DE3824743C1 - Process for the production of biotechnological products by solid fermentation - Google Patents

Process for the production of biotechnological products by solid fermentation

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Abstract

Process for the production of biotechnological products by solid fermentation of moist, granulated biomass formed from support composition and from substrate for the microorganisms employed for the fermentation, in which the metabolic products of the microorganisms are taken off by a gas while leaving the moist, granulated biomass at rest in a bed during a phase I, evacuating the tank with a vacuum pump and keeping the biomass under a preset vacuum during a phase II, feeding in the gas at a flow rate above the fluidisation point during a phase III, and repeating phases I to III when the gas has returned to the pressure chosen for phase I.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung biotechnologischer Produkte durch Feststoff-Fermentation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der Literaturstelle O. Moebus, M. Teuber: Der Gas/Fest­ stoff-Wirbelschicht-Bioreaktor. Forum Mikrobiologie 9 (4) 187-197 (1986) vorbekannt ist.The invention relates to a method for manufacturing biotechnological products through solid fermentation according to the preamble of claim 1 as it is from O. Moebus, M. Teuber: Der Gas / Fest Fluidized bed bioreactor. Microbiology Forum 9 (4) 187-197 (1986).

Unter Feststoff-Fermentationen werden in der vorliegenden Anmeldung alle biotechnologischen Umsetzungen angesehen, die in feuchten, aber noch festen Partikeln durchgeführt werden können. Der Anwendungsbereich der gegebenen Anweisungen ist weiterhin noch auf granulierte Feststoffsysteme beschränkt, die fluidisierbar sind oder durch Zugabe von Fließmittel fluidisierbar gemacht werden können. Solid fermentations are used in the present Registration viewed all biotechnological implementations, those in moist but still solid particles can be carried out. The scope of the given instructions is still on granular Restricted solid systems that are fluidizable or can be made fluidizable by adding flow agent can.  

Bei einigen Anwendungsformen im biotechnologischen Bereich bedarf die Technik erheblicher Verbesserungen. Bei der ethanolischen Gärung z. B. ist der Abtransport des gebildeten Ethanols mit dem Abgas dadurch eingeschränkt, daß das Gas nur eine beschränkte Menge an Ethanol (und Wasser) transportieren kann. Das bedeutet, daß die maximale Ethanolbildung der Hefe im Wirbelschicht-Fermenter vom Gasstrom abhängig wird. Eine weitere Einschränkung betrifft die Auswahl der für den Gas/Feststoff-Wirbelschicht-Fermenter geeigneten Mikroorganismen. Die Anwendung der Wirbelschicht-Technik ist allgemein dadurch eingeschränkt, daß bei höherer Gasgeschwindigkeit ein Abrieb an den Partikeln und an den Behälterwänden stattfindet. Hiervon sind insbesondere empfindliche Mikroorganismen betroffen. Bei hyphenbildenden Pilzen und bei Actinomyceten konnte in eigenen Versuchen der Abrieb im peripheren Bereich der Partikeln mikroskopisch einwandfrei festgestellt werden. Praktisch unbeeinflußt blieben nur einige Hefen und hefeartig wachsende Pilze (z. B. Oospora lactis, Hansenula anomala), von denen bekannt ist, daß sie Chitin in ihrer Zellwand enthalten und möglicherweise aus diesem Grunde abriebfest sind. Ein dritter Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß - insbesondere bei langsam wachsenden Mikroorganismen in der Lag-Phase - eine zum Betrieb der Wirbelschicht ausreichende Luftmenge vorliegen muß, die jedoch in bezug auf die Versorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff ein Überangebot darstellt.For some forms of application in the biotechnological field the technology needs significant improvements. At the ethanolic fermentation z. B. is the removal of the formed ethanol restricted with the exhaust gas, that the gas has only a limited amount of ethanol (and Water) can transport. That means the maximum Yeast formation of ethanol in a fluidized bed fermenter depends on the gas flow. Another limitation concerns the selection of those for the gas / solid fluidized bed fermenter suitable microorganisms. The Application of the fluidized bed technique is generally due to this restricted that at higher gas speeds abrasion on the particles and on the container walls takes place. Of these, especially sensitive microorganisms affected. Hyphogenic mushrooms and in the case of Actinomycetes, abrasion was possible in our own experiments microscopically perfect in the peripheral area of the particles be determined. Practically unaffected only a few yeasts and yeast-like mushrooms remained (e.g. Oospora lactis, Hansenula anomala), of which known is that they contain chitin in their cell wall and may be resistant to abrasion for this reason. A third disadvantage arises from the fact that - especially with slow growing microorganisms in the lag phase - sufficient to operate the fluidized bed Air quantity must be present, but in relation on the supply of oxygen to the microorganisms represents an oversupply.

Durch den Einbau eines Rührers in das Bett werden die oben beschriebenen Mängel nicht beseitigt, auch dann nicht, wenn der Rührer im Festbett betrieben wird.By installing a stirrer in the bed, the Defects not described above, not even then not if the stirrer is operated in a fixed bed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem - unter Beibehaltung der Vorteile einer Fluidisierung - die Feststoff-Fermentation so durchgeführt werden kann, daß ein Abrieb der Partikeln vermieden, ein Austrag von flüchtigen Gärungsprodukten durch die Gasgeschwindigkeit nicht limitiert und eine bessere Anpassung des Energiebedarfs für die Fermentation ermöglicht wird.The invention is therefore based on the object of a method specify with which - while maintaining the benefits fluidization - solid fermentation  can be carried out so that an abrasion of the particles avoided a discharge of volatile fermentation products not limited by the gas velocity and a better adjustment of the energy requirement for fermentation is made possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.This object is achieved by the characterizing Part of claim 1 specified Features solved. The subclaims give advantageous Embodiments of the invention.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung, in der eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens wiedergegeben ist, näher erläutert.The invention is described below with reference to a drawing, reproduced in a plant for performing the method is explained in more detail.

Die Anlage besteht aus einem Fermenter 1, einem Windkessel 2, einer Vakuumpumpe 3, einem Schnellschluß-Ventil 4 zum Evakuieren des Fermenters, einem Schnellschluß-Ventil 5 zum Begasen des Fermenters, einer Zellenrad-Schleuse 6 für Feststoff-Zugabe, einer Zellenradschleuse 7 zur Ernte der Biomasse, einem in dem Fermenter 1 angeordneten Wärmetauscher 8, einem Verteiler-Element 9 für die Fluide, einem Dreiweg-Ventil 10 zur Regulierung der Temperatur in dem Fermenter mit einem den Wärmeaustauscher überbrückenden Bypass, einem Entleerungsventil 11, einem Entlastungsventil 12 und einem Anströmboden 13 für die Begasung des Fermenters.The system consists of a fermenter 1 , a wind boiler 2 , a vacuum pump 3 , a quick-closing valve 4 for evacuating the fermenter, a quick-closing valve 5 for gassing the fermenter, a cellular wheel lock 6 for adding solids, and a cellular wheel lock 7 for Harvesting the biomass, a heat exchanger 8 arranged in the fermenter 1 , a distributor element 9 for the fluids, a three-way valve 10 for regulating the temperature in the fermenter with a bypass bridging the heat exchanger, a drain valve 11 , a relief valve 12 and one Inflow tray 13 for the fumigation of the fermenter.

Auch bei einem Vorgehen nach der Erfindung wird die Biomasse fluidisiert, anders als bei dem bekannten Wirbelschichtverfahren erfolgt die Fluidisierung jedoch als Einzelschritt eines periodischen Ablaufs in der Weise, daß sie als Wiederbegasung eines Tanks verstanden werden kann, der die aktiven Partikeln vor der Begasung als ruhende Schüttung enthält und vorher evakuiert wurde. The biomass is also used in a procedure according to the invention fluidized, in contrast to the known fluidized bed process however, the fluidization takes place as Single step of a periodic process in such a way that they are understood as re-gassing a tank can, the active particles before gassing as dormant Contains fill and was previously evacuated.  

Während der Fluidisierung ist das Schnellschlußventil 4 am Fermenterausgang geschlossen. Das zweite Schnellschlußventil führt dem Fermenter 1 Gas über Gasverteiler mit einer solchen Geschwindigkeit zu, daß der Wirbelpunkt überschritten wird und eine Fluidisierung erfolgt. Das Gas dringt in die Poren der Partikel ein. Dieser Effekt tritt in der bekannten Wirbelschicht nicht auf. Durch Druckausbreitung werden die Partikeln auseinandergetrieben, bis sie den gesamten Fermenterraum erfüllen, um dann wieder in eine Schüttschicht zusammenzufallen. Auf diese Weise wird auch der Partikelabrieb erheblich reduziert, insbesondere auch deshalb, weil die Zeitdauer der Fluidisierung nur einen Bruchteil einer ganzen Periode ausmacht (Zeitdauer von einer Fluidisierung bis zur nächsten).During the fluidization, the quick-closing valve 4 at the fermenter outlet is closed. The second quick-closing valve supplies gas to the fermenter 1 via gas distributors at such a speed that the vortex point is exceeded and fluidization takes place. The gas penetrates the pores of the particles. This effect does not occur in the known fluidized bed. By spreading the pressure, the particles are driven apart until they fill the entire fermenter chamber before then collapsing again into a packed bed. In this way, the particle abrasion is also considerably reduced, in particular also because the period of fluidization is only a fraction of an entire period (period from one fluidization to the next).

Die zeitliche Dauer der einzelnen Phasen ist unterschiedlich. Die Phasen I und II richten sich nach dem Fermentationstyp (s. Beispiele in der der Tab. 2), die Phase II ist zusätzlich von der konstruktiven Gestaltung der Apparatur bzw. der Größenauslegung der Einzelaggregate abhängig. Die Dauer der Phase III ist ausschließlich konstruktionsbedingt.The duration of the individual phases is different. Phases I and II are based on Type of fermentation (see examples in Table 2), the phase II is also of the constructive design of the Equipment or the size of the individual units dependent. The duration of phase III is exclusive due to construction.

Da während des Fluidisierungsvorganges das Schnellschlußventil 4 und das Entleerungsventil 11 am Fermenterausgang geschlossen sind, entfallen die in der Wirbelschicht-Technik sonst notwendigen Einrichtungen wie Filter und Abscheidungsorgane, die ausgetragene Partikeln auffangen und in den Fermenter zurückführen. Außerdem kann der über dem Wirbelschicht-Bett oft reichlich dimensionierte Beruhigungsraum in dieser Größe entfallen. In dem vorgeschlagenen Verfahren muß der Fermenterraum so groß sein, daß er die fluidisierte Biomasse aufnehmen kann. Since the quick-closing valve 4 and the emptying valve 11 at the fermenter outlet are closed during the fluidization process, the devices, such as filters and separating organs, which are otherwise necessary in fluidized bed technology and catch the discharged particles and return them to the fermenter, are eliminated. In addition, the calming room of this size, which is often generously dimensioned above the fluidized bed, can be omitted. In the proposed method, the fermenter space must be large enough to accommodate the fluidized biomass.

Eine Darstellung der Betriebsweise für das Verfahren gibt Tabelle 1 wieder. Soll das vorgeschlagene System für die alkoholische Gärung verwendet werden, so ist ein Abdestillieren des Ethanols in der Phase II des Verfahrens gewährleistet. Günstig für diese Auslegung wirkt sich aus, daß die Partikeln infolge der Verdunstung eine tiefere Temperatur als die mit der Vakuumpumpe angesaugten Dämpfe haben, so daß die Umgebung der Partikeln eine höhere Temperatur haben kann, als den Mikroorganismen in wäßrigen Systemen zugemutet werden kann. Für den Vakuumbetrieb mit Destillation genügt ein Grobvakuum.An illustration of the mode of operation for the process shows Table 1. Should the proposed system be used for alcoholic fermentation, so is a Distilling off the ethanol in phase II of the process guaranteed. It works well for this design from the fact that the particles as a result of evaporation lower temperature than that sucked in by the vacuum pump Have vapors so that the environment of the particles is a may have a higher temperature than the microorganisms in aqueous systems can be expected. For vacuum operation a rough vacuum is sufficient with distillation.

Ein weiterer Effekt wirkt sich ebenfalls günstig auf den Prozeß aus. Während die Ethanol/Wasser-Dämpfe im Grobvakuum die Schüttschicht durchströmen, kommt es zur Anreicherung der leichter siedenden Komponete Ethanol im Dampf, während das Wasser bevorzugt bei den Partikeln verbleibt.Another effect also has a favorable effect on the Process out. During the ethanol / water vapors in a rough vacuum flow through the bed, there is an accumulation of the lower-boiling component ethanol in the Steam, while water prefers the particles remains.

Die Integration der Vakuumpumpe 3 ermöglicht eine wärmetechnisch günstige Auslegung des Verfahrensablaufs, besonders bei der alkoholischen Gärung. In diesem Falle kann der Fermenter 1 in Form eines Umlaufverdampfers ausgelegt werden. Er enthält Elemente für die Beheizung, wie sie auch für die Wirbelschicht verwendet werden. Die Dämpfe aus dem Fermenter 1 werden mit der Vakuumpumpe angesaugt und gegen den im Windkessel anliegenden atmosphärischen Druck verdichtet. Die Dämpfe werden im Rohrleitungssystem des Fermenters 1 kondensiert, indem sie Wärme an den Fermenterinhalt abgeben, so daß weitere Flüssigkeit verdampfen kann. Die für den Betrieb der Vakuumpumpe 3 benötigte Energie reicht aus, um den ganzen Prozeß der Gärung und die Destillation des Alkohol/Wassergemisches durchzuführen. The integration of the vacuum pump 3 enables a thermally favorable design of the process sequence, particularly in the case of alcoholic fermentation. In this case, the fermenter 1 can be designed in the form of a circulation evaporator. It contains elements for heating, as they are also used for the fluidized bed. The vapors from the fermenter 1 are sucked in with the vacuum pump and compressed against the atmospheric pressure present in the air boiler. The vapors are condensed in the pipeline system of the fermenter 1 by releasing heat to the fermenter content so that further liquid can evaporate. The energy required to operate the vacuum pump 3 is sufficient to carry out the entire process of fermentation and distillation of the alcohol / water mixture.

Das hier beschriebene System dürfte besonders geeignet sein, Bio-Alkohol in Verbindung mit einer Synthese wertvoller, Adenosintriphosphat (ATP) benötigenden Naturstoffen zu produzieren. ATP fällt bei der ethanolischen Gärung zwangsläufig an. Diese Möglichkeit der simultanen Synthese von Biochemikalien in dem angedeuteten Sinn könnte in Zukunft interessant werden. Für die Synthese von Bio-Alkohol ergibt sich eine erhebliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Im Falle der simultanen Synthese von Glutathion und Ethanol entstehen stöchiometrisch zwei Mole Ethanol und ein Mol Glutathion aus einem Mol Glucose + Precursorverbindungen.The system described here is particularly suitable be bio-alcohol in conjunction with a synthesis valuable, Natural products requiring adenosine triphosphate (ATP) to produce. ATP falls in the ethanolic Fermentation inevitably. This possibility of simultaneous Synthesis of biochemicals in the suggested sense could be interesting in the future. For synthesis There is a significant improvement in bio-alcohol of economy. In the case of simultaneous synthesis glutathione and ethanol are produced stoichiometrically two moles of ethanol and one mole of glutathione from one mole Glucose + precursor compounds.

Ethanolproduzierende S. cerevisiae-Rassen können für weitere Synthesen geeignete Mikroorganismen sein, da bekannt ist, daß Kulturen mit diesen Mikroorganismen in Gäransätzen bemerkenswert stabil bleiben und viele Ansätze mit ihnen durchgeführt werden können, ohne daß die Kulturen neu angezüchtet werden müssen. Wegen des Ethanolgehaltes der Biomasse ist die Gefahr von Infektionen gering. Außer dem Einsatz dieser Hefen für schon bekannte Synthesen können mit den Methoden der Gentechnik veränderte Hefen, mit Synthesemöglichkeiten für Stoffe aus dem Tier- und Pflanzenreich, eingesetzt werden. Da es sich um Kulturheferassen handelt, die in der Natur nicht vorkommen, stellen die veränderten Hefen keine Gefahr für die Umwelt dar. Als eukariotische Mikroorganismen werden diese Hefen bevorzugt für die funktionelle Expression von eukariotischen Genen aus dem Tier- und Pflanzenreich verwendet.S. cerevisiae breeds producing ethanol can be used for further syntheses are suitable microorganisms, since they are known is that cultures with these microorganisms in Fermentation approaches remain remarkably stable and many approaches can be carried out with them without the Cultures have to be newly grown. Because of the ethanol content the biomass is at risk of infection low. Except the use of these yeasts for already known ones Syntheses can be modified using the methods of genetic engineering Yeast, with synthetic possibilities for fabrics the animal and plant kingdom. Because it are cultural breeds that do not exist in nature occur, the modified yeasts pose no danger for the environment. As eukariotic microorganisms these yeasts are preferred for functional expression of eukaryotic genes from animal and Plant kingdom used.

Hefefabriken in der Bundesrepublik Deutschland, die Brennrechte besitzen, können durch Variation des Sauerstoffanteils in der Zuluft das Verhältnis von Backhefe zu Ethanol variieren. Der Alkohol kann während der Verhefung abgetrennt werden. Um auf die Waschstufe verzichten zu können, wäre es allerdings wichtig, daß die Hefe selbst als fluidisiertes Granulat verwendet wird und bilanzierte Nährlösungen in das Bett gesprüht werden. Eine Verwendung von Melasse wäre nicht zu empfehlen.Yeast factories in the Federal Republic of Germany, the Burning rights can be achieved by varying the oxygen content the ratio of baker's yeast in the supply air vary to ethanol. The alcohol can be used during the serving be separated. To do without the washing stage  it would be important, however, that the yeast itself is used as a fluidized granulate and accounted for Nutrient solutions are sprayed into the bed. A Using molasses would not be recommended.

Die alkoholische Gärung kann auch bei voller Begasung mit Luft durch atmungsdefekte Hefen durchgeführt werden, da bei diesen Hefen der Pasteur- und der Crabtree-Effekt nicht mehr funktionieren.Alcoholic fermentation can also take place when fully fumigated be carried out with air through defective yeasts because with these yeasts the Pasteur and Crabtree effects no longer work.

Als fluidisierbare Trägermasse für die Hefen und gleichzeitig als Substrat können gemahlene und befeuchtete Getreideprodukte und eine Vielzahl von anderen Stärkeprodukten, auch pregelatinisierte Stärke, verwendet werden, wenn zum Aufschluß der Stärke geeignete Amylasen und/oder Amylopeptidasen zum Granulat zugesetzt werden. Die Verwendung von cellulosehaltigen Partikeln mit einem Zusatz von Cellulasen als hydrolysierende Enzyme ist ebenfalls durchführbar.As a fluidizable carrier for yeasts and at the same time Ground and moistened grain products can be used as a substrate and a variety of other starch products, also pregelatinized starch can be used if suitable amylases and / or for digesting the starch Amylopeptidases can be added to the granules. The Use of cellulose-containing particles with an additive of cellulases as hydrolyzing enzymes is also feasible.

Offenzellige Formaldehydharz-Schäume, wie sie für die Bodenverbesserung Verwendung finden, sind für die Anzucht stickstoffbindender Bakterien - z. B. Azotobacter chroococcum - geeignet. Dieses Bakterium wächst im lockeren Gefüge des Harzes.Open-celled formaldehyde resin foams, such as those for Soil improvement are used for growing nitrogen-binding bacteria - e.g. B. Azotobacter chroococcum - suitable. This bacterium grows in the loose structure of the resin.

Fluidisierbare immobilisierte Mikroorganismen oder Teile von ihnen können als biologisch aktive Masse für biotechnologische Umsetzung verwendet werden. Auch können die Mikroorganismen selbst - z. B. granulierte Preßhefe des Handels - ohne weiteren Träger als aktive Partikelform verwendet werden. Fluidizable immobilized microorganisms or parts of them can be used as a biologically active mass for biotechnological Implementation to be used. Can too the microorganisms themselves - e.g. B. granulated pressed yeast of the trade - without an additional carrier as an active particle form be used.  

Für die Verminderung des Kohlendioxidgehaltes der Luft in Raumfähren ist die Züchtung von Grünalgen in einer Wirbelschicht geplant. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht eine Fluidisierung in einer Anlage mit wesentlich reduziertem Raumbedarf und könnte deshalb der Wirbelschicht vorgezogen werden.For the reduction of the carbon dioxide content in the air in space ferries is the cultivation of green algae in one Fluid bed planned. The procedure described here enables fluidization in a plant with essential reduced space requirements and could therefore Fluidized bed are preferred.

Angepaßt an den Bedarf der eingesetzten Mikroorganismen können Wasser zur Regulierung der Wasseraktivität und Nährlösungen in die Partikelmasse gesprüht werden.Adapted to the needs of the microorganisms used can use water to regulate water activity and Nutrient solutions are sprayed into the particle mass.

Beispiele für die Anwendung der Feststoff-FermentationExamples of the application of solid fermentation

In Tabelle 2 sind Beispiele für die Anwendung der Feststoff-Fermentation mit ihren wesentlichen Unterscheidungsmerkmalen aufgeführt.Table 2 shows examples of the application of the Solid matter fermentation with its essential distinguishing features listed.

Vorwiegend mit dem Sauerstoff der Luft ablaufende Prozesse, die auf Atmung, oxidativer Gärung oder aerober Umsetzung mit Precursorverbindungen beruhen, laufen in der Phase I ab. Bei den überwiegend aeroben Prozessen werden die Phasen II und III erst dann zugeschaltet, wenn das Gas das Bett nicht mehr gleichmäßig durchströmt und sich "tote" Bereiche gebildet haben. Dies trifft insbesondere auf Systeme mit mycelförmig wachsenden Mikroorganismen zu, bei denen es leicht zur Brückenbildung zwischen den Partikeln (Verfilzen) kommen kann. Durch das Zwischenschalten der Fluidisierung wird die Schüttung erneuert, die Verfilzung wird gestoppt und dadurch ein gleichmäßiger Gasfluß gewährleistet. Einschaltung und Verlauf der Fluidisierungsphase können über bekannte Bausteine der pneumatischen Fördertechnik überwacht werden. Processes mainly with oxygen in the air, those on breathing, oxidative fermentation or aerobic Implementation based on precursor compounds, run in phase I. In the predominantly aerobic processes Phases II and III are only switched on when the gas no longer flows evenly through the bed and "dead" areas have formed. This is particularly true on systems with mycelium-growing microorganisms to where it is easy to bridge between the particles (felting) can come. By the Interposing the fluidization is the bed renewed, the matting is stopped and thereby uniform gas flow guaranteed. Switching on and The course of the fluidization phase can be known Components of pneumatic conveyor technology are monitored.  

Prozesse mit überwiegend anaerobem Stoffwechsel laufen in der Phase II ab. Hierzu zählen Gärungen, die mit der Bildung von flüchtigen Gärprodukten verbunden sind. In den bekannten Wirbelschichtverfahren reicht oft die Geschwindigkeit des Treibgases nicht aus, um das gebildete Gärprodukt Ethanol abzuführen und so die Hemmung der Gärintensität durch das eigene Gärprodukt zu verhindern. In der Phase II wird das Gärungsprodukt laufend abdestilliert und damit eine Hemmung vermieden.Processes with predominantly anaerobic metabolism are running in phase II. This includes fermentations with the Formation of volatile fermentation products are associated. In In the known fluidized bed processes, the speed is often sufficient of the propellant gas to the formed To remove fermentation product ethanol and thus the inhibition of To prevent fermentation intensity through your own fermentation product. In phase II, the fermentation product is continuously distilled off and thus avoided inhibition.

Das System Saccharomyces cerevisiae/Zuckerlösung wird durch Umschalten von Phase I (mit Luft) auf Phase II (mit N₂ und CO₂) von der Zellmasse- auf Ethanolproduktion umgeschaltet. Das periodische Zwischenschalten der Phasen II und III im Falle der Biomasse- und der Phasen III und I im Falle der Ethanolproduktion dient zur Durchführung der Fluidisierung. Das gleiche gilt auch, wenn zusätzlich Precursor-Substanzen zur Synthese von Glutathion eingetragen werden.The Saccharomyces cerevisiae / sugar solution system by switching from phase I (with air) to phase II (with N₂ and CO₂) from cell mass to ethanol production switched. The periodic interposition of the Phases II and III in the case of biomass and phases III and I in the case of ethanol production is used for Implementation of fluidization. The same also applies if additionally precursor substances for the synthesis of Glutathione are entered.

Anstelle von Zuckerlösungen dienen auch gemahlene Stärkeprodukte als Substrat und gleichzeitig als Träger für die Feststoff-Fermentation zur Herstellung von Ethanol. Bei der Verwendung von Saccharomyces cerevisiae wird bevorzugt pregelatinisierte Stärke unter Zusatz von Amylasen und/oder Amylopeptidasen eingesetzt, dagegen können mit Rhizopus javanicus native Stärkeprodukte ohne zusätzliche Beigabe von Enzymen fermentiert werden. Die Vergärung der Stärke durch Rhizopus spec. kann, wie auch durch Saccharomyces cerevisiae, anoxidativ durchgeführt werden, was bei Pilzen eine Ausnahme ist. Daher kann der Prozeß vorwiegend in der Phase II stattfinden.Ground starch products are used instead of sugar solutions as a substrate and at the same time as a carrier for solid fermentation to produce ethanol. When using Saccharomyces cerevisiae is preferred pregelatinized starch with the addition of amylases and / or amylopeptidases used, however, can with Rhizopus javanicus native starch products without additional Enzymes are fermented. The Fermentation of the starch by Rhizopus spec. can, as well by Saccharomyces cerevisiae, carried out anoxidatively which is an exception with mushrooms. Therefore, the Process mainly take place in phase II.

Für die in Tabelle 2 aufgeführte Grünalge Chlorella vulgaris gilt, daß sie bei genügend hoher Lichtintensität außer in Phase I auch in Phase II wachsen kann, da sie unter den Bedingungen der Photosynthese selbst Sauerstoff produziert und der Partialdruck des CO₂ unter den Bedingungen des eingestellten Grobvakuums noch genügend hoch ist, um die Algen zu versorgen. Bei Dunkelheit dagegen können die Algen nur bei Versorgung mit einer organischen C-Quelle leben, sie brauchen dann genügend Sauerstoff, da sie nicht gären können, so daß sie bei Dunkelheit vorwiegend in Phase I gehalten werden müssen.For the green algae Chlorella vulgaris listed in Table 2 applies that they are at a sufficiently high light intensity except in phase I can also grow in phase II as they  under the conditions of photosynthesis itself oxygen produced and the partial pressure of CO₂ among the Conditions of the set rough vacuum are still sufficient is high to supply the algae. In contrast, in the dark Algae can only be supplied with an organic C source live, then they need enough Oxygen since they cannot ferment, so they are at Darkness predominantly must be kept in phase I.

Gelöste Nährstoffe, