DE3150749A1 - Verfahren zum aktivieren des stoffwechsels von mikroorganismen bei deren aerober oder anaerober submerszuechtung - Google Patents

Description

• Verfahren zum Aktivieren des Stoffwechsels von
• Mikroorganismen bei deren aerober oder anaerober Submers züchtung Die Submerszüchtung von Mikroorganismen innerhalb einer Nährlösung kann bekanntlich anaerob unter Ausschluß von Sauerstoff bei gleichzeitiger Begasung mit Stickstoff oder Kohlendioxid oder aber aerob unter Einleiten von Sauerstoff, meistens in Form von Luft, erfolgen.
• Die für die jeweiligen Prozesse geeigneten Fermenter, die für die aerobe Züchtung mit einer besonderen Belüftungseinrichtung versehen sein müssen, und stets Offnungen zum Einlassen der Nähr- und Impflösung und zum Auslassen des Fermenterinhaltes sowie gegebenenfalls Dampfeinlaßöffnungen zur Sterilisierung neben Einrichtungen zur Temperatursteuerung und zur pH-Messung und -Steuerung aufweisen, sind meist mit Rührsystemen ausgestattet, die die dauernde Bewegung des Fermenterinhaltes gewährleisten und den Mikroorganismen die Nährlösung dauernd neu zuführen, während deren Stoffwechselprodukte abgeführt werden. Anstelle von mechanischen Rührsystemen oder gleichzeitig mit diesen kann der Fermenterinhalt aber auch mit Hilfe der eingeblasenen Gase bewegt werden. Als mechanische Rührsysteme haben sich vor allem Turbinenrührer bewährt, deren Turbulenz für die Verteilung sowohl der Mikroorganismen als auch der Gase in der Nährlösung von Vorteil ist, doch entstehen durch die Turbulenz auch erhebliche Energieverluste.
• Auch Kreuzbalkenrührer, bei denen die Energieverteilung im Fermenter sehr gleichmäßig und der Energieverlust niedriger ist als beim Turbinenrührer, werden als mechanische Rührsysteme verwendet. Gleichwohl besteht seit langem ein echtes Bedürfnis, nicht nur die Verteilung der Gase in der Nährlösung zu intensivieren, sondern auch deren Eigenbewegung, um auf diese Weise durch beschleunigte Zufuhr der Nährlösung zu den Mikroorganismen unter gleichzeitiger Abführung der Stoffwechselprodukte eine Aktivierung des Stoffwechsels zu erreichen und soweit möglich auch die physikalischen Austauschvorgänge, die bekanntlich von der Viskosität der Nährlösung und dem Konzentrationsgefälle und darüberhinaus auch von die Mikroorganismen häufig umhüllenden Schleimschichten beeinflußt werden, zu beschleunigen. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren verfügbar zu machen, mit dem es gelingt, dieses Bedürfnis möglichst weitgehend zu befriedigen.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum Aktivieren des Stoffwechsels von Mikroorganismen bei deren aerober oder anaerober Submerszüchtung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die im Fermenter befindliche, die Mikroorganismen enthaltende Nährlösung mindestens einmal über eine Homogenisiermaschine umwälzt, die aus einem Gehäuse mit darin umlaufendem kegelstumpfförmigen Rotor besteht, dessen Manteilfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuse innenwand.
• Die erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Homogenisiermaschine kann bei der Durchführung des Verfahrens im Fermenter selbst angeordnet sein, doch ist es- auch möglich, eine besondere Bypass-Leitung vorzusehen, in der die Homogenisiermaschine angeordnet ist, und wobei der Fermenterinhalt aus dem Fermenter abgezogen, über die Bypass-Leitung geführt und dann wieder in den Fermenter zurückgeführt wird.
• Besonders Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der Fermenterinhalt mehrfach über die Homogenisiermaschine umgewälzt wird.
