DE2155631A1

DE2155631A1 - Fermentationsvorrichtung

Info

Publication number: DE2155631A1
Application number: DE19712155631
Authority: DE
Inventors: John Andrew LaPorte Ind. Ridgway jun. (V.St.A.)
Original assignee: Standard Oil Co Chicago Iii VStA
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1970-11-09
Filing date: 1971-11-09
Publication date: 1972-05-10
Also published as: FR2113727A5; US3681200A; GB1369483A; IT944813B; DE2155631C3; DE2155631B2; JPS5239913B1

Description

Dr. F. Zumstein son. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenigsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein Jun.

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Permentati ölvorrichtung.

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung für eine aerobe !Fermentation zur Erzeugung von einzelligen Mikroorganismen, wie Bakterien und Hefen.

In letzter Zeit sind Überlegungen im Hinblick auf die Schaffung zusätzlicher Ernährungsmöglichkeiten für die schnell zunehmende Bevölkerung angestellt worden. Das Problem betrifft sowohl eine ausreichende Kalorienversorgung pro Kopf der Bevölkerung als auch eine ausgeglichene Ernährung, wobei insbesondere an den bekannten Mangel ausreichender, proteinhaltiger Nahrung in vielen Teilen der Welt gedabht wird. Eine Möglichkeit der Schaffung der notwendigen Proteinvorräte besteht darin, einzellige, Protein liefernde Mikroorganismen, wie Hefen, Bakterien und Algen zur Verwendung als Nahrung oder Nahrungsersatz zu züchten.

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Die Herstellung von einzelligen Proteinmaterialien (SOP) in großen Mengen kann durch. Fermentationsverfahren erfolgen, für die beispielsweise Kohlehydrate, Kohlenwasserstoffe oder oxydierte Kohlenwasserstoffmaterialien als Substrat verwendet werden. Eine Gf-rundbedingung besteht darin, daß das Substratmaterial billig ist und duroh den ausgewählten Mikroorganismus unmittelbar verbraucht wird, so daß die Verfahrenkosten nicht hoch sind. In gleicher Weise von Bedeutung ist die Brauchbarkeit und Verwendbarkeit des einzelligen Proteinrnaterials als Nahrung oder Uahrungsbestandteil. Dieser Gesichtspunkt bezieht sich auch auf Geschmacks- und Geruchsmerkmale im Hinblick auf die Aufnahme durch die Bevölkerung sowie Stoffwechsel- und Gifiigkeitsfaktoren im Hinblick auf die Eignung des Materials für die Zugabe zur menschlichen Nahrung.

Permentationsverfahren zur Herstellung von Mikroorganismen, die brauchbares, einzelliges Proteinmaterial liefern, sind bekannt. Beispielsweise sind Hefen auf Polysacchariden gezüchtet worden, die in Abfall-Sulfitlauge enthalten sind, den normalen Alkan-Bestandteilen eines Gasöl-Kohlenwasserstoffbrennstoffe und auf einer Mischung von oxydierten Kohlenwasserstoffen. Ebenso ist die Herstellung von Bakterien beschrieben worden. Die fermentation zur Herstellung von Hefen oder Bakterien umfaßt ein Oxydationsverfahren, bei dem viel Wärme entwickelt wird und das eine erhebliche Sauerstoffzufuhr und eine gute Steuerung der Fermentationstemperatur erfordert. Bevorzugte Substratsmaterialien enthalten bereits soviel wie möglich gebundenen Sauerstoff, so daß die¹ Wärmeabgabe und der Sauerstoffbedarf verringert werden. Die Herstellung von einzelligem Proteinmaterial für Ernährungszwecke kann außerdem einen Extraktionsschritt erforderlich machen, durch den die Anwesenheit von unerwünschtem, verbliebenem Substratmaterial, wie Kohlenwasserstoffe hohen Molekulargewichtes oder langsam fermentierte, oxydierte Kohlenwasserstoffarben begrenzt wird.

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Weitere Permentationsverfahren, die für die Herstellung von SCP-Material geplant oder in Benutzung.-smd, sind in erster linie auf die Schaffung von Putterzusätzen für Tiere und nur indirekt auf die Herstellung von Proteinen für die menschliche Ernährung gerichtet. Einige Mikroorganismen jedoch, vor allem bestimmte Hefen innerhalb der Gruppen der Saccharomycetoideae und Cryptococcoideae sind jedoch durch die US "Eood and Drug Administration" für die direkte Verwendung in menschlichen Nahrungsmitteln vorgesehen worden.

Ein sehr geeignetes Substratmaterial ist Äthanol. Es bietet vollständige Wasserlöslichkeit, befindel sich bereits im teilweise oxydierten Zustand, ist für die Verwendung in Nahrungsmitteln als solches geeignet und bietet keine Probleme in bezug auf die Entfernung aus den hergestellten Mikroorganismenzellen. Obwohl Äthanol das Wachstum vieler Mikroorganismen behindert, kann eine große Anzahl von Bakterien uni Hefen auf diesem Substrat als einziger Kohlenstoffquelle gezüchtet warden.

