten von Kohlendioxid aus der Lösung. Der Einsat:: eines Rührers ist jedoch mit einem sehr hohen Energieverbauch verbunden.

Die Sauerstoffübertragung in die Masse des Fer-

jo mentierungsgemisch.es kann durch einen hohen hydrostatischen Druck in der Fermentierungsvorrichtung, beispielsweise durch den Einsatz einer sehr hohen Fermentierungsvorrichtung, gesteigert werden. Während jedoch ein hoher hydrostatischer Druck die

j5 Geschwindigkeit der Übertragung von Sauerstoff in die Lösung in den unteren Teilen einer solchen hohen Fermentierungsvorrichtung steigert, hemmt ur die Geschwindigkeit der aus der L ösung heraus erfolgenden Übertragung von Koh'endifa M.

Aus der DE-PS 637728 ist ein aerobes Fe.mentierungsverfahren bekannt, bei dem man das aus dem Substrat und den Mikroorganismen bestehende Fermentierungsmedium kontinuierlich zwischen zwei Regionen zirkulieren läßt, die unterschiedliche hydrostatische Dn, ke aufweisen, wobei Luft und/oder Sauerstoff im Fermentierungsmedium in der Region mit höherem hydrostatischen Druck aufgelöst wird, während das bei der Fermentierung gebildete Kohlendioxid das Fermentierungsmedium in der Region

w mit dem niedrigeren hydrostatischen Druck verläßt. Bei diesem Verfahren wird zwischen dem unteren F.nde eines Fallrohrs und dem unteren Ende eines Steigrohrs dadurch eine Druckdifferenz erzeugt, daß unten in das Steigrohr Luft eingeführt wird. Dieses

-,i Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß wegen einer mangelnden Sauerstoffzufuhr zu dem im Fallrohr herabfließenden Fermentierungsmedium kein fortgesetztes Wachstum der Mikroorganismen im Fallrohr gewährleistet ist und daß die Zirkulationsgeschwin-

ho digkeit des Fermentierungsmediums nicht nach Wünsch reguliert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist demnach ein Verfahren zum aeroben Fermentieren eines Substrats durch Mikroorganismen, die in der Lage sind, das Substrat zum

Wachstum auszunutzen, bei dem man ein aus dem Substrat und den Mikroorganismen bestehendes Fermentierungsmedium kontinuierlich durch eine ein Steigrohr und ein Fallrohr aufweisende Vorrichtung