DE2155631B2

DE2155631B2 - Fermentationsbehälter zur Durchführung aerober Fermentationsverfahren für die Züchtung von Einzelzellmikroorganismen

Info

Publication number: DE2155631B2
Application number: DE2155631A
Authority: DE
Inventors: John Andrew La Porte Ind. Ridgway jun.
Original assignee: Standard Oil Co 60601 Chicago Ill
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1970-11-09
Filing date: 1971-11-09
Publication date: 1981-06-04
Also published as: IT944813B; DE2155631A1; GB1369483A; DE2155631C3; JPS5239913B1; FR2113727A5; US3681200A

Description

Die Erfindung betrifft einen Fermentationsbehälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 KaIorienversorgung, als auch eine ausgewogene Ernährung im Hinblick auf den bekannten Mangel ausreichender, proteinhaltiger Nahrung in vielen Teilen der Welt Eine Möglichkeit der Schaffung der notwendigen Proteinmengen besteht darin, einzellige, Protein liefernde

ίο Mikroorganismen, wie Hefen, Bakterien und Algen, als Nahrung zu züchten.

Die Erzeugung von einzelligen Proteinmaterialien in großen Mengen kann durch Fermentationsverfahren erfolgen, für die beispielsweise Kohlehydrate, Kohlen-Wasserstoffe oder oxydierte Kohlenwasserstoff materialien als Substrat verwendet werden. Eine Grundbedingung besteht darin, daß das Substratmaterial billig ist und durch den ausgewählten Mikroorganismus unmittelbar verbraucht wird, so daß die Verfahrenskosten nicht hoch sind. In gleicher Weise von Bedeutung ist die Brauchbarkeit und Verwendbarkeit des einzelligen Proteinmaterials als Nahrung oder Nahrungsbestandteil. Dies bezieht sich auch auf Geschmacks- und Geruchsmerkmale im Hinblick auf die Aufnahme durch die Bevölkerung, sowie auf Stoffwechsel- und Giftigkeitsfaktoren im Hinblick auf die Eignung des Materials für die Zugabe zur menschlichen Nahrung.

Fermentaiionsverfahren zur Erzeugung von Mikroorganismen, die brauchbares, einzelliges Proteinmaterial liefern, sind bekannt. Beispielsweise sind Hefen auf Polysacchariden gezüchtet worden, die in Sulfitablauge enthalten sind, auf den normalen Alkan-Bestandteilen eines Gasöl-Kohlenwasserstoffbrennstoffs und auf einer Mischung von oxydierten Kohlenwasserstoffen. Ebenso ist die Erzeugung 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 die Wärmeabgabe und der Sauerstoffbedarf verringert werden. Die Herstellung von einzelligem Proteinmaterial für Ernährungszwecke kann außerdem einen Extraktionsschritt erforderlich machen, um unerwünschtes, verbliebenes Subtratmaterial, wie Kohlenwasserstoffe hohen Molekulargewichtes oder langsam fermentierte, oxydierte Kohlenwasserstoffarten abzut-ennen.

so Weitere Fermentationsverfahren sind in erster Linie auf die Schaffung von Futterzusätzen 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 für die direkte Verwendung in menschlichen Nahrungsmitteln vorgesehen.

Ein sehr geeignetes Substratmaterial ist Äthanol. Es beitet vollständige Wasserlöslichkeit, befindet sich bereits in teilweise oxydiertem Zustand, ist für die Verwendung in Nahrungsmitteln an sich geeignet und bietet keine Probleme in bezug auf die Entfernung aus den erzeugten Mikroorganismenzellen. Obwohl Äthanol das Wachstum vieler Mikroorganismen behindert, kann eine große Anzahl von Bakterien und Hefen auf diesem Substrat als einziger Kohlenstoffquelle gezüchtet werden.