Die Wärmeentwicklung während des Wachstums der Bakterien oder Hefen auf einem Kohlenwasserstoff- oder Alkoholsubstrat beträgt zwischen 4400 und 6600 kcal/kg (8000 bis 12000 BTU/lb). Die Mikroorganismen wachsen mit einer annehmbaren Geschwindigkeit im allgemeinen nur oberhalb von 21 ⁰C (70⁰I¹) und meistens bei einer Temperatur von oberhalb 49°C (120⁰S¹). Polglich ist die Temperatursteuerung ein wichtiger wirtschaftlicher Paktor bei der Erzielung einer geeigneten Umwandlung des Substratmaterials 'in Protein über das Wachstum der Einzelzellmikroorganismen. Der Schlüssel zu einer guten Temperatursteuerung ist ein wirksamer Wärmeaustausch, wobei optimale Einrichtungen für die Verwendung von wirtschaftlichen Kühlmitteln, wie Wasser Preon,'fluesiges Ammoniak und dergl., vorzusehen sind.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine neuartige FermentationsVorrichtung für verbesserte aerobe Permentationsverfahren,

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insbesondere für die kontinuierliche Herstellung von Einzelzellmikroorganismen zu schaffen.

Weiterhin soll in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur der aeroben Fermentation durch geeignete Wärmetauschereinrichtungen, gut steuerbar sein.

Die erfindungsgemäße Fermentationsvorrichtung geht von einem Röhren-Kessel-Wärmetauscher aus, in dem das Kühlmittel durch den Kessel- oder Behälterbereich umgewälzt wird, und die Fermentations temper a tür durch Wärmeaustausch mit der Fermentationsmasse, die auf bestimmten Bahnen durch den Röhrenbereich umläuft, gesteuert wird.

Im folgenden werden beispielsweise, bevorzugte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer Röhren-Kessel-Fermentationsvorrichtung mit einer typischen Anordnung der Röhren;

Fig. 3 und 4 zeigen eine abgewandelte Vorrichtung mit Einrichtungen zur Zwangssteuerung des Verfahrenestromes.

Bei der in Fig. 1 im Querschnitt gezeigten Vorrichtung umfaßt die Fermentierungsvorrichtung einen zylindrischen Kessel 11, der senkrecht angeordnet ist und eine untere Flüssigkeitseinlaßleitung 12 und eine obere Flüssigkeitsauslaßleitung 13 entsprechend dem Kühlmittelfluß durch den Kessel aufweist. Die oberen und unteren Enden des Kessels 11 sind durch dichte, flache, kreisförmige Röhrenplatten 14 und 15 verschlossen, dio je eine Anzahl von Öffnungen aufweisen, die zur Aufnahme der Enden der zylindrischen Röhren 16,16a ucw., die sich längs durch den Kessel 11 erstrecken, vorgesehen sind. Jede Köhre ist dicht mit den Platten 14 und Vj verbunden und ermöglicht einen

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senkrechten Durchgang einer Fermentationsmasse durch die Röhren zur Bewirtung der Steuerung der Fermentationstemperatur durch Wärmeaustausch durch die Röhrenwände mit der KühlfLässigkeit, die sich in dem Kessel "befindet.

Das Bodenende des Kessels 11 ist durch einen halbkugelformigen Deckel 17 verschlossen, der mit einer Permentati onsniassen-Aualaßleitung 18 und einer Lüfteinlaßleitung 19 versehen ist. Die Lüfteinlaßleitung ist mit einer Anzahl von Gasverteilern mit Luftdüsen 20,20a usw. versehen. Die Düsen sind unterhalb jeder zweiten Röhre angeordnet und leiten den Luftstrom nach oben zur Belüftung der Fermentationsmasse und zur Beschleunigung des Stromes diestr Masse il. den Röhren 16 und folglich damit des nach unten gerichteten Stromes in den Röhren 16a. Die Strömangsrichtungen sind durch Pfeile angezeigt.

Das obere Ende des Kessels 11 ist ebenfalls durch-einen halbkugelförmigen Deokel 21 verschlossen, der mit einer Fermentations-Substrat-Einlaßleitung 22 und einer Gas-Austrittsleitung 23 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 24 versehen ist. Eine Rückführung überschüssiger Perinentationsmasse von einer nicht ge zeigten Trennvorrichtung aus kann durch Vermischen mit frischer Substratflüssigkeit, die in die Fermentati ölvorrichtung durch die Leitung 22 eintritt, erfolgen.

Bei einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung verläuft die Strömung der Formentationsmasse umgekehrt. Beispielsweise würde der Fermentationskessel gemäß Fig. 1 so betrieben, daß am Boden das Fermentationssubstrat, etwa durch die Leitung 18, eintritt und an der Oberseite, etwas durch die Leitung 22, die Fermentationsmasse abgezogen wird.

Fig. 2 zeigt einon Ausschnitt eines horizontalen, ebenen Schnittes durch den Kessel 11 und die Röhren 16,16a entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 und veranschaulicht eine typische

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Rohrenanordnmig.

Pig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform einer abgewandelten Vorrichtung mit einem zylindrischen Kessel 31, der senkrecht angeordnet und mit einer unteren Kühlmitteleinlaßleitung 32 und einer oberen Kühlmittelauslaßleitung 33 versehen ist. An den oberen und unteren Enden des Kessels 31 sind flache, kreisförmige Röhrenplatten 34 und 35 dicht angebracht. Die Platten enthalten je eine Anzahl von kreisförmigen Öffnungen, die der dichten Aufnahme der Enden der zylindrißchen Röhren ;6>36a und 51,31a dienen, die sich in Längsrichtung des Kessels 31 erstrecken. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. bilden die Röhreu die Einrichtung für den senkrechten Durchgang der Fermentationsmasse, während der V/ärmetausch mit der Kühlflüssigkeit erfolgt, die in dem Kessel enthalten ist. Dadurch wird die Permentationstemperatur gesteuert.

