DE3039874C2

DE3039874C2 - Kontinuierlicher Fermentationsreaktor und Verwendung desselben zur Ethanolgewinnung

Info

Publication number: DE3039874C2
Application number: DE3039874A
Authority: DE
Inventors: Susumu Toyonaka Osaka Fukushima; Hideaki Ibaraki Osaka Munenobu; Kazuhiro Wakayama Yamade
Original assignee: Kansai Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Kansai Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1985-08-29
Also published as: FR2482129A1; FR2482129B1; PH16807A; DE3039874A1; GB2073243A; GB2073243B; US4337315A; CA1160974A; BR8101155A

Description

Die Erfindung betrifft einen kontinuierlichen Fermentatiensreaktor und die Verwendung desselben zur Ethanolgewinnung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Fermentation, bei welcher Mikroorganismuszellen oder Katalysatorteilchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, mit einer Gasphase in Berührung kommen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kontinuierlichen oder absatzweisen Herstellung von Ethanol durch Fermentation unter Einsatz von Disaccharid, Monosaccharid oder einem Gemisch daraus als Ausgangsmaterial.

DE-OS 15 42 140 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung kontinuierlicher umsetzung zwischen flüssigen und festen und gegebenenfalls gasförmigen Reaktionsteilnehmern. Die entsprechende Vorrichtung besteht aus einer aufrecht stehenden Säule mit bodenseitigem Einlaß und oberseitigem Auslaß. Innerhalb der Säule sind an gegenüberliegenden Seiten Trennwände angebracht, die für die Reaktionsteilnehmer verengte Durchtritts-Öffnungen schaffen. Auf diese Weise wird die Säule in eine Reihe von Umsetzungszonen unterteilt

Eine ähnliche Konstruktion wie die Vorrichtung gemäß der vorstehenden Druckschrift weisen die Fermentationsreaktoren gemäß US-PS 3t 73 793 und US-PS 24 50 218 auf.

Aus US-PS 34 09 408 ist ein Reaktor für kontinuierlich geführte Reaktionen aus wenigstens zwei Reaktoreinheiten, Zuleitungen für Gase und Flüssigkeiten in der untersten Reaktoreinheit und eine Abzugsleitung am obersten Reaktor zu entnehmen.

Schließlich b; schreibt US-PS 37 43 582 einen mehrstufigen Fermentationsreaktor, der beispielsweise aus kugelförmigen Reaktoreinheiten bestehen kann.

In den japanischen Patentanmeldungen 92 774/77 und 76 564/79 wurde von einem Erfinder bereits ein Reaktor ähnlicher Art beschriebet!, bei rism zwei Konusse an der Basis miteinander verbunden sind; dieser ist nicht nur zum Immobilisieren von Enzymen und zur Oxidation mit immobilisierten Enzymen, sondern auch zur anaeroben Fermentation geeignet

Bei weiteren Untersuchungen über die großtechnische und kontinuierliche Umwandlung von Zucker in Alkohol, einem möglichen Energieersatz, wurde nun erfindungsgemäß gefunden, daß ein Mehrstufen-Bioreaktor aus vertikal verbundenen Reaktoreinheiten, von denen jeder zwei Konusse hat, die an ihrer E.C!S verbunden sind, einen sehr wirksamen kontinuierlichen Fermentationsreaktor darstellt.

Aufgabe der vorstehenden Erfindung ist es, einen Fermentationsreaktor zur Verfügung zu stellen, in welchem die Fermentationsreaktion in optimal effizienter Weise durchgeführt werden kann.

Die vorstehende Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Fermentationsreaktor gelöst, welcher aus mindestens zwei Reaktoreinheiten und Zuleitungen für Gase und Flüssigkeiten zur untersten Reaktoreinheit sowie Abzugsleitungen für Gase und Flüssigkeiten an der obersten Reaktoreinheit besteht und dadurch gekennzeichnet ist, daß sich jede Reaktoreinheit zusammensetzt aus einem offenen oberen Konus 2, der mittels eines kurzen Zylinders 1 mit einem umgekehrten offenen Bodenkonus 3 verbunden ist, wobei der Zylinder 1 einen größeren Durchmesser hat als der obere Konus 2 und der Bodenkonus 3 und etwas oberhalb des mittleren Teils ^j der Einheit angebracht ist und daß die Gasabzugsleitung 9 im Reaktorkopf 15 als Gasseparator ausgebildet ist.

so Im weiteren umfaßt die Erfindung die Verwendung des genannten Reaktors zur Herstellung von Ethanol.