• Die erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Homogenisiermaschine ist als Vorrichtung mit hoher Turbulenz, ihren Druckwechselfeldern und den auftretenden Scherkräften sowie der Mikrokavitation besonders geeignet, die Aufgabe der Erfindung zu lösen, indem eine homogene Gasverteilung in der Nährlösung unter Ausbildung kleinster Gasblasen stattfindet und die Misch-, Austausch- und Diffusionsvorgänge sowohl in dieser Lösung als auch in der Zellwand der Mikroorganismen beschleunigt werden. Zusätzlich erfolgt eine Desagglomerierung eventuell vorhandener Zellverbände, wodurch die einzelnen Mikroorganismen freigesetzt und zur Aufnahme der Nährlösung angeregt werden. Durch die Schaffung großer Grenzflächen in der Maschine wird die Diffusion beispielsweise von Sauerstoff zur Zelle und durch die Zellwand hindurch bei der aeroben Submerszüchtung unter gleichzeitiger Durchdringung der die Zelle umgebenden, die Diffusion und Osmose an sich hindernden Schleimschichten erheblich beschleunigt.
• Durch den dauernden Druckwechsel in der erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Maschine vom Rotor-Stator-Typ wird in der Zellwand ein hohes Konzentrationsgefälle geschaffen, wobei im Unterdruck- oder Kavitationsbereich die Dichte der Nährlösung und kurzfristig auch deren Konzentration gesenkt und das Konzentrationsgefälle im Innern der Zelle erhöht wird Darüberhinaus wird durch den dauernden Druckwechsel die Zellwand selbst dahingehend beeinflußt, daß sie für die Nährstoffe aus der Nährlösung aufnahmefähiger wird. Von Vorteil ist außerdem die Desorption von Gasen, beispielsweise von Kohlendioxid, das bei der Äthanolfermentation entsteht. Insgesamt wird somit durch die geschilderten Effekte die Austauschgeschwindigkeit erhöht und der Stoffwechsel der Mikroorganismen auch in höher viskosen Medien wie beispielsweise einer konzentrierten Maische oder auch in Feststoffmaischen aktiviert und die Möglichkeit einer Inaktivierung der Mikroorganismen durch innere Vergiftung auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
• Beispielsweise wurde in einer Torula-Hefe enthaltenden konzentrierten Zuckerlösung bei mehrmaligem Umwälzen der Lösung über eine in einer Bypass-Leitung zum Fermenter angeordneten Rotor-Stator-Maschine der osmotische Ausgleich von 48 h auf 2 bis 5 min herabgesetzt.
• Weiterhin konnte beispielsweise durch Einpressen der Hefemilch in süße Maische unter Einsatz der Rotor-Stator-Maschine die Angärphase der Maische von ca. 8 h auf 2 h verkürzt werden.
• Schließlich gelang es, die Gärung in einem Gäransatz, der nach ca. 38 h 9,2 Vol.-% Alkohol enthielt und in dem durch den hohen Alkoholgehalt die Fermentation zum Stillstand gekommen war, durch Umpumpen mittels der Rotor-Stator-Maschine erneut so anzuregen, daß nach weiteren 3 h der Alkoholgehalt von 9,2 Vol.-% auf 9,6 Vol.-* angestiegen war.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1Verfahren zum Aktivieren des Stoffwechsels von Mikroorganismen bei deren aerober oder anaerober Submerszüchtung, dadurch gekennzeichnet, daß man die im Fermenter befindliche, die Mikroorganismen enthaltende Nährlösung mindestens einmal über eine Homogenisiermaschine umwälzt, die aus einem Gehäuse mit darin umlaufendem kegelstumpfförmigen Rotor besteht, dessen Mantelfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand.
2. 2 0 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nährlösung über die im Fermenter selbst angeordnete, in die Nährlösung eintauchende tiomogenisiermaschine umwälzt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nährlösung über eine Bypass-Leitung, in der die Homogenisiermaschine.angeordnet ist, umwälzt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nährlösung mehrmals über dieHomogenisiermaschine umwälzt.