DE2454443A1

DE2454443A1 - Verfahren und vorrichtung zur fermentativen umsetzung eines naehrstoffgemisches mittels mikroorganismen

Info

Publication number: DE2454443A1
Application number: DE19742454443
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Chem Dr Faust; Rudolf Dipl Ing Knecht; Wolfgang Lautenschlaeger; Wilhelm Wengeler
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1974-11-16
Filing date: 1974-11-16
Publication date: 1976-05-20
Also published as: JPS51104084A; DE2454443B2; GB1526758A; NL7513238A; DE2454443C3; SU662018A3; JPS6117464B2

Description

FRIEDRICH UHDE GMBH DORTMUND ,-,,,«.

Eigenes Zeichen: Io o22

Verfahren und Vorrichtung zur fermentativen Umsetzung eines Nährstoffgemisches mittels Mikroorganismen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur fermentativen Umsetzung eines Nährstoffgemisches mittels Mikroorganismen unter Anwesenheit eines sauerstoffenthaltenden Gases. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden eingesetzt zur Erzeugung von Proteinen.

Bei derartigen Verfahren ist es erforderlich,einen hohen effektiven Sauerstoffeintrag in das Nährstoffgemisch zu erzielen, da im gleichen Verhältnis Anlagen-Aufwand und Betriebskosten in bezug auf die gewonnene Proteinmenge entsprechend gesenkt werden.

Bekanntlich werden in Verfahren zur fermentativen Umsetzung von Nährstoffgemischen, die im wesentlichen in wässriger Phase mit einem Wassergehalt von 90 % und mehr vorliegen, Mikroorganismen eingesetzt. Der für die fermentative Umsetzung notwendige Sauerstoff wird in Form von Luft zugegeben. Der Ablauf der Fermentation ist im wesentlichen abhängig von der Verteilung, d.h. der Umwälzung und Durchmischung aller Reaktionspartner und der Diffusion derselben durch die Phasengrenzflächen. Man ist bestrebt, eine hohe Transferrate einzuhalten bzw. zu erreichen. Bei der Fermentation muß ein bestimmter Temperaturbereich als beste. Wachstumstemperatur eingehalten werden.

Nährstoffgemische enthalten die für die Erzeugung von Proteinen notwendigen Elemente in Form von chemischen Verbindungen, die in der eingesetzten Form wasserlöslich, emulgierbar oder dispergierbar sind.

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Als Kohlenstoffquelle kann verwendet werden:

Methanol

Äthanol,

Paraffine,

Gasöl,

Methan,

Glucose und andere Zucker,

Stärke,

Cellulose

Als Stickstoffquelle dient:

NH

HNO₇. und seine Salze,

Harnstoff,

Hydrazin

An anorganischen Substraten können dem Nährstoffgemisch zugefügt werden:

H₃PO₄ )

H₂SO₄ j

NaOH ) sowie deren Salze

KOH ?

Ca(OH)₂ )

Darüber hinaus wird das Nährstoffgemisch noch mit Spurenelementen wie:

MgSO₄

PeSO₄
und/oder ZnSO₁. versetzt

An Mikroorganismen werden sowohl Bakterien der Stämme wie z.B.:

Micrococcus

Pseudomonas

Chrombacterium

Flavobacterium

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als auch Hefen der Stämme wie z.B.:

Hansenula
Torulopsis
Candida
verwendet.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen in das Nährstoffgemisch in wässriger Phase Luft über ein Verteilersystem eingeführt wird und dieses begaste Gemisch weiterhin mittels einer Rührvorrichtung intensiv durchmischt wird.

Verfahren zur Fermentation laufen in sogenannten Fermenten ab. Dies sind große Behälter oder Kolonnen, die zum größten Teil mit dem wässrigen Nährstoff gefüllt sind. Die Fermentation mit Hilfe von Mikroorganismen wird unter Zugabe von Luft oder Sauerstoff im sogenannten Submersverfahren durchgeführt, wobei die intensive Durchmischung der Reaktionskomponenten mechanisch durch Rührer, pneumatisch durch verteilte Einleitung der Luft oder in Schlaufenreaktoren mit Düsen bzw. Rohrbegasung, sogenannten Airliftfermenter, oder hydrodynamisch über Füllkörper erfolgt.

Die Fermentation in den konventionellen Rührkesseln verläuft, was Produktqualität und Wachstumseigenschaften anbetrifft, zufriedenstellend. Allerdings ist der Energieaufwand beträchtlich, da ein Großteil der durch das Rührwerk eingetragenen Energie an die Behälterwände als Wärme abgegeben wird, ohne für den Prozeß genutzt worden zu sein. Die Fermentation in den verschiedenen Ausführungen von Airliftfermentern ergibt durchweg günstigere Energieausbeuten, jedoch erbringen Airliftfermenter erst bei größeren Höhen, ca. 20 m und mehr, eine hinreichende Sauerstoffausnutzung.

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Die Fermentation in Schlaufenreaktoren mit Düsen bzw. Rohrbegasung verläuft positiv und ist im Vergleich zu anderen bekannten Permentern im allgemeinen zufriedenstellend. Es werden Umwälzungen von 100 x/h und höher erreicht. Problematisch ist hierbei das Auftreten von Schaum gerade bei höheren Proteinkonzentrationen. Damit verbunden sind gelegentliche Betriebsstörungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, bei dem zwischen der wässrigen Phase des Nährstoffgemisches und der Luft als Sauerstoffträger ein hoher Stoffübergang, d.h. eine hohe Transferrate erzielt wird und Nachteile bekannter Verfahren nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Nährstoffgemisch und das Gas in einen Phasenzustand überführt wird mit einer Dichte von weniger als 0,3·

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ein geschlossener Reaktionsbehälter mit Zu- und Ableitungen für das Nährstoffgemisch, seine Komponenten und das Produkt, eine Zu- und Ableitung für das sauerstoffenthaltende Gas und mit mindestens einer horizontal angeordneten antreibbaren Welle, die senkrecht zu ihr die Verteilervorrichtung in Art eines Schaufelrades trägt.

Erfindungswesentlich ist, daß die einzelnen Reaktionspartner des fermentativen Prozesses, nämlich Mikroorganismen, Wasser, gelöste Nährsalze und Substrat aerosolartig im Reaktorraum verteilt werden, wodurch einerseits sehr große Oberflächen erzeugt werden und außerdem die Diffusionsstrecken von und zu den Orten der biochemischen Umsetzung klein gehalten werden. Die sehr großen Oberflächen, bzw. Phasengrenzflächen sind Voraussetzung für gute Stoffübergänge und damit Erzielung einer Proteinkonzentration oberhalb bekannter Werte.

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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gegenüber herkömmlichen Verfahren bei sonst gleichen Randbedingungen, wie Nährlösungszusammensetzung, Fermentationstemperatur, pH-Wert, Luftdurchsatz und Mikroorganismen, sich eine wesentlich höhere energiespezifische Produktivität, höhere Sauerstoff ausbeute und höhere Endkonzentration ergibt, wie aus dem Beispiel ersichtlich.

Das Verfahren läßt sich sowohl im Chargenbetrieb als auch kontinuierlich durchführen. Die Drehzahl des Schaufelrades wird vorteilhaft so gewählt, daß das Gemisch fast vollständig im Gasraum verteilt ist, sich somit in der Schwebe befindet, ohne übermäßig leistungsvergeudend verwirbelt zu werden.

Im folgenden Beispiel werden Betriebsdaten und Resultate einer fermentativen Umsetzung konventioneller Art und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenübergestellt. Unter den in der Tabelle, angegebenen Bedingungen wurde eine Fermentation mit Candidahefe (Candida lipolytica) und n-Paraffin (Schnitt C-io'C-iü) ^^{n dem au}^ Fig. 3 und 4 dargestellten Apparat durchgeführt. ~

Fermenter Typ:
Füllvolumen:

Nährlösungszusammensetzung:

' Paraffinzugabe:

Fermentationstemperatur:

Rührkessel	NH₄J₂SO₄	Schaufelradfermenter	0.53 %	steril	C-limitiert, automatisch	30°
20 1	Na₂HPO₄.12H₂O	16 1	0.2 %	30°
KH₃PO₄	0.4 %
MgSO₄.7H₂O	0.02 %
KCl	0.02 %
Trockenhefe	O.O5 %
Trinkwasser
steril

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pH-Wert:

Drehzahl: Leistungsaufwand

Luftdurchsatz (Gas/Wasser, min)

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von 6.5 fallend auf 3-8, dann konstant durch automatische NH -Zugabe

1.500 Upm
kW/irr

75 Upm 7,5 kW/nr

1,0 vol/vol;min. 0,3-2,0 vol/voljmin,

Ergebnisse:

energiespezifische Produktivität:

Sauerstoffausbeute

erreichte Endkonzentration:

g/kWh
%

2,0 %

1.300 g/kWh 50 %

6,5 #

Verdopplungszeit bei einer Konzentration im Permenter von:

1	% HTS	5	h
1,	5$ HTS	11	h
2	2 HTS	20	h
3	% HTS	00
5	% HTS	OO

3,5 h 3,5 h 3,5 h 3,5 h h

Die Abluftverluste an Wasser und Substrat sind bei entsprechender Temperatur, wie aus dem geringeren Luftdurchsatz ersichtlich, nur etwa halb so groß wie bei dem eingesetzten Rührkessel.

Die Wachstumskurve in einem konventionellen Rührkessel mit vergleichbarer Dimension und identischer Steuerung und Betriebsweise, gemäß obigem Beispiel ist in Pig. I wiedergegeben. Zum Vergleich wird in Fig. 2 die Wachstumskurve nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.

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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die in Fig.. 3 gezeigte Ausführungsform besteht aus einem Reaktionsbehälter 1 mit den notwendigen Zu- und Ablauf-• stutzen 2-7 für Substrat, Nährlösung, Rücklaufwasser , NH,-Wasser bzw. Fermentationsbrühe und Mikroorganismen sowie den Stutzen 8 und 9 für Luftein- und Austritt. Ferner besitzt der Reaktionsbehälter eine horizontal gelagerte drehbare Welle 10, die senkrecht dazu angeordnete Scheiben 11 bzw. Stege trägt, an welchen die für die Verteilung des Fermentationsmediums dienenden Schaufeln befestigt sind. Zwischen den Schaufeln und der Behälterwand verbleibt nur ein geringer Spalt. Die Schaufeln 12 können radial oder in einem Winkel von +_ 2.0° zur Achse B zu C angeordnet sein. Der Vollständigkeithalber sind in Figur 3 noch die notwendigen Stutzen 13 bis 16 für Meßzwecke und 17 für die Entleerung aufgeführt.

In Fig. 4 ist die Anordnung der Schaufelräder auf der Welle zu erkennen, die im übrigen über den Übersetzungsmechanismus 18 vom Motor 19 angetrieben wird.

Ferner sind in Fig. 4 noch die in den Schaufeln 12 angebrachten Löcher bzw. Schlitze zu erkennen, die für eine bessere Durchwirb.elung sorgen.

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Claims

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Patentansprüche

fT) Verfahren zur fermentativen Umsetzung eines Nährstoffgemisches mittels Mikroorganismen unter Anwesenheit eines sauerstoffenthaltenden Gases, dadurch gekennzeichnet j dass das Nährstoffgemisch und das Gas in einen Phasenzustand überführt wird mit einer Dichte von weniger als Ölvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 gekennzeichnet, durch einen geschlossenen Reaktionsbehälter (I)₃ mit Zu- und Ablaufstutzen (2-7) für das Nährstoffgemisch, seine Komponenten und das Produkt, eine Zu- und Ableitung (8-9) für das sauerstoffenthaltende Gas und mindestens eine horizontal angeordnete antreibbare Welle (10) die senkrecht zu ihr die Verteilervorrichtung (11, 12) in Art eines Schaufelrades trägt.

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