Außerdem umfaßt der Fermentationsreaktor einen Gasverteiler und ein Flüssigkeitseinleitungsrohr, das mit dem untersten der Reaktoren verbunden ist, sowie ein Maischeauslaßrohr, welches mit der höchsten Reaktoreinheit verbunden ist. Gewünschtenfalls kann ein Heiz- oder Kühlmantel um den Schaft der Reaktpreinheiten angebracht sein. Der Gasverteiler hat vorzugsweise eine Gaszufuhrkammer, die mittels eines Gasverteilers von Il 55 der untersten Reaktoreinheit getrennt ist.

Der erfindungsgemäße Fermentationsreaktor kann in einem Ethanolerzeugungsverfahren angewendet werden, bei dem man von einem Saccharid, wie Glukose, Melasse aus der Zuckerraffination und Zuckersirup als Ausgangsprodukt ausgeht und in einem Fermentationsreaktor arbeitet, der wenigstens aus zwei vertikal angeordneten Reaktoreinheiten der vorstehend bespHriebenen Art aufgebaut ist. Durch Einleiten einer Gasphase aus Blasen eines Inertgases in den Reaktor durch den Gasverteiler wird eine Maische aus flüssigen Substraten und Hefezellen in sowohl Aufwärts- als auch Abwärtsströmen in jeder Stufe erzeugt, und dadurch wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitsfluß ausgebildet, der das Vermischen des darin enthaltenen Flüssigsubstrates mit der Zahl der Hefezellen in den verschiedenen Einheiten, indem sie allmählich in dem Maße abnehmen wie die Lösung zu höheren Einheiten ansteigt, bewirkt. Kohlendioxid und ein Teil des Ethanols werden aus der Flüssigphase in die inerten Gasphasen überführt, und die Gasblasen werden am Kopf des Reaktors während des Verfahrens abgelassen, wodurch das Ausfließen eines nicht gereinigten Produktes ermöglicht wird. Die Hefe wird von dem nicht gereinigten Produkt abgetrennt und die abgetrennte Lösung wird destilliert unter Bildung von Ethanol.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen gezeigt.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt eines kontinuierlichen Fermentationsreaktors, der gemäß der Erfindung gebaut ist;

F i g. 2 ist ein erläuterndes Diagramm, welches das Verhalten des Gas-FIüssig-Gemisches in dem Fermentationsreaktor zeigt;

F i g. 3 ist ein Querschnitt einer Reaktoreinheit, wie sie in dem erfindungsgemäßen Fermentationsreaktor verwendet wird; F i g. 4 ist ein Querschnitt ües erfindungsgemäßen Fermentationsreaktors zur Herstellung von Ethanol.

In F i g. 1 ist jede Reaktoreinheit mit einem oberen Konus 2 versehen, der mittels eines kurzen Zylinders 1, der etwas oberhalb des mittleren Teils der Einheit angebracht ist und der einen größeren Durchmesser als die beiden Konusse hat, mit einem umgekehrten offenen Bodenkonus 3 verbunden ist Der Boden der untersten Einheit ist mit einem Gasverteiler 4 aus einer gesinterten oder porösen Platte verbunden. Der Verteiler ist mit einer Gasversorgungskammer 7, die mit einer Gaszufuhrleitung 5 und einer Ablaßleitung 6 verbunden ist, ausgerüstet Eine oder mehrere Flüssigkeitszufuhrleitungen 8 sind tangential an einen Teil des umgekehrten Konus 3 der untersten Reaktoreinheit in der Nähe des Bodens verbunden. Der Reaktorkopf 15 des Fermentationsreaktors ist mit einer Gasabzugsleitung 9 und einer Flüssigmaischeabzugsleitung 10 verbunden. Jede Reaktoreinheit ist mit einem Kühl- oder Heizmantel 11 versehen.

Ein Flüssigsubstrat das in tangentialer Richtung auf die Wand durch die Leitung 8 der untersten Einheit zugeführt wird, bildet einen Strudel, der in der Säule der Einheit in Richtung des Pfeils A in F i g. 2 nach oben steigt In dem Maße, wie das Substrat nach oben steigt, nimmt der Durchmesser des Strudels zu, und die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit ab. Die Abnahme der Fließgeschwindigkeit wird durch die Blasen eines Gases, das durch die Leitung 5 zugeführt wird, und die durch den Verteiler 4 im Körper V<· des Reaktors aufsteigen, auf einem Minimum gehalten.

Ein Teil der Mikroorganismuszellen und eier Flüssigkeit sowie die kleinen Gasblasen steigen an der Innenwand am oberen Konus 2 ab. Beim Erreichen des Bodenkonus verändert die absteigende Masse ihre Richtung und steigt im Reaktor aufgrund des Saugeffektes nach oben, d. h. der nach oben gerichtete Strom der Gasblasen übt einen höheren Druck als der nach unten gerichtete Strom aur Der restliche Teil der Flüssigkeit und der Mikroorganismuszelien und der Gasblasen strömt durch den Hals 13 der Reaktoreinheit und tritt in den der untersten Einheit anliegenden Reaktor 14 nach oben ein. In diesem Reaktor liegen die gleichen Verhältnisse vor wie in der unteren Einheit Beim Aufsteigen bis zum Reaktorkopf 15 durch eine Reihe von Reaktoreinheiteri der beschriebenen Art wird die Maische von den Gasblasen getrennt und durch die Leitung 10 einem Fest-FIüssig-Separator zugeführt Die Maische wird in jeder Stufe des Fermentators wirksam durch ein Rührgas fluidisiert Um ein konstantes Fermentationsverfahren aufrechtzuerhalten, wird die entwickelte Fermentationswärme durch den Kühlmantel 11 abgeleitet Das Rührgas kann eine Komponente des Substrates oder ein Inertgas sein.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß keine der Verengungen (Hälse) 13 mit Gasblasen angefüllt wird, wodurch der Flüssigkeitsstrom von einer Stufe zu der nächsten unterbrochen würde. Statt dessen bildet die Flüssigkeit, die durch aufeinanderfolgende Stufen fließt einen kontinuierlichen Strom, welcher die suspendierten Feststoffteilchen in Richtung auf den Kopf des Fermentators trägt Die Kontinuität des Flüssigkeiisslronies durch die benachbarten Stufen erleichtert nicht nur eine konstante Betriebsweise des Fermentators, sondern ermöglicht auch die Durchführung von Verfahren, die man nicht ohne die Gegenwart einer Flüssigkeit auf u;;d innerhalb der suspendierten Feststoffteilchen durchführen kann.

Der in F i g. 1 dargestellte kontinuierliche Drei-Phasen-Fermentator besteht aus einer Vielzahl von Reaktoreinheiten, wie sie in F i g. 3 gezeigt werden, die übereinander in Serie geschaltet oder einteilig vorgesehen sind. Benachbarte Einheiten können mittels einer kurzen Einengung miteinander verbunden sein, denn wenn sie mit einem langen Rohr verbunden wären, würden kombinierte Gasblasen das Rohr füllen und die Bildung eines kontinuierlichen Stromes verhindern. Dabei ist zu bemerken, daß das Flüssigsubstrat nicht der untersten Reaktoreinheit zugeführt werden muß.

Nachfolgend wird die Anwendung der Erfindung für ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol beschrieben.

Im allgemeinen bildet frische Hefe Ethanol in einem höheren Fermentationsgrad und mit einem höheren spezifischen Gewicht als weniger frische Hefe.

Ein mehrstufiger, drei-Phasen-fluidisierter Bioreaktor gemäß F i g. 4 ergibt eine gute Abmischung der Flüssigsubstratlösung in jeder Stufe; weil die Lösung in jeder Stufe kontinuierlich fließ?, nimmt die Menge der Hefe in dem Maße ab, wie die Lösung von einer Stufe zur nächst höheren Stufe ansteigt. Gleichzeitig werden alte Hefezellen aus den Gas zusammen mit der Lösung abgetrennt und am oberen Ende des Reaktors ausgefahren. Da kein Blockieren oder Verstopfen des Reaktors durch Mef^ellen innerhalb der Konusse des Reaktors stattfinden kann, läßt sich die Entfernung der Fermentationswärme leicht durchführen, so daß das Fermentationsverfahren nahezu unter konstanten Bedingungen durchgeführt werden kann.

In F i g. 4 besteht der Fermentator A, wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, aus vertikal verbundenen Einheiten oder Konussen, von denen jede einen geraden, kurzen Zylinder 1, einen oberen Konus 2 und einen Bodenkonus 3 aufweist. Luft oder Stickstoffgas werden in den Fermentstor durch einen Gasverteiler 4, der mit einer Gasversorgungskammer 7 mittels einer Gaszuleitung 5 ausgestattet ist, eingeleitet und eine Substratlösung wird durch die Bodenflüssigkeitszufuhrleitung 8 eingeleitet. Das Gas und die Lösung werden kräftig in eo jeder Einheit miteinander vermischt und an den Verengungen 13 wird die Dispersion aufgrund des Ejektoreffektes beschleunigt.

Das Gas und die Maische steigen während des Ablaufens des Fermentationsverfahrens nach oben und treten in den Gas-Flüssig-Separator 15 oberhalb des Kopfes des Fermentators ein. Ve^rdampftes Ethanol und Wasserdampf, begleitet vor. Stickstoff und Kohlendioxidgas, Luft und Kohlendioxidgas, oder Kohlendioxidgas werden im Kühler 16 kondensiert, und die kondensierte wäßrige Ethanollösung wird in einen Tank 18 durch die Leitung 17 geführt und mittels einer Pumpe 26' einem Destillationsturm 27 zugeführt. Das aus der wäßrigen Ethanollösung abgetrennte Gas wird mittels eines Systems, das einen Puffertank 19, eine Luftpumpe 20, einen Puffertank

21, eine Gaspumpe 22, ein Ventil 23 und eine mit der Gaszufuhrleitung 7 des Ferrnentators A verbundenen Bombe 24 im Kreislauf gefahren.

Die durch die Auslaßleitung 10 abgeführte Fermentationslösung wird in Hefe und Ethanollösung aus der Maische durch den Fest-Flüssig-Separator 25 geteilt und danach wird die Lösung mittels einer Pumpe 26 einem Destillationsturm 27, der einen Kondensator 28 und einen Rückkocher 29, wo die Konzentrierung stattfindet, enthält, zugeführt.

Beispiel 1

Melasse aus der Zuckerraffination wird als Ausgangsmaterial verwendet, und es spielt sich dabei unter der Einwirkung von Hefe folgende Reaktion ab.

C₁₂H₃₂O₁, + H₂O C₂H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆ (1)

Saccharose Glukose Fruktose

C₆H₁₂O₆ 2CO₂ + 2C₂H₅OH (2)

Kohlendioxid wird Ak InprtcraQ in clncrn drcistufi^n siif- und sbwärtskonische." Bicrcuktcr, der vorher erläuterten Art, in einer gleichen Volumenmenge pro Einheit von 700 ml durch das Bodenende mittels eines Verteilers in einer Menge von 400 N cmVmin. eingeleitet. Dann gibt man sterilisierte Melasse mit einem Gehalt von 0.24 g Mol/l Saccharose, 0,33 g Mol/l Glukose und 0,32 g Mol/l Fruktose und einem pH von 4,5 bei 3O⁰C durch das untere Ende mit einer Fließgeschwindigkeit von 2,5 cmVmin. hinzu. Wenn die Lösung und das Gas die zweite Stufe der Bioreaktoreinheit ausfüllen, werden 100 g (Trockengewicht 33 g) Lebendzellen in Form von Saccharomvces cerevisiae auf einmal durch einen Einlaß zugegeben.

Nach etwa 40 h stellt sich eine pseudostationäre Alkoholkonzentration ein. Die Konzentration der Zellen in den jeweiligen Stufen des Reaktors sind folgende:

Tabelle 1

3Q Stufe abgelaufene Tage

7 Tage 12 Tage

oberste Stufe 4,0 χ 10⁷ Zellen/ml 6,4 χ 10⁷ Zellen/ml

mittlere Stufe 9,9 χ 10⁷ Zellen/ml 7,7 χ ΙΟ⁷ Zellen/ml

Bodenstufe I₁I χ 10* Zellen/ml 8,6 χ 10⁷ Zellen/ml

Wie vorher gezeigt, ist die Konzentration an Hefezellen in den oberen Stufen geringer als in den unteren Stufen. Obwohl die Konzentration an Hefezellen nach 12 Tagen abnahm gegenüber der Konzentration nach 7 Tagen, betrug die Ethanolkonzentration in der Lösung 5,5 (W/V) % und das Gas enthielt 0,6 bis 0,7 (W/V) % Ethanol, wobei diese V> erte beide nahezu konstant waren. Diese Tatsache zeigt, daß die ethanolproduzierende Aktivität von neuen Zellen zunahm, während die alten Zellen entfernt wurden. Ein kontinuierlicher Ansatz über 25 Tage ließ sich ohne irgendwelche Verfahrensschwierigkeiten durchführen.

Beispiel 2

Kartoffeln wurden geschnitten und unter Verwendung von Λ-Amylase- und Glucoamylaseenzym unter Verzuckerung der Maische verflüssigt. Eine Zuckerlösung mit einem Gehalt an aus Kartoffeln stammender Glukose in einer Konzentration von 1,2 g Mol/I und geringen Mengen an Ammoniumsulfat, Phosphat, Magnesiumsulfat und Vitaminen wurde in gleicher Weise wie vorher angegeben unter Verwendung der gleichen Hefe verarbeitet, so Als Ergebnis erhielt man eine Lösung mit 5,1 (W/V) % Ethanol.

Beispiel 3

Immobilisierte Saccharomyces cerevisiae-Zellgelteilchen, die in Polyacrylamid eingehüllt waren, wurden anstelle von intakten Zellen als Biokatalysatorteilchen verwendet Stickstoffgas als Inertgas wurde in den im Beispiel 1 verwendeten Drei-Einheiten-Bioreaktor durch den Gasverteiler in einer Menge von 800 N cmVmin. eingeleitet Dazu wurden sterilisierte Melasse mit einem Gehalt von 0,45 g Mo!/1 Saccharose, 0,33 g Mol/I Glukose und 032 g Mol/l Fruktose gegeben bei 0,74 cm³/min. Die Umsetzung wurde bei einer Temperatur von 30° C und einem pH von 438 durchgeführt

In dem Bioreaktor betrug die Anzahl der immobilisierten Saccharomyces cerevisiae-Zellen 2^7 χ 10⁵ und das Gesamtvolumen des Gels betrug 225 cm³. Die immobilisierten Zellen wurden am Verlassen des Bioreaktors durch ein Netz, das am Flüssigkeitsauslaß des Bioreaktors angebracht war, gehindert Nach 25 Tagen enthielt die aus dem Bioreaktor abfließende Lösung 60 g/I Ethanol und 032 g Mol/l Monosaccharid. Der Ethanolgehalt in dem aus dem Bioreaktor abgezogenen Gas betrug 14 g/Tag.

Beispiel 4

Immobilisier'e Saccharomyces carlsbergensis-Zellgelteilchen, die in Polyacrylamid gciiuilt waren, wurden in einem Reaktor des Typs, wie er in F i g. 4 gezeigt wird, verwendet. Stickstoffgas wurde durch einen Gasverteiler in jede Reaktoreinheit in einer Menge von 100 N cm³/min. eingeleitet. Die zugeführte I ösung enthielt 0,65 g 5 Mol/l Glukose und 10~³ g Mol/l Magnesiumsulfat mit einem Phosphatpuffer von pH 4,5. Diese Lösung wurde in die Tste Reaktoreinheit in einer Menge von 0,1 cmVmin. eingeleitet. Das Gesamtvolumen der Lösung betrug 24^ cm³ und das Gesamtvolumen an immobilisierten Zellteilchen 24 cm³. Die Umsetzung wurde bei 3O⁰C vorgenommen. Die aus der letzten Reaktoreinheit abfließende Lösung enthielt 60 g/l Ethanol. Wenn die zugeführte Lösung einen hohen Glukosegehalt hatte, wurde ein großer Teil des Ethanols von der Lösung in die 10 Gasphase überführt. Die Lösung mit einem Gehalt von 1,2 g Mol/l Glukose wurde in einer Menge von 0,1 cmVmin. zugeführt. Die Gesamtmenge an gebildetem Ethanol betrug 15 g/Tag. Die Hälfte dieser Menge wurde in der abfließenden Lösung in der letzten Reaktoreinheit gewonnen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kontinuierlicher Fermentationsreaktor, bestehend aus mindestens zwei Reaktoreinheiten und Zuleitungen für Gase und Flüssigkeiten zur untersten Reaktoreinheit sowie Abzugsleitungen für Gase und Flüssig-

keiten an der obersten Reaktoreinheit, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Reaktoreinheit zusammensetzt aus einem offenen oberen Konus (2), der mittels eines kurzen Zylinders (1) mit einem umgekehrten offenen Bodenkonus (3) verbunden ist, wobei der Zylinder (1) einen größeren Durchmesser hat als der obere Konus (2) und der Bodenkonus (3) und etwas oberhalb des mittleren Teils der Einheit angebracht ist, und daß die Gasabzugsleitung (9) im Reaktorkopf (15) als Gassepei ator ausgebildet ist.

ίο

2. Verwendung des Reaktors gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Ethanol.