DE2741940A1

DE2741940A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung aerober fermentationen

Info

Publication number: DE2741940A1
Application number: DE19772741940
Authority: DE
Inventors: Wenzel Dipl Ing Brenik
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1977-09-17
Filing date: 1977-09-17
Publication date: 1979-03-29
Also published as: FR2403383B1; DE2741940C2; ATA899577A; AU3991478A; BR7806067A; AU519651B2; AT358514B; FR2403383A1; ZA785264B

Description

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Vorrichtung zur Durchführung aerober Fermentationen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung aerober Fermentationen in einem Fermenter mit Einrichtungen zur Kontrolle und Regelung des Sauerstoffgehaltes im Fermenter und mit einer Abgasleitung und Zufuhrleitungen für Luft und Sauerstoff, wobei im Fermenter mindestens ein Sauerstoffmeßfühler angeordnet ist.

Zur Durchführung aerober Fermentationen werden aerobe Mikroorganismen eingesetzt, die stark sauerstoffmangelempfindlich sind. Z.B. kann bei der Herstellung von Essig aus Äthylalkohol mit Hilfe von Essigbakterien (Acetobacter Suboxydans) ein Aussetzen der Sauerstoffversorgung für die Dauer von 15 bis 6o Sek. bei Gesamtkonzentrat ionen (Summe aus Volumen % Alkohol und g/100

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cnr Essigsäure) von 11 bis 12 % einen Schädigungsgrad von bis zu 100 % hervorrufen. Das bedeutet eine Unterbrechung des Fermentationsprozesses und einen Produkt ions aus fall von ca. 2 bis J> Wochen, innerhalb der der Prozeß wieder angefahren werden muß.

Andererseits sind manche aerobe Mikroorganismen gegen reinen Sauerstoff oder zu hohe Sauerstoffkonzentrat ionen nicht resistent. Es ist daher für aerobe Fermentationen.von Bedeutung, die Sauerstoffkonzentration der Reaktionsmasse konstant innerhalb eines bestimmten Sauerstoffkonzentrationbereiches zu halten.

In der DT-OS 24 01 4^6 ist eine Apparatur beschrieben, die einen Fermenter für eine aerobe Reaktionsmasse enthält, dem Sauerstoff und/oder Luft zugeführt wird. Über einen Temperatursensor, durch den die Temperatur der Reaktionsmasse gemessen wird, kann dem Fermenter bei zu hoher Temperatur der Reaktionsmasse mehr Luft und bei zu niedriger" Temperatur weniger Luft zugeführt werden. Um die damit schwankende Sauerstoffversorgung zu stabilisieren ist im Fermenter eine Sauerstoffmeßsonde angeordnet, die eine automatische Kontrolle eines Ventils für die Sauerstoffzufuhr zum Fermenter bewirkt.

Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß beim Fermentationsprozeß, insbesondere bei der Zuleitung großer Luftmengen, eine Schaumbildung praktisch nicht zu unterdrücken ist. Dies führt zu Schwankungen der Sauerstoffkonzentration im Fermenter, somit zu einer ungenauen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration

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und demzufolge auch zu einer schwankenden Versorgung des Fermenters mit Sauerstoff. Ein optimales Wachstum der aeroben Mikroorganismen ist somit nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der bei der Durchführung aerober Fermentationen eine konstante und für das Wachstum der Mikroorganismen optimale, d.h. möglichst hohe Sauerstoffkonzentration eingehalten werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen in der Abgasleitung angeordneten weiteren Säuerstoffmeßfühler, dem ein Schwellwertschalter zugeordnet ist, gelöst.

Erfindungsgemäß gibt es nun zwei Möglichkeiten die Sauerstoffkonzentration im Fermenter zu bestimmen. Einerseits bleibt die herkömmliche Meßmethode d.h. die Ermittlung der Konzentration an einer bestimmten Stelle im Fermenter, bestehen. Andererseits kann die Sauerstoffkonzentration nunmehr auch über · den Sauerstoffgehalt im Abgas bestimmt werden. Mit Vorteil ist das Abgas nicht den lokalen Konzentrationsschwankungen unterworfen wie die durch die Schaumbildung inhomogene Reaktionsmasse. Vielmehr sind Schwankungen der Sauerstoffkonzentration im Abgas auf tatsächliche, d.h. den gesamten Fermentationsprozeß betreffende Änderungen des Sauerstoffgehaltes zurückzuführen, beispielsweise auf Luftdruckschwankungen, Ausfall der Luftversorgung oder gesteigerten Sauerstoffbedarf der aeroben Mikroorganismen.