Das untere Ende des Kessels 31 ist durch einen konischen Deckel 37 verschlossen, der mit einer Fprnientationsmassen-Auslaßleitung 38 und einer Lufteinlaßleitung 39 versehen ist. Der Ausfluß aus der Auslaßleitung 38 wird durch das Ventil 41 gesteuert, das so betätigt wird, daß der Flüssigkeitsspiegel 45 im wesentlichen konstant bleibt. Die Lufteinlaßleitung 39 erstreckt sich nach innen zu einem Gasverteiler mit Luftdüaen 40, die in der Mitte des Deckels 37 angeordnet sind.

Das obere Ende des Kessels 31 ist durch einen halbkugelförraigen Deckel 42 abgeschlossen, der mit der Permentationssubstrat-Einlaßleitung 43, der Gaseinlaßleitung 47 und der Gasauslaßleitung 44, die oberhalb des Flussigkeitsspiegels 45 vorgesehen ist, verbunden ist. Innerhalb des oberen Deckels 42 sind eine Anzahl von Abteilungen innerhalb umlaufender, ein Polygonal bildender,senkrechter Stauwehre 46, 46a usw. vorgesehen, wobei jedes Stauwehr unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 45 endet und

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gegenüber der Röhrenplatte 34 dicht abgeschlossen ist und so eine Anzahl von Röhren, wie 36,36a usw., innerhall) des Polygonalumfanges der Stauwehre einschließt. Die Stauwehre 46,46a usw. sind so im Abstand angeordnet, daß sie etwa die Hälfte der Röhren 51_}51a freilassen und jeden beschriebenen senkrechten Abschnitt durch ein Stauwehr umgeben.

Innerhalb jeder der von einem polygonalen Stauwehr 46 umschriebenen Abteilung ist eine Luftdüseneinrichtung 48 vorgesehen, die mit der Gaseinlaßleitung 47 verbunden ist. In der Mitte oberhalb der Luftdüseneinrichtun.'s 43 ist in der Abteilung ein Turbinenrührer 49 vorgesehen, der über eine senkrechte Welle 50, die sich durch die Wand des Deckels 42 na-^h außen erstreckt, mit einer nicht anzeigten Antriebseinrichtung verbunden ist. Im Betrieb wird die belüftete Fermentationsmasse durch die Röhren 36,36a usvi., die sich innerhalb der Fläche der Stauwehre 46 befinden, durch den Rudrer 49 nach un+en gedrückt. Die Masse läuft durch die Fermentationsvorrichtung um, indem sie an dem unteren, konischen Deckel 37 vorbei und durch die Röhren 51, 51a usw. nach oben strömt, wie durch die Pfeile angegeben ist.

Fig. 4 zeigt einen Horizontalschnitt einer Röhrenanordnung entlang der linie 4-4 der Fig. 3, insbesondere die Röhrenanordnung und die polygonale Form der Stauwehre 46 und die relative Lage der Röhren 36,36a,51 und 51a.

Durch die Erfindung wird eine neue Vorrichtung für die Züchtung von ausgewählten Mikroorganismen,wie Bakterien und Hefen, in einem kontinuierlichen Verfahren zur Herstellung von einzelligem Proteinmaterial, das zum Gebrauch als Nahrungsmittel, Nahrungsmittelbestandteil oder Zusatz für menschlichen Gebrauch geeignet ist, geschaffen. Die Züchtung der ausgewählten Bakterien und Hefen durch Fermentation von Kohlenwasserstoff-, Polysaccharid- oder Alkoholsubstraten umfaßt eine Oxydierungsreaktion, die extreme Wärmemengen freisetzt. Die Fermentation ist ein tempera-

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turabhängiger Vorgang, der eine wirksame Abführung der entwickelten Wärme erfordert. Das wird durch einen Rb'hrenkessGl-Wärmetauscher erreicht.

Ausgewählte, bevorzugte Ausführungsformen der erfindungögemäßen Vorrichtung, die keine "begrenzende Wirkung haben, sind schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und oben beschrieben. Jede dieser beispiclsweisen Ausführungsformen der Erfindung umfaßt einen senkrechten Fermentations-EoBßel, der einen Röhrenkessel-Teil und ννκ-ϊ. Deckelbereiche umfaßt. Jede Vorrichtung ist für flüssige Substrate und Sauerstoff lieferndes Gas, wie Luft, vorgesehen, uni die Ferrrnntationsmasse und das seuerntofffreie Gas werden nach dem Durchfluß" durch die Röhrenteile den Kessels abgezogen. Gas strömt im allgemeinen einmal durch, während die Fermentationsmasse in gewünschtem Ausmaße durch die Röhren- und Deckelbereicho umgewälzt werden kann. Jede Ausführungsform der erfindungsgemäßeii Vorrichtung kann auf .. in der Zeichnung nicht dargestellte Weise für die Rückleitung der Masse oder vorzugsweise für die Rückleitung überschüssiger Lauf'e nach der Trennung der Mikroorganismenzellen, beispielsweise durch Zentrifugieren, mit einem äußeren Leitungssystem versehen sein.

Obwohl obere und untere Abzugseinrichtungen für die Feruientationsmasse beschrieben worden sind, ist eine untere Abzugseinrichtung vorzuziehen, da sie das Entfernen der Fermentationsmasse, die Lauge und zellförmige Mikroorganismen enthält, erleichtert. Die Fermentationsmassen-Auslaßleitung am Boden des Fermentationskessels sollte mit einem Steuerventil versehen sein, das durch eine Abtasteinrichtung gesteuert wird, die co angeordnet ist, daß sie den Flüssigkeitsspiegel in der Fernientationsvorrichtung auf etwa demselben Niveau hält. Obwohl in allgemeinen die Flüssigkeitseinlaß- und -auslaßleitungon an gegenüberliegenden Enden des Fermentationskessels angeordnot

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sind, ist dies nicht kritisch. Die Substrateinlaß- und Massenauslaßleitungen können am selten Ende des Kessels angebracht sein, und zwar am oberen oder unteren Ende und mit geeignetem Abstand.