Die Wärmeentwicklung während des Wachstums der

Bakterien oder Hefen auf einem Kohlenwasserstoffoder Alkoholsubstrat beträgt zwischen 4400 und 6600 kcal/kg. Die Mikroorganismen wachsen mit einer annehmbaren Geschwindigkeit im allgemeinen nur oberhalb von 21⁰C und meistens bei einer Temperatur von oberhalb 49° C. Folglich ist die Temperatursteuerung ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor bei der Erzielung einer geeigneten Umwandlung des Substratmaterials in Protein über das Wachstum der Einzelzellmikroorganismen. Der Schlüssel zu einer guten u> Temperatursteuerung ist ein wirksamer Wärmeaustausch, wobei optimale Einrichtungen für die Verwendung von wirtschaftlichen Kühlmitteln, wie Wasser, Freon, flüssiges Ammoniak u. dgl., vorzusehen sind.

Es sind ein Fermentationsbehälter gemäß dem Gattungsbegriff zur Durchführung aerober Fermentationsverfahren bekannt (US-PS 34 07 069), der an den Mündungsenden der senkrechten Röhren des Rohrregisters Vorrichtungen zum Steuern des Durchflusses aufweist. Bei dem bekannten Fermentationsbehälter wird die Nährflüssigkeit zusammen mit dem gasförmigen Sauerstoffträger zugeführt und dann diese Mischung nur einmal durch ein Bett der Mikroben geleitet. Dadurch soll bei dem bekannten Fermentationsbehälter erreicht werden, daß die einlaufende Flüssigkeit in den Bereich mit der höchsten Konzentration an Mikroben eintritt, wodurch entsprechend starke Fermentierung erfolgen soll. Die Fermentation ist dabei auf den in der Flüssigkeit enthaltenen Sauerstoff beschränkt.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Fermentationsbehälter so weiterzubilden, düß eine verbesserte kontinuierliche Fermentation und damit Erzeugung von Einzelzellenmikroorganismen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, y, durch Anordnungen, um das Fermentationssubstrat in einem Teil der Röhren des Rohrregisters in einer Strömungsrichtung unter Zuführung von gasföi .nigen Sauerstoff in Bewegung zu setzen.

Dadurch, daß das Fermentationssubstrat nur in einem Teil der Röhren des Registers in einer Richtung in Bewegung gesetzt wird, strömt es in dem anderen Teil der Röhren in entgegengesetzter Richtung zurück und wird daher dauernd im Rohrregister umgewälzt, so daß die Verweilzeit im Rohrregister bei kontinuierlichem Durchsatz durch den Behälter beliebig einstellbar ist. Dabei wird unabhängig von der Durchlaufzeit der Fermentationsmasse ständig frisches Gas als Sauerstoffträger zugeführt und abgezogen, das im allgemeinen nur einmal mit der Fermentationsmasse umströmt und dann abgezogen wird. Die Fermentationsmasse kann also bei ständiger Zufuhr von Frischgas beliebit oft durch das Rohrregister umgewälzt werden. Die Fermentationsmasse wird bei gleichzeitiger Zuführung des Sauerstoffträgers in vorzugsweise etwa der Häl^fte der Rohre des Rohrregisters in einer Richtung in Bewegung gesetzt, wobei sich durch die verbleibenden Röhren zwangsläufig eine Gegenströmung in Gang setzt.

Durch das Zuführen des frischen Sauerstoffträgers in die Fermentationsmasse, jeweils bei Eintritt in die in einer Richtung durchströmten Rohre kann die Fermentationsmasse beliebig oft umgesetzt werden, während das Gas nach einem vorbestimmten Durchlaufweg abgeschieden wird. Anders als bei den bekannten Fermentatioiisbehältern erfolgt also gemäß der Erfirdung eine sehr weitgehende Fermentation der Fermentationsmasse unter ständiger Zufuhr von frischem Sauerstoff, wobei die Dauer der Fermentation beliebig ausgedehnt werden kann, und wobei gleichzeitig eine sehr genaue Führung des Ablaufs der Fermentation, insbesondere eine genaue Temperaturbeeinflussung möglich ist.

Es sind, um die Fermentationsmasse durch das Rohrregister in Gang zu setzen, mit dem Gaseinlaß eine Anzahl von Gasverteilern verbunden, die direkt i-nterhalb etwa jeden zweiten Rohres in der unteren Endkammer derart angeordnet sind, daß der austretende gasförmige Sauerstoffträger einen nach aufwärts gerichteten Flüssigkeitsstrom durch diese Rohre in Gang setzt

Es können aber auch die Mündungen jeweils einer Gruppe von Rohren mit einer stauwehrartigen RingwararV umgeben sein und in jedem der durch diese Wand abgegrenzten Räume ein Rührer od. dgl. zum Fördern des Fermentationssubstrats in die Rohre und eine mit dem Gaseinlaß verbundene Gasverteilungseinrichtung angeordnet sein. Durch die Anordnung des Rührers bei der letzteren Ausführungsform wird ein Zwangsumlauf sichergestellt. Dabei kann zusätzlich in der unteren Endkammer im mittleren Bereich unterhalb des Rohrregisters eine weitere Gaszuführung vorgesehen sein.

Vorzugsweise Weiterbildungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung wird eine neue Vorrichtung für die Züchtung von ausgewählten Mikroorganismen, wie Bakterien und Hefen, in einem kontinuierlichen Verfahren zur Erzeugung von einzelligen 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 temperaturabhängiger Vorgang, der eine wirksame Abführung der entwickelten Wärme erfordert. Das wird durch einen Rohrregister-Wärmetauscher erreicht.

Obwohl sowohl obere und untere Abführungen für die/ Fermentationsmasse möglich sind, ist eine untere Abführung vorzuziehen, da sie das Abziehen der Fermentationsmasse, die Lauge und zellförmige Mikroorganismen enthält, erleichtert. Die Fermentationsmassen-Abführleitung am Boden des Fermentationsbehälters sollte mit einem Steuerventil versehen sein, das durch eine Abtasteinrichtung so gesteuert ist, daß sie den Flüssigkeitsspiegel in der Fermentationsvorrichtung auf etwa demselben Niveau hält, !m allgemeinen sind die Flüssigkeitseinlaß- und -auslaßleitungen an gegenüberliegenden Enden des Fermentationsbehälters angeordnet. Die Substrateinlaß ■ und Massenauslaßleitungen können am selben Ende des Behälters angebracht sein, und zwar am oberen oder unteren Ende und in geeignetem Abstand.

Der Rohrabstand im Rohrregister ist so Demessen, daß ein wirksamer Umlauf des Kühlmittels möglich ist. Im Behälter können Leitbleche zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Kühlmittelstromes vorgesehen sein. Die Länge der Rohre, durch die die Fermentationsmasse strömt, muß so ausgewählt werden, daß ein übermäßiger Zeitabstand zwischen den Einleitungen frischen Sauerstoffträgers vermieden wird. Der Röhrenquerschnitt wird so bestimmt, daß ein Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugung (Wärmemenge/Volumen) und der Wärmeabfuhr (Wärmemenge/Oberfl.)

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 bevorzugt ist. Die Abmessungen des Fermentationsbehälters werden entsprechend gewählt.

Die äußere Form und Abmessung des Fermentationsbehällers sind ohne besondere Bedeutung.

Eine Belüftung ist für das Fermentationsverfahren wesentlich, jedoch ist der Punkt, an dem das Sauerstoff abgebende Gas eingeleitet wird, nicht wesentlich. Ein solches Gas, beispielsweise Luft, kann im oberen, 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 Sauerstoffquelle geschoben wird.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Möglichkeit eines großen Gasaustrittsbereiches, so daß die Austragung von Schaum auf ein Mindestmaß beschränkt wird. Es kann jedoch trotzdem zweckmäßig sein, eine Einrichtung zur Abtrennung von Schaum und zur Rückgewinnung von Flüssigkeil vorzusehen, die mit einer Leitung für eine Rückführung der Flüssigkeit zu der Fermentationsvorrichtung, geeigneterweise zusammen mit dem frischen, flüssigen Substrat verbunden ist.

Die Weite oder der Durchmesser des Behälters ist nicht entscheidend und wird nach der gewählten Anzahl der Rohre bestimmt. Die geringste Anzahl der Rohre beträgt zwei, in der Praxis jedoch etwa vier bis sechs. Die Röhrenanzahl ist nach oben hin nur durch praktische Konstruktionsüberlegungen begrenzt. Ein größerer Röhrenbereich kann beispielsweise durch einen großen Fermentationsbehälter oder durch zwei oder mehr Behälter mit der gleichen Gesamtleistung umgeben sein.

Die Temperatursteuerung innerhalb eines Bereiches von 26 bis 44°C. vorzugsweise um etwa 32°C. erfordert eine intensive Kühlung. Wenn Wasser mit ausreichend niedriger Temperatur zur Verfügung steht, kann die Kühlung einen einmaligen Wasserdurchsatz bewirkt werden. Unter anderen Umständen ist ein geschlossenes Kühlsystem vorzuziehen, beispielsweise ein Kühlsystem mit Ammoniak oder Freon als Kühlmittel.

Die Ausbeute an Mikroorganismen-Zellen im Verhältnis zu dem gebrauchten Substrat liegt im allgemeinen innerhalb des Bereiches von 65 bis 90 Gew.-%. 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 Verwendung der erfindungsgemäßen Fermentationsvorrichtung erzeugt werden können, sind in den Tabellen I und II zusammengestellt.

Tabelle I

Geeignete Bakterien
Acetobacter sp.
Arthrobacter sp.
Bacillus subtilus
Corynebacteria sp.

Micrococcus sp.
Pseudomonas sp.

Tabellen

Geeignete Hefen
Candida curvata
Candida lipolytica
Candida pulcherima
Candida utilia
Hanscnula anomala
Oidium lactia

Saccharomyces carlsbergensis
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces fragilis
Trichospornn cutaneum

Bevorzugte Mikroorganismen umfassen Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergensis, Saccharomyces fragilis und Candida utilis. Diese Mikroorganismen sind bevorzugt, weil sie bereits die behördliche Zustimmung zur Verwendung für menschliche Nahrung besitzen.

Das aerobe Wachstum der ausgewählten Mikroorganismen wird in großem Maßstab in einem kontinuierlichen, aseptischen Fermentationsverfahren durchgeführt, wobei das sterile Substrat, Nährstoffe und Sauerstoff kontinuierlich in den Fermentationsbehälter eingeleitet werden, während die Fermentationsmasse kontinuierlich abgezogen wird. Ein schnelles, exponentielles Wachstum wird durch Steuerung der Durchsatzgeschwindigkeit erzielt. Wenn der Herstellungsumfang ausreichend groß ist, kann es wünschenswert sein, eine Anzahl von Fermentationsvorrichtungen in paralleler Anordnung zu verwenden. Dadurch wird die Steuerung der Fermentation verbessert, während die Kosten bei einem Ausfall einer Fermentationsvorrichtung auf ein Mindestmaß gebracht werden. Die Fermentationsmassenabläufe können für eine weitere Behandlung zusammengefaßt werden.

Innerhalb der Fermentationszone 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 in der Fermentationsmasse durch ständige Zugabe in das wäßrige Substrat mit einer geeigneten Konzentration 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 geeigneterweise 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 Medirms wird zwischen Z5 und 6.5, vorzugsweise zwischen 3.5 und 5,5. insbesondere bei etwa 4 gehalten. Die pH-Wert-Steuerung wird durch gesteuerte Zugabe von ζ. B. Ammoniak, geeigneterweise durch Einleitung ι von Ammoniakdampf in den eintretenden komprimierten Luftstrom bewirkt.

Alle Flüssigkeitsströme werden von der Einleitung in die Fermentationsvorrichtung durch Erwärmung auf etwa 150⁰C sterilisiert. Ammoniak muß im allgemeinen i nicht sterilisiert werden. Die Luft, die vorzugsweise mit Sauerstoff angereichert ist wird komprimiert und durch Filtern über eine Reihe von kleinporigen oder menbranförmigen Glasfaserfiltem sterilisiert. 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 nicht sterilen Ströme während des Sterilisierungs-Wärmeaustausches. Ebenso sollte die Fermentationsvorrichtung bei einem über dem Atmosphärendruck 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 120° C sterilisiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Exialschnitt durch eine Ausführungsform eines Fermentationsbehälters,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Fermentationsbehälters und

F i g. 4 schematisch einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in F i g. 3.

In F i g. 1 umfaßt die Fermentierungsvorrichtung einen zylindrischen Kessel 11, der senkrecht angeordnet ist und eine untere Kühlflüssigkeitseinlaßleitung 13 aufweist. Die oberen und unteren Enden des Kessels 11 sind durch kreisförmige Röhrenplatten 14 und 15 verschlossen, die je eine Anzahl von öffnungen aufweisen zur Aufnahme der Enden von zylindrischen Rohren 16,16a usw., die sich längs durch den Kessel 11 erstrecken. Jedes Rohr ist mit den Platten 14 und 15 dicht verbunden und ermöglicht einen senkrechten Durchgang einer Fermentationsmasse zur Steuerung der Fermentationstemperatur durch Wärmeaustausch durch die Rohrwände mit der Kühlflüssigkeit im Kessel.

Das Bodenende des Kessels 11 ist durch einen halbkugelförmigen Boden 17 verschlossen, der mit einer Fermentationsmassen-Auslaßleitung 18 und einer Lufteinlaßleitung 19 versehen ist. Die Lufteinlaßleitung ist mit einer Anzahl von Gasverteilern mit Luftdüsen 20, 20a usw. versehen. Die Düsen sind unterhalb jedes zweiten Rohres angeordnet und leiten den Luftstrom nach oben zur Belüftung der Fermentationsmasse und zur Beschleunigung des Stromes dieser Masse in den Rohren 16 und damit des nach unten gerichteten Stromes in den Rohren 16a. Die Strömungsrichtungen sind durch Pfeile angezeigt.

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

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

F i g. 2 veranschaulicht eine typische Rohranordnung.

F i g. 3 zeigt einen 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 kreisförmige Rohrplatten 34 und 35 dicht angebracht. Die Platten enthalten je eine Anzahl von kreisförmigen öffnungen zur dichten Aufnahme der Enden der Rohre 36, 36a und 51, 51a, die sich in Längsrichtung des Kessels 31 erstrecken. Wie bei der

ίο Vorrichtung gemäß Fig. 1 bilden die Rohre die Einrichtung für den senkrechten Durchgang der Fermentationsmasse, während ein Wärmetausch mit der Kühlflüssigkeit erfoigt. Dadurch wird die Fermentationstemperatur gesteuert.

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

Das obere Ende des Kessels 31 ist durch einen halbkugelförmigen Boden 42 abgeschlossen, der mit der Fermentationssubstrat-Einlaßleitung 43, der Gaseinlaßleitung 47 und der Gasauslaßleitung 44, die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 45 vorgesehen ist, verbunden ist. Innerhalb des oberen Bodens 42 sind eine Anzahl von Rahmen innerhalb umlaufender, ein Polygonal bildender senkrechter Ringwände 46, 46a usw. vorgesehen, wobei jede Ringwand unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 45 endet und gegen die Rohrplatte 34 dicht abgeschlossen ist und so die Mündungen einer Anzahl von Rohren, wie 36,36a usw. einschließt Die Ringwände 46,46a usw. sind so im Abstand angeordnet daß sie etwa die Hälfte der Rohre 51,51a freilassen (siehe hierzu F i g. 4).

Innerhalb jedem der von einer polygonalen Ringwand 46 umschriebenen Raum ist eine Luftverteileinrichtung 48 vorgesehen, die mit der Gaseinlaßleitung 47 verbunden ist In der Mitte oberhalb der Luftverteileinrichtung 48 ist ein Rührer 49 vorgesehen, der über eine senkrechte Welle 50, die sich durch die Wand des Bodens 42 nach außen erstreckt mit einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung verbunden ist Im Betrieb wird die belüftete Fermentationsmasse durch die Rohre 36,36a usw., die innerhalb der Fläche der Ringwände 46 münden, durch den Rührer 49 nach unten gedruckt Die Masse läuft durch die Fermentationsvorrichtung um, indem sie an dem unteren, konischen Boden 37 vorbei und durch die Rohre 51,51a usw. nach oben strömt wie durch die Pfeile angegeben ist

Bei Beginn des Fermentationsvorganges folgt einer ersten Füllung der Fermentationsvorrichtung mit wäßrigem Substrat Ammoniak und Nährstoffen eine Einleitung einer ausgewählten Mikroorganismenkultur in das wäßrige Substrat Sodann wird Luft in die Fermentationsvorrichtung eingeblasen. Der Fermentationsbereich wird bei einer Temperatur im Bereich von 26 bis 44° C vorzugsweise bei etwa 32 bis 38"C, gehalten, während der Druck in einem Bereich von 0,14 bis 1,4 atü, vorzugsweise bei etwa 0,7 atü, gehalten wird, und so zur Aufrechterhaltung der aseptischen Bedingungen beiträgt Das anfängliche langsame Wachstum der Mikroorganismen wird nach einigen Stunden durch das schnelle, exponentiell Wachstum ersetzt das sodann in der Fermentationsvorrichtung durch Abziehen der Fermentätionsmasse 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.-°/o, vorzugsweise um etwa 2 Gew.-°/o, Zellen in der Fermentationsflüssigkeit abgezogen wird. Die Entnahme mit dieser Zellkonzentration bedingt eine durchschnittliche Verweilzeit für die Fermentationsflüssigkeit in dem Fermentationsbereich in einem Bereich von 2 bis 4 Std., vorzugsweise von 3 Std. Anders ausgedrückt, sollte die Durchsatzmenge im Bereich von 0,25 bis 0,5/h, vorzugsweise bei etwa 0,33/h, liegen.

Die entnommene Fermentationsmasse wird zu einer Trennstufe, vorzugsweise einer Zentrifuge, geleitet, durch die das Zellprodukt gewonnen wird. Die wäßrige Fermentationsflüssigkeit aus der Zentrifuge kann noch ausreichend Substrat, zusammen mit Nährstoffen und Ammoniak, für eine Rückführung enthalten. Bei 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 Wachstums von Cancida utilis unter Verwendung eines Äthanolsubstrats und einer Vorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Es wird ein senkrechter Fermentationsbehälter etwa gemäß Fig.3 verwendet, dessen Innenabmessungen 9 m Registerlänge χ 4,6 m Innendurchmesser betragen. Innerhalb des Kessels, dicht verbunden mit nicht rostenden Stahlplatten an jedem Ende des Kesselbereiches, sind 12 Rohre (9 m Länge χ 90 cm Innendurchmesser) aus einem nicht rostenden Stahl vorgesehen. Der Kessel ist mit unteren Einlaßleitungen und mit oberen Auslaßleitungen für den Kühlwasserstrom mit 15" C versehen.

Der untere Endbereich besitzt einen etwa konischen Querschnitt und besteht aus nicht rostendem Stahl, der icht mit dem Kühlkesselbereich verbunden ist und eine Maximaltiefe von 90 cm aufweist Eine axiale, untere Auslaßleitung ist zur Entnahme der Fermentationsmasse vorgesheen. Eine Luft-Zufuhrleitung ist zur Aufnahme von komprimierter Luft und einer gelösten Ammoniak-Gas-Luft-Mischung vorgesehen.

Das obere Ende besitzt einen abgeflachten, halbkugelförmigen Querschnitt, besteht ebenfalls aus nicht rostendem Stahl, ist mit dem Kühlkesselbereich dicht verbunden und besitzt eine Maximaltiefe von 1,2 m. Das obere Ende ist außermittig mit einer Gasaustrittslekung versehen. Eine Eintrittsleitung für die wäßrige Substratphase befindet sich an einer Seite des oberen Endbereiches. Der Flüssigkeitsspiegel wird in einer Höhe von 60 cm oberhalb der oberen Rohrplatte gehalten, indem der Strom der Fermentationsmasse durch den unteren Auslaß durch eine Spiegelabtasteinrichtung gesteuert wird. Innerhalb des oberen Bereiches

befindet sich eine durchgehende aufrechte Ringwand (Höhe 45 cm), die dicht mit der Rohrplatte verbunden ist und auf dieser ein Sechseck bildet, das 6 Rohre umfaßt, während eine Gruppe von 6, im Abstand voneinander angeordneten Rohren dieses Sechseck umgeben und sich direkt zu dem oberen Bereich hin öffnen. Innerhalb der Ringwand ist ein Luftverteiler angeordnet, der direkt unterhalb und in Fluchtlinie zu einem Axial-Rührwerk angebracht ist. Das Rührwerk wird über eine Welle angetrieben, die nach oben durch eine Dichtung in der oberen Wand herausragt und mit einem Motor verbunden ist.

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

H₃PO₄ (850/0)	3,24 g/l
KOH	1,28 g/l
NaOH	0,02 g/l
MgSO₄	1,30 g/l
CaCl₂ · 2 H₂O	0,48 g/l
Fe Citrat	2,0 mg/1
CuSO₄	0,10 mg/1
KJ	0,21 mg/1
MnSO₄ · H₂O	1,84 mg/1
Na₂MoO₄ · H₂O	0,41 mg/1
ZnSO₄ · 7 H₂O	1,00 mg/1

Äthanol wird mit einer anfänglichen Konzentration von 0,2 Gew.-% zugesetzt. Anfangs wird wäßriges Ammoniak als 3O°/oige Lösung zur Erzielung eines pH-Wertes von 4,0 in der Fermentationsvorrichtung zugesetzt. Eine Impf masse, die in einer Chargen-Fermentationsyorrichtung erzeugt wurde, wird zur Schaffung einer Zellenkonzentration von 0,1 g/100 ml zugefügt und bei 32,2° C 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 wird sodann begonnen und mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 033 h durchgeführt. Die Flüssigkeit wird durch die angeschlossenen Rohre durch die Wirkung des Rührers nach unten gedrückt und zurück zum oberen Bereich über die umgebenden Rohre geführt Während des Durchlaufes wird Luft in den abgetrennten Raum 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.

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.-%. Die Verdopplungszeit beträgt 22 Std. Die trockenen Zellen werden in einer Menge von 57 kg/h/m³ Fermentationsvolumen hergestellt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fermentationsbehälter zur Durchführung aerober Fermentationsverfahren für die Züchtung von Einzclzellmikroorganismen,

— mit einem zwischen Rohrwänden liegenden vertikalen Rohrregister,

— welches durch seine Rohrwände gebildete Endkammern des Behälters miteinander verbindet, und einen mittleren, um die Rohre des Registers im Behälter liegenden Kühlraum abteilt, der Zuführungen und Abführungen für eine Kühlflüssigkeit aufweist,

— wobei eine der Endkammern mit einer Zuführung für das Fermentations-Substrat und die andere mit einer Abführung für die Fermentationsmasse versehen ist, und

— wobei eine Anordnung zum Zuführen eines gasförmigen Sauersioffträgers, wie Luft, in das Fermentations-Substrat, und eine Anordnung zum Abführen von Gas aus dem Behälter vorgesehen ist,

gekennzeichnet durch Anordnungen (20, 20a,·48,49), um das Fermentations-Substrat in einem Teil der Röhren (16, 36, 36a) des Rohrregislers in einer Strömungsrichtung unter Zuführung von gasförmigem Sauerstoffträgern in Bewegung zu setzen.

2. Fermentationsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gaseinlaß (19) eine Anzahl von Gasdüsen (20, 2Oa^ verbunden sind, die direkt unterhalb jedem zweiten Rohr (16) in der unteren Endkammer derart angeordnet sind, daß der austretende gasförmige Sauerstoffträger einen nach aufwärts gerichteten Flüssigkeitsstrom durch diese Röhren (16) in Gang setzt.

3. Fermentationsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen jeweils einer Gruppe von Rohren (36, 36a,J mit einer stauwehrartigen Ringwand (46) umgeben sind, und in jedem der durch diese Wand (46) abgegrenzten Räume ein Rührer (49) zum Fördern des Fermentations-Substrats in die Rohre und eine mit dem Gaseinlaß verbundene Gasverteilungseinrichtung (48) angeordnet ist.

4. Fermentationsbehälter nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (22, 43) zur Zuführung für das Fermentations-Substrat in der oberen Endkammer des Behälters mündet.

5. Fermentationsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Röhren (16. 36, 36a) mit einer Durchströmrichtung nach unten geringer, als die Anzahl der Röhren mit Strömungsrichtung nach oben ist.

6. Fermentationsbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, d?ß die von der stauwehrartigen Ringwand (46) umgebene Rohrgruppe jeweils 4 bis 6 Rohre (36, 36a) einschließt, und die Ringwand (46,46a)e'men polygonen Grundriß aufweist.