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Somit ist es möglich, in der Reaktionsmasse eine optimale, d.h. möglichst hohe Sauerstoffkonzentration ohne Schädigung der Mikroorganismen einzuhalten. Da die Mikroorganismen nur den in der Reaktionsmasse gelösten Sauerstoff verbrauchen, ist ein möglichst hohes Sauerstoffangebot für einen beschleunigten Ablauf des Fermentationsprozesses günstig. In vorteilhafter Weise können sich neue Mikroorganismen (Bakterienstämme) bilden, die gegen höhere Sauerstoffkonzentrat ionen res istent sind und eine höhere Gärleistung bewirken. Somit wird die Chargendauer nichtkontinuierlicher Prozesse verkürzt bzw. die Ausbeute kontinuierlicher Prozesse gesteigert.

Mit Vorteil weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine mit dem weiteren Sauerstoffmeßfühler über den Schwellwertschalter in Verbindung stehende Regelschaltung auf, die auf die Differenz zwischen Meßwertsignalen und einem in einem Sollwertgeber einstellbaren Sollwert-Vorgabe-Signal anspricht und mit dem Antrieb von Stellgliedern in den Zufuhrleitungen für Sauerstoff und Luft in Verbindung steht.

Über diese erste Regelstrecke, die aus dem weiteren Säuerstoffmeßfühler, dem Schwellwertschalter und der Regelschaltung besteht, werden die Signale des in der Abgasleitung angeordneten Meßfühlers beim Überschreiten bzw. Unterschreiten eines einstellbaren Schwellwertes für den Sauerstoffgehalt von dem Schwellwertschalter in Meßwertsignale umgesetzt, einer Regel-

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schaltung zugeführt und mit einem Sollwert-Vorgabe-Signal eines Sollwertgebers verglichen. Weisen diese Signale eine Differenz auf, so werden in der Regelschaltung der Differenz der Signale entsprechende Regelsignale an die Antriebe von Stellgliedern, die in den Zufuhrleitungen für Sauerstoff und Luft angeordnet sind, gegeben, wodurch die Einstellung der Stellglieder und somit die Zufuhr von Luft und Sauerstoff korrigiert werden.

Mit Vorteil sind im Fermenter wenigstens zwei Sauerstoff meßfühler angeordnet, die einer mit der Regelschaltung in Verbindung stehenden Einrichtung zur Mittelwertbildung zugeordnet sind.

Für eine möglichst vollständige Datenerfassung ist die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration an vielen Stellen im Fermenter wünschenswert. Die Anordnung zweier oder mehrerer Sauerstoffmeßfühler im Fermenter ermöglicht die Ermittlung des Konzentra-. tionsgefälles sowie eines Durchschnittswertes für die Sauerstoffkonzentration im Fermenter. Dieser Wert wird in der erwähnten Vorrichtung zur Mittelwertbildung aus den Meßwerten der einzelnen Meßfühler herausgemittelt und der Regelschaltung zugeleitet, die in der bereits beschriebenen Weise Korrekturen in der Sauerstoff-Luftversorgung des Fermenters bewirkt. Somit enthält eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine zweite Regelstrecke, die analog zur ersten, jedoch nicht gleichzeitig mit dieser arbeitet.

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Zur Bestimmung der dem Fermenter pro Zeiteinheit zugeführten Luft- bzw. Säuerstoffmengen dienen Durchflußmeßgeräte, die den Stellgliedern in den Zufuhrleitungen bezüglich der Strömungsrichtung der Luft„bzw. des Sauerstoff vorgeschaltet sind.

Mit Vorteil besitzt eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine weitere Regelschaltung für die Erweiterung von Stellgliedbereichen, die einerseits mit den Durchflußmeßgeräten und andererseits mit den Antrieben weiterer Stellglieder in Verbindung steht, wobei jeweils eines dieser Stellglieder über eine weitere Zufuhrleitung und ein weiteres Durchflußmeßgerät mit der Zuleitung für Luft bzw. Sauerstoff in Parallelschaltung verbunden ist.

In Abhängigkeit von den Meßdaten der Durchflußmeßgeräte in den Zufuhrleitungen für Luft und Sauerstoff steuert die weitere Regelschaltung die Antriebe der weiteren Stellglieder an. Da die weiteren Stellglieder bzw. die weiteren Zufuhrleitungen parallel zur Zufuhrleitung für Sauerstoff bzw. Luft geschaltet sind, können die dem Perm enter zugeführten Sauerstoff- bzw. Luftmengen über die Förderleistung der Zufuhrleitungen für Luft oder Sauerstoff hinausgesteigert werden. Zeigt beispielsweise das Durchflußmeßgerät in der Sauerstoffzuführleitung maximalen Durchfluß an, so registriert die Regelschaltung für die Erweiterung des Stellgliedbereiches ein entsprechendes Signal des Durchflußmeßgerätes und setzt den Antrieb des in der weiteren Zufuhrleitung geschalteten Stellgliedes in Gang, wodurch zusätzlicher Sauerstoff

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dem Fermenter zugeleitet wird. Die Grundlast der Sauerstoff- bzw. Luftversorgung wird nun durch die weitere Zufuhrleitung übernommen, während die Feineinstellung weiterhin über die Stellglieder in den Zufuhrleitungen für Sauerstoff bzw. Luft erfolgt. Auf diese Weise können die zugeführten Sauerstoff- bzw. Luftmengen in weiten Bereichen verändert werden.

Mit besonderem Vorteil eignet sich die beschriebene, weitere Regelschaltung für die Notversorgung des Fermenters bei Ausfall der Luft- oder Sauerstoffzufuhr. In diesem Fall übernimmt die jeweils intakte Zufuhrleitung die SauerstoffVersorgung des Fermenters, wodurch eine ständige Sauerstoffzufuhr und damit eine konstante Sauerstoffkonzentration im Fermenter gewährleistet ist.

In vorteilhafter Weise werden als Antriebe Motoren und als Stellglieder Motorventile oder Magnetventile verwendet.

Mit Vorteil wird die beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Essig nach einem Submers- oder Fesselgärverfahren angewendet.

Die Erfindung soll nun anhand eines in einer Skizze schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden:

Einem Fermenter 1 wird über eine Zufuhrleitung 14 und ein Begasungssystem 2 ein Sauerstoff/Luftgemisch zugeleitet, das teilweise in der Reaktionsmasse gelöst und von den Mikroorganismen verbraucht wird. Das entstehende Abgas wird über Leitung 13 aus dem Fermenter abgezogen. Diese Leitung I^ ist mit einem Schwellwertschalter mit entsprechendem Sauerstoffmeßfühler 6 ausgerüstet.

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Weitere Sauerstoffmeßfühler 3, 4 sind an verschiedenen Stellen im Fermenter 1 angeordnet. Bei einer Messung der Sauerstoffkonzentration über die Meßfühler 3, k erfordert die schwankende Sauerstoffkonzentration im Fermenter eine Vorrichtung 15 zur Mittelwertbildung, in der ein für den Fermenter 1 repräsentativer Durchschnittswert der Sauerstoff konzentrat ion ermittelt v;ird. Die für den Fermentationsprozeß relevanten Daten der Vorrichtung 15 bzw. die des Schwellwertschalters werden in einer Regelschaltung 5 registriert und mit den Solldaten eines Sollwertgebers 7 verglichen. Weichen die Meßsignale über einen gewissen Toleranzbereich hinaus vom Sollwert ab, wird die Gasversorgung korrigiert. Dazu dienen getrennte Zufuhrleitungen für Luft 16 und für Sauerstoff 17, in denen jeweils Durchflußmeßgeräte 10, 11 und nachfolgend ein Stellglied 19, 20 mit zugehörigem Antrieb 8, 9 angeordnet sind. In Strömungsrichtung der zuzuführenden Gase nach den Stellgliedern 19, 20 sind die beiden Zufuhrleitungen 16, 17 an die ZufuhrIeitung 14 angeschlossen. Erfolgt die SauerstoffVersorgung aus Tanks 12 mit komprimierten Sauerstoff, ist ein Druckminderer l8 in der Leitung 17 vorgesehen.

Erfindungsgemäß dienen zur Regelung der Sauerstoffversorgung des Fermenters zwei Regelstrecken:

Regelstrecke I besteht aus dem Sauerstoffmeßfühler 6 mit zugeordnetem Schwellwertschalter sowie dem Sollwertgeber 7, der Regelschaltung 5 und den Stellgliedern 19, 20 mit Antrieben 8, 9-

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Regelstrecke II setzt sich aus den im Fermenter 1 angeordneten Sauerstoffmeßfühlern 3> 4, der Vorrichtung 15 zur Mittelwertbildung,sowie dem Sollwertgeber 7, der Regelschaltung und den Stellgliedern 19, 20 mit Antrieben 8, 9 zusammen.

Eine Regelung der Gasversorgung kann nun entweder über die Regelstrecke I oder über die Regelstrecke II vorgenommen werden. Die zur Bildung der Stellsignale erforderlichen Meßwerte werden hierzu entweder in den Sauerstoffmeßfühlern 3* 4 oder im Sauerstoffmeßfühler β mit zugeordnetem Schwellwertschalter gebildet. Eine Korrektur der Gasversorgung erfolgt nun so, daß die Antriebe 8, 9 die zugehörigen Stellglieder 19, 20 entsprechend den Stellsignalen der Regelschaltung 5 öffnen bzw. schließen und auf diese Weise das Verhältnis von Luft zu Sauerstoff bzw. die Zufuhrmengen dieser Gase regeln.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist weiterhin eine zur Zufuhrleitung 17 parallel geschaltete Leitung 24 vorgesehen, die bei Punkt 26 von Leitung 17 abzweigt und bei Punkt 2J5 wieder mit der Leitung 17 verbunden ist. In der weiteren Zufuhrleitung 24 ist ein Magnetventil 22 angeordnet, dem ein Durchflußmeßgerät 25 vorgeschaltet ist.

In der Skizze ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine weitere Zufuhrleitung 24 dargestellt. Erfindungsgemäß ist aber die Zuschaltung weiterer Zufuhrleitungen für Sauerstoff, aber auch weiterer Zufuhrleitungen für Luft möglich.

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Ist beispielsweise die Luftzufuhr gestört oder unterbunden, so steigt der Durchsatz von Sauerstoff durch Leitung an. Zeigt das Durchflußmeßgerät 11 maximalen Durchfluß an, so bewirkt die Regelschaltung 21 für die Erweiterung des Stellgliedbereiches automatisch das öffnen des Magnetventils 22 . Der Sauerstoffgrundbedarf wird nun über Leitung 24 gedeckt, während die Feinregelung der SauerstoffVersorgung weiterhin über das Stellglied 20 bzw. den Motor 9 vorgenommen wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Durchführung aerober Fermentationen in einem Fermenter mit Einrichtungen zur Kontrolle und Regelung des Sauerstoffgehaltes im Fermenter und mit einer Abgasleitung und Zufuhrleitungen für Luft und Sauerstoff, wobei im Fermenter mindestens ein Sauerstoffmeßfühler angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen in der Abgasleitung (15) angeordneten weiteren Sauerstoffmeßfühler (6), dem ein Schwellwertschalter zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem weiteren Sauerstoffmeßfühler (6) in Verbindung stehende Regelschaltung (5), die auf die Differenz zwischen Meßwertsignalen und einem in einem Sollwertgeber (7) einstellbaren Sollwert-Vorgabe-Signal anspricht und mit dem Antrieb (8, 9) von Stellgliedern (19, 20) in den Zufuhrleitungen für Luft und Sauerstoff in Verbindung steht.

J. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens zwei im Fermenter (1) angeordnete Sauerstoffmeßfühler (3, 4), die einer mit der Regelschaltung (5) in Verbindung stehenden Einrichtung (15) zur Mittelwertbildung zugeordnet sind.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch Durchflußmeßgeräte (10,11) die den Stellgliedern (19,20) in den Zufuhrleitungen (16,17) bezüglich der Strömungsrichtung der Luft bzw. des Sauerstoffs vorgeschaltet sind.

5· Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine weitere Regelschaltung (21) für die Erweiterung von Stellgliedbereichen, die einerseits mit den Durchflußmeßgeräten (10,11) und andererseits mit weiteren Stellgliedern (22) in Verbindung steht, wobei jeweils eines dieser weiteren Stellglieder (22) über eine weitere Zufuhrleitung (24) und ein weiteres Durchflußmeßgerät (25) mit einer der Zufuhrleitungen (16,17) für Luft bzw. für Sauerstoff in Parallelschaltung verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (8,9) Motoren und die Stellglieder (19,20) Motorventile sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Stellglieder (22) Magnetventile sind.

8. Anwendung der Vorrichtung auf die Herstellung von Essig nach einem Submers- oder Fesselgärverfahren.

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