Innerhalb des Hauptabschnittes des Fermentationskessels wird der Röhrenabstand so bemessen, daß ein wirksamer Umlauf des Kühlmittels möglich ist. In dem Kessel können Leitbleche zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Kühlmittelstromes vorgesehen sein. Die Länge der Röhren, durch j.ie die Ferraentationsmasse strömt, muß so ausgewählt werden, daß ein übermäßiger Zeitabstand zwischen den Einleitungen frischen, Sauerstoff abgebenden Gases vermieden wird. Der Röhrenquerschnitt wird so bestimmt, daß ein Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugung (Wärmemenge/Volumen) (BTU/Vol.) und der Wärmeabfuhr (Wärmemenge/Oberfl.(BTU/Oberflächenbereich) erreicht wird. Die Anzahl der Röhren wird so gewählt, daß das gewünschte Fermentationsvolumen entsteht. Die Röhren können jede gewünschte Querschnittsform aufweisen, obwohl ein kreisförmiger Querschnitt als bevorzugt anzusehen ist. Die Abmessungen des Fermentationskessels werden so gewählt, daß die Röhren auf geeignete Art umgeben werden.

Die äußeren Abmessungen der erfindungsgemäßen Fermentierungsvorrichtung sind ohne besondere Bedeutung. Obwohl in der Zeichnung ein zylindrischer Kessel gezeigt ist, kommt jede geeignete Form für die Außenwände in Betracht. Ebenso können die End« querschnitte entsprechend der gewählten Form und den Abmessungen des Hauptabschnittes geformt sein. Beispielsweise kann eine geeignete Vorrichtung lediglich eine kleine Anzahl von Röhren umfassen. Eine Vergrößerung kann durch Hinzunahme zusätzlicher Röhren erfolgen, so daß eine Formentationsvorrichtung mit einer vergrößerten Leistungsfähigkeit durch Vergrößerung in der waagerechten Abmessung entsteht.

Eine Belüftung ist (ur das Terwentatiansverfahren wesentlich,

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- ίο -

jedoch ist der Punkt, an dom das Sauerstoff abgehende G-as eingeleitet wird, nicht wesentlich. Ein solches Gas, wie "beispielsweise Luft, kann im öfteren, unteren oder "beiden Bereichen eingeleitet werden. Im allgemeinen führt eine abwärts gerichtete Belüftung zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Gases in der Flüssigkeit. Bei einer aufwärts gerichteten Belüftung kann eine unzureichende Versorgung der Zellen in der Fermentationsmasse dadurch vermieden werden, daß weniger abwärts gerichtete, als aufwärts gerichtete Röhren vorgesehen werden, so daß die Masse vom oberen Bereich schneller nach unten zu der Säuerstoffquelle geschoben wird.

Die Gasauslaßleitung sollte stets an der oberen Seite der Vorrichtung vorgesehen sein, und es sollte vorzugsweise stets ein ausreichend großer Gasaustrittsbereich im Zusammenhang mit der Austrittsleitung vorhanden sein. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Schaffung eines großen Gas— austrittsbereiches, so daß die Austragung von Schaum auf ein Mindestmaß beschränkt wird. Es kann jedoch trotzdem wünschenswert sein, eine außerhalb angebrachte Einrichtung zur Abtrennung von Schaum und zur Rückgewinnung von Flüssigkeit vorzusehen, die mit einer Rückführleitung für eine gewünschte Rückführung der Flüssigkeit zu der Fernientati ölvorrichtung, geeigneterweise zusammen mit dem frischen, flüssigen Substrat verbunden ist.

Eine geeignete Höhe für den Kesselbereich liegt innerhalb des Bereiches von etwa 4,5 bis etwa 12 m, vorzugsweise innerhalb des Bereiches von etwa 6 bis etwa 9 m, wobei der Viert von 9 m als besonders "bevorzugt anzusehen ist. Die Weite oder der Durchmesser des Kesselbereich.es ist nicht envscheidend und wird nach der Anzahl der gewählten Röhren bestimmt. Die geringste Anzahl der Röhren beträgt zwei, in der Praxis jedoch etwa vier bis sechs. Die Röhrensahl ist nach oben hin nur durch praktische Konstruktionsüberlegungen begrenzt. Ein größerer Röhrenbereich kann beispielsweise durch einen Fertnentationskessel oder durch

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zwei oder mehrere Kessel mit der gleichen Gesamtleistung umgehen sein. Die inneren Röhren, die die umlaufende Fermentationsinasse führen, sollten, wenn sie zylindrisch sind, einen. geeigneten Durchmesser haben, um die erforderliche Wärmeaustauschfläche zu bieten. Die Röhren können im Durchmesser zwischen etwa 0,6 und 1,5 m, vorzugsweise bei etwa 0,9 m liegen.

Auf die Endquerschnitte kommt es nicht wesentlich an, jedoch erfordert eine gute technische Ausführung, daß die durch crlt jeweiligen Querschnitte umfaßten Volumen nicht übermäßig groß sind. Beispielsweise sollte der Bodenquerschnitt eine geeignete Form und eine geeignete Größe haben, um ^n alle geeigneten Gasverteilungseinrichtungen angepaßt zu sein. Per obere Querschnitt ist ebenfalls im Hinblick auf die Form nicht beschränkt und kann etwas größer im Volumen als der untere Querschnitt sein, wo die Anordnung von Rührgeräten erforderlich ist. Ferner sollte ein geeigneter Raum zur Entnahme d.es Abgases ohne unerwünschten Abzug von Schaum oder Flüssigkeit vorgesehen sein.

Die Temperatursteuerung innerhalb eines Bereiches von 26 bis 44°G (80 bis 110⁰F), vorzugsweise um etwa 32°C (90⁰F) erfordert eine intensive^ ßihlung. Wenn Wasser mit ausreichend niedriger Temperatur zur Verfugung steht, kann die Kühlung durch einen einmaligen Wasserdurchsatz durch den Kessel der Fermentationsvorrichtung bewirkt werden. Unter anderen Umständen ist ein geschlossenes Kühlsystem vorzuziehen, beispielsweise ein Kühlsystem mit Ammoniak oder Freon als Kühlmittel.

Im Hinblick auf die Auswahl der Baumaterialien für die Verwendung bei der Fermentationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sollte der Praxis der Nahrungsmittelindustrie gefolgt werden. Ein nicht rostender Stahl (Typ 304) sollte für Teile verwendet werden, die gegebenenfalls mit Nahrungsmitteln in

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Berührung kommen.

Die Ausbeute an Mikroorganismen-Zellen im Verhältnis zu dem gebrauchten Substrat liegt im allgemeinen innerhalb des Bereiches von 65 bis 90 G-ew.-^. Der maximale Zellausstoß wird bei einer Lösungs- bzw. Verdünnungsgeschwindigkeit im Bereich von 0,2 bis 0,4/h erzielt.

Typische Bakterien und Hefen, die bei dem Verfahren unter Vorwendung der erfindungsgemäßen Fermentationsvorrichtung hergestellt werden können, sind in den Tabellen I und II zusammengestellt.

Tabelle I Geeignete Bakterien für die Herstellung von einzelligen

Proteinmaterialien

Acetobaeter sp. Arthrobacter sp. Bacillus subtilus Corynebacteria sp. Mlcrococcus sp. PseudomonaB sp.

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!Tabelle II

Geeignete Hefen für die Herstellung von einzelligen Proteinmaterial·ien.

Candida curvata Candida lipolytica
' - Candida pulcherima. Candida" utilia
Hansenula anomale. Oidium lactia

Seccharomyceo carlebergensia Saccharomyces cerevisiae Saccharoinyces fragilis Trichosporon ctvtaneum

Bevorzugte Mikroorganismen umfassen Saooba.rom.yces oerevisiae, Saocharomypes carlsbergensis, Saooharomyoes fragilta und Oandida utilis. Diese Mikroorganismen sind "bevorzugt, weil sie "bereits die Zustimmung der Pood and Drug Administration zur Verwendung für menschliche Nahrung "besitzen.

Das aerobe Wachstum der ausgewählten Mikroorganismen wird in großem Maßstab in einem kontinuierlichen, aseptischen Permentationsverfahren durchgeführt, wobei das sterile Substrat, Fährstoffe und Sauerstoff kontinuierlich in den Permentationskessel eingeleitet werden, während die Fermentationsmasse kontinuierlich abgezogen wird. Ein schnelles, exponentielles Wachstum wird durch Steuerung der Lösungsgeschwindigkeit (Durch-Satzgeschwindigkeit) erzielt. Geeignete Steuereinrichtungen werden zur Aufrechterhaltung im wesentlichen konstanter Bedingungen verwendet. Wenn der Hersteilungsumfang ausreichend groß ist, kann es wünschenswert sein, eine Anzahl von lermentationsvorriohtungen in- paralleler Anordnung zu verwenden. Dadurch

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wird die Steuerung der Fermentation verbessert, während die Kosten bei einem Ausfall einer Fermentat lötvorrichtung auf ein Mindestmaß gebracht werden. Die Fermentationsabflüsse können anschließend für eine weitere Behandlung zusammengefaßt werden.

innerhalb der Fermentationsζone wird das Substrat in wäßriger Phase gehalten, und zwar mit einer Konzentration im Bereich von 50 bis 3000, vorzugsweise etwa 100 bis 500 mg/1. Anorganische Nährstoffe werden mit einer geeigneten Konzentration in der Fermentationsmasse gehalten i*.nd duroh ständige Zugabe in das wäßrige Substrat aufrechterhalten. Während des Fermentationsverfahrens wird das Substrat unter Entwicklung von Kohlendioxyd und bei Zunahme der Aktivität des Fermentationsmediums verbraucht. Gebundener Stickstoff ist wesentlich für das Wachstum der Mikroorganismen und wird der Fermentationsmasse geeigneterw'eise als wasserfreies oder wäßriges Ammoniak zugeführt. Die Zugabe des Stickstoffs in Form von Ammoniak als Alkinreagens dient ebenso zur Verringerung der Acidität der Fermentationsmasse. Der pH-Wert des Mediums wird zwischen 2,5 und 6,5» vorzugsweise zwischen 3,5 und 5,5, insbesondere bei etwa 4 gehalten. Die pH-Wert Steuerung wird durch gesteuerte Zugabe von Ammoniak, geeigneterweise duroh Einleitung von Ammoniakdampf in den eintretenden komprimierten Luftstrom bewirkt.

Alle Flüssigkeitsströme werden vor der Einleitung in die Fermentationsvorrichtung durch Erwärmung auf etwa 150⁰C (300⁰F) sterilisiert. Ammoniak muß im allgemeinen nicht sterilisiert werden. Die Luft, die vorzugsweise mit Sauerstoff angereichert ist, wird komprimiert und durch Filtern über eine Reihe von kleinporigen oder mem.iranföi-migen Glasfaserfiltemsterilisiert« Wenn die Luft mit Ammoniak vermischt wird, wird das Gasgemisch durch den Filter geleitet.

Es sollte darauf geachtet werden, daß alle sterilen, eingeleiteten Ströme unter höherem Druck stehen als die nioht-sterilen

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Ströme während des Sterilisierungp-Wärmeaustausches. Ebenso sollte die Fernientationsvorrichtung "bei einem über dem Atmosphärendruok liegenden Druck "betrieben werden, damit eine Vermischung mit nicht-sterilen Materialien vermieden wird.

Vor dem Beginn des Fermentationsvorganges sollte die gesamte Vorrichtung sterilisiert werden. Beispielsweise werden die gesamte Fermentationsvorrichtung und alle Leitungen, durch die sterile Ströme verlaufen, etwa 20 Minuten lang mit Dampf bei einer Temperatur von etwa 120⁰C (^50⁰F) sterilisiert.

Beim Beginn des Formentationsvorganges foxgt einer ersten Füllung der FermentatioTJSVorrichtung mit wäßrigem Substrat, Ammoniak und Eahrstoffbu eine Einleitung einer ausgewählten Mikroorganismenkultur in das wäßrige Substrat. Sodann wird Luft in die Fermentationsvorrichtung eingeblaren. Der Fermentationsbereich wird bei einer Temperatur im Bereich von 26 bis 44⁰C, vorzugsweise bei etwa 32 bis 38°G, gehalten, während der Druck in einem Bereich von 0,14 bis 1,4 atü (2 bis 20 psig), vorzugsweise bei etwa 0,7 atü (10 psig) gehalten wird, und so zur Aufrechterhaltung der aseptischen Bedingungen beiträgt. Das anfängliche langsame Wachstum der Mikroorganismen wird nach einigen Stunden durch das schnelle, exponentielle Wachstum ersetzt, das sodann in der Fermentationsvorrichtung durch Abziehen der Fermentationsmasse aufrechterhalten wird, die ein wäßriges Medium und suspendierte Zellen enthält und mit einem geeigneten Durchsatz zur Aufrechterhaltung einer Zellkonzentration in einem Bereich von 1,5 bis 5,0 Gew.-$, vorzugsweise um etwa 2 Gew.-^ Zellen in der Fermentationsflüssigkeit abgenommen wird. Die Entnahmerate mit dieser 3ellkonzentration sollte eine durchschnittliche Verweilzeit für die Fermentationsflüssigkeit in dem Fermentationsbereich, in einem Bereich von 2 bis 4 Std., vorzugsweise von 3 Std. bedingen. Anders ausgedrückt,sollte die Lösungsrate im Bereich von 0,25 bis 0,5/h, vorzugsweise bei etwa 0,33/h liegen.

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Die entnommene Permentationsmasse wird zu einer Trennstufe, vorzugsweise einer Zentrifuge, geleitet, durch die das Zellprodukt gewonnen wird. Die wäßrige Permentationsflüssigkeit wird aus der Zentrifuge entnommen und kann noch ausreichend Substrat, zusammen mit Nährstoffen und Ammoniak, für eine Rückführung enthalten. Bsi einem typischen Rückführvorgang sind etwa 80 Vol-$ dieses Stromes in dem kontinuierlich zugeführten Substrat nach einer geeigneten Sterilisation enthalten.

Das durch den Trennvorgang gewonnene Zellprodukt kann mit Wasser gewaschen, gepreßt und getrocknet und dem Verbrauch des Mikroorganismenmaterials zugeführt werden.

Beispiel

Das folgende Beispiel dient der Veranschaulichung des Wachstungs von Candida utilis unter Verwendung eines Äthanolsubstrats und einer Vorrichtung entsprechend einer Ausführungsf orir. der vorliegenden Erfindung.

Ein senkrechter Permentationskessel mit einem Röhren-Kessel-Querschnitt und zwei KopfBereichen wird verwendet, dessen Innenabmesnungen 9 m χ 4,6 m Innendurchmesser (50' χ 15,13') "betragen. Innerhalb des. Kessels und dicht verbunden mit nicht rostenden Stahlplatte]! an jedem Ende des Kesselbereichcjn befinden sich 12 Röhren (9 m χ 90 cm Innendurchmesser -(3O' χ 3')> die aus einem nicht rostenden Stahl (Typ 304) herßc.stcllt sind. Der Kessel ist mit unteren Einlaßleitungen und mit oberen Außlaßleitungen für den Kühlwasserstrom ^rait 1!3°0 (6O⁰P) versehen.

Der untere Endbereich "besitzt einen etwa konischen Quorisolnn tt und besteht aus nicht rostendem Stahl (Typ 304), der dijicht mit dem Kesselbereich verbunden ist und eine Maximnltiofe von 90 cm aufweist. Eine axiale. uiu.Qre AuuJ a/Vj.citmi_;';· ißt ;:ur ι'ϋί;--

BAD ORIGINAL

nähme der Fermentationsinasse vorgesehen. Eine Luft-Zufuhrleitung ist zur Aufnahme von komprimierter Luft und einer gelösten Ammoniak-Gas-Luft-Mischung vorgesehen.

Das obere Ende besitzt einen abgeflachteny halbkugelförmigen Querschnitt, besteht ebenfalls aus nicht rostendem Stahl (Typ 304), ist mit dem Kesselbereich dicht verbunden und besitzt eine MaKimaltiefe von 1,2 m. Das obere Ende ist außermittig mit einer Gasaustrittsleitung versehen. Eine Eintrittsleitung für die wäßrige Sub3tratphase befindet sich an einer Seite des oberen Endbereiches. Der Flüssigkeitsspiegel wird in einer Höhe von 60 cm oberhalb der oberen Röhrenplatte gehalten, indem der Strom der Fermentationsmasse durch den unteren Auslaß durch eine Spiegelabtasteinriohtung gesteuert wird. Innerhalb des oberen Bereiches befindet sich ein durchgehendes, aufrechtos Stauwehr (Höhe 45 cm - (18") ), das dicht mit der Röhrenplatte verbunden ist und auf dieser ein Seohseok bildet, das 6 Röhren umfaßt, während eine Gruppe von 6, im Abstand voneinander angeord4eten Röhren dieses Sechseck umgeben und sich direkt zu dem oberen Bereich hin öffnen. Innerhalb des Stauwehrs ist eine Luftverteilerdüse angeordnet, die direkt unterhalb und in Fluchtlinie zu einem Axial-Turbinenrührwerk angebracht ist. Das Rührwerk wird über eine Welle angetrieben, die naoh oben durch eine Dichtung in der oberen Wand herausragt und mit einem Motor verbunden ist.

Fach einer einleitenden Sterilisation mit Dampf wird die Fermentationsvorrichtung mit einem wäßrigen Nährmedium gefüllt, das folgende Stoffe enthält:

3.2U g./l.

KOH . ¹^²⁸

NaOH °·⁰² "

MgSO₁^ I.30 "

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CaCl₂ ■

• 2H₂O

Fe -Citratf*

CuSOj₁

KI

MftSO^ ,

• ^H2°

,.H₂O

0Λ8 "

2.00 mg./l·

0.10 "

0.21 "

1.8U "

ΟΛί "

ZnSO^ . TH₂O ' 1.00 "

Äthanol wird mit einer anfänglichen Konzt titration von 0,2 Gew.-^ (2000 ppm) zugesetzt. Anfangs wird wäßrigej Ammoniak als 30$ige Lösung zur Erzielung eines pH-Wertes von 4,0 in der Fermentationsvorrichtung zugesetzt. Eine Impfmasse, die in einer Chargen-Fermentationsvorrichtung erzeugt wurde, wird zur Schaffung einer Zellenkonzentration von 0,1 g/100 ml zugefügt und "bei 32,2⁰O (90⁰S¹) über mehrere Verdopplungszyklen wachsen gelassen. Äthanolsubstrat und Ammoniak werden soweit zugesetzt, wie es zur Aufrechterhaltung der Substratkonzentration und des pH-Wertes erforderlich ist. Die Zugabe von Nährlösung und die kontinuierliche Entnahme der Fermentationsmasse bei 32°C (90⁰P) wird sodann begonnen und mit einer Lösungsgesohwindigkeit von 0,33/h durchgeführt.Die Flüssigkeit in den abgeschirmten Abteilungen wird durch die angeschlossenen Röhren durch die Wirkung des Turbinenrührwerkes nach unten gedrückt und zurück zum oberen Bereich über die umgebenden Röhren geführt. Während des Durchlaufes wird luft in die abgetrennte Abteilung eingesprüht, wo sie sich mit dem von dem Rührwerk getriebenen Strom mischt und zum Boden und zurück zur Oberseite geführt wird, wo sie im wesentlichen verbraucht ist und austreten kann. Unter diesen Bedingungen liegt die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Durchschnitt bei etwa 8 ppm.

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Die Zellkonzentration wird fortgeführt "bis hin zu 2 g/100 ml Masse (ca. 2 Gew.-$) bei kontinuierlichem Betrieb. Der Zellenausstoß im Verhältnis zum verbrauchten Äthanol beträgt 70
Gew.-°/o. Die Verdopplungszeit beträgt 2,2 Std. Die gewonnenen, trockenen Zellen werden mit einer Rate von 0,34 Ib/hr./cu.ft. (57 kg/h/m ) Permentationsvolumen hergestellt.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung für aerobe Permentationsverfahren zur Züchtung von Einzelzellmikroorganismen, gekennzeichnet durch

(a) einen senkrecht angeordneten Permentationskesselliereich mit einem oberen Ende und einem unteren Ende;

(b) zwei flache Röhrenplatter mit je einer Anzahl von Öffnungen, die dicht am Umfang des Kesselabschnittes angebracht und horizontal am oberen und unteren Ende des Kesselabsohnittes vorgesehen sind, v/obei die Öffnungen in den oberen und unteren Röhrenplatten vertikal miteinander fluchten;

(c) eine Anzahl von senkrechten Röhien, die dicht in die Öffnungen der oberen und unteren liöhrenplatten eingefügt sind und in diesen enden;

(d) Flüssigkeitseinlasse und -auslasse im Kesselbereich

und in der Fähe des oberen und unteren Endes des Kesselbereiches zur Schaffung von kontinuierlichen Strömungsbahnen durch den Kessel;

(e) obere und untere Deckelabschnitte, die ein Volumen umfassen und dicht mit dem oberen und unteren Ende den Permentationskesselabschnittes verbunden sind;

(f) Plusπigkeitseinlasse und -auslasse im oberen und unteren Deckelbereich;

(g) Gaseinlässe : m unteren Deckelboreich;

(h) Gasverteilungseinrichtungen, die mit den Gasoinlüoneii im unteren Deckelbereich verbunden sind und

(i) Gasauslässo im oberen DeckeIbereich.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Länge des Kesserbereiches im Bereich von etwa 4>5 Ms etwa 12 m liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Gasverteilungseinriohtungen mit dem Gaseinlaß verbunden ist und direkt unterhalt» jeder zweiten Röhre angeordnet ist, so daß der aufwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom durch diese Röhren gefördert und der abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom in den übrigen Röhren erm'jg? ioht wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kesselabschnitt zumindest vier senkrechte Röhren umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Offnungbn in den Röhrenplatten kreisförmig und die senkrechten Röhren zylindrisch sind, wobei die Röhren einen Außendurchmeseer haben, der dicht in die kreisförmigen Öffnungen der Röhrenplatten eingreift.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte "Länge des Kesselabsohnittes Im Bereich von etwa 4,5 bis 12 m liegt.
7« Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der senkrechten, zylindrischen Röhren im Bereich von 0,6 bis 1,5 ι liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kesselabochnitt eine senkrechte Länge von etwa 9 m besitzt und die senkrechten, zylindrischen Röhren einen Innendurchmesser von etwa 90 cm aufweisen.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kesselabschnitt zumindest vier senkrechte, zylindrische Röhren umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Gasverteilungseinrichtungen mit dem Gaeeinlaß verbunden sind und direkt unterhalb jeder zweiten zylindrischen, senkrechten Röhre angeordnet sind.
11. Vori-johtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrecht angeordnete Kesselabschnitt einen Zylinder und kreisförmige Röhrenplatten umfaßt, wobei der Zylinder mit den kreisförmigen Röhrenplatten dicht verbunden ist.
12. Vorrichtung für aerobe Fermentationsverfahren zur Herstellung von Einzelzell-Mikroorganismen, gekennzeichnet durch

(a) einen senkrecht angeordneten Fermentationskesseiabschnitt mit oberen und unteren Enden und oberen und unteren Deokelbereiohen, die an den Enden befestigt sind;

(b) zwei flache Röhrenplatten, die je eine Anzahl von Öffnungen aufweisen und die mit dem Kesselrand dicht verbunden werden können und horizontal etwa am oberen und unteren Ende des Kesselabschnittes vorgesehen sind, wobei die Öffnungen in den oberen und unteren Röhrenplatten in vertikaler Richtung miteinander fluchten;

(o) eine Anzahl von senkrechten Röhren, die dicht in die Öffnungen der oberen und unteren Röhrenplatten eingreifen iind in diesen enden; -:

(d) flüssigkeit06in~ und -aueläsee für den Keseelab- eohnitt, di· im wesentlichen in der Nähe der unteren und oberen Enden des zylindrischen Kesselabschnittes

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vorgesehen 3ind und einen kontinuierlichen Strom durch den Kessel ermöglichen;

(e) PlusGigkeitsein- und -ausläsfje in Verbindung mit den oberen und unteren Deckerbereichen;

(f) Gaseinlässe am oberen Deckelbereich;

(g) Gasauslässe am oberen Deckelbereich;

(h) zumindest eine Mischabteilung, die an der Oberseite offen ist und innerhalb ^.es oberen Deckelbereiches oberhalb einer Gruppe von senkrechten Röhren vorgesehen ist und ein kontinuierliches, senkrechtes Stauwehr umfaßt, das dicht mit der oberen Röhrenplatte entlang einer Linie außerhalb der Gruppe der Röhren verbunden ist;

. (i) Gasverteileinrichtungen, die mit den Gaseinlässen verbunden sind und sich innerhalb und in der Hahe des Bodens der Abteilung befinden;

(j) Rühreinrichtungen, die innerhalb der Abteilung und oberhalb der Gasverteileinrichtungen vorgesehen sind;

(k) eine Welle, die axial mit der Rühreinrichtung verbunden ist und sich senkrecht durch die Wand des oberen Deckelabschnitts erstreckt; und

(l) AntriebseinrichtuiigDii,die mit der Welle außerhalb des oberen Deckelbereiches verbunden ist und das Rührwerk antreibt, so daß das Gas nach unten von der Verteileinrichtung in die Gruppe der Röhren geleitet wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Länge des Kesselabschnitteo im Bereich -von 4,5 bis 12 m liegt.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Misch.abteiLu.ngen, die etwa die Hälfte der Gesamtzahl der Röhren umschließen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mischabteilung oberhalb einer nebeneinander liegenden Gruppe von vier bis sechs Röhren vorgesehen ist und das Stauwehr einen polygonalen Umfang beschreibt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Gasfiir.lässe mit dem unteren Deckelbereich verbunden sind, und daß Gasverteileinrichtungen mittig innerhalb des unteren Deckel'iereiches mit diesem verbunden sind.
1T. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenplatten kreisförmige Öffnungen aufweisen und die senkrechten Röhren zylindrisch sind, wobei die Öffnungen den äußtren Durohmesser der senkrechten, zylindrischen Röhren dicht utafaßt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Mischabteilungen, die im Abstand zueinander liegen und etwa die Hälfte der G esamtzahl der Röhren umfassen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17> dadurch gekennzeichnet, daß je.de Mischabteilung oberhalb einer Gruppe von vier bis sechs nebeneinander liegenden Röhren liegt.und einen polygonalen Umfang auf der Röhrenplatte beschreibt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, da? jede Mischabteilung oberhalb einer Gruppe von sechs nebeneinander liegenden Röhren vorgesehen ist und einen hexagonalen Umfang aufweist.

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21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Länge des Kesselabschnitts im Bereich von etwa 4,5 "bis etwa 12 m liegt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Röhren einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,6 bis 1,5 m haben.
27). Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Rötiren etwa 9 m lang sind und einen Durchmesser von etwa 0,9 m aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch, gekennzeichnet, daß der senkrecht angeordnete Fermentationskesselabschnitt einen Zylinder und kreisförmige Röhrenplatte!, umfaßt, wobei der Zylinder mit den Röhrenplatten dicht verbunden ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch einen konischen unteren Deckelbereich mit einem ITüssigkeitsauslaß, der axial mit diesem verbunden ist.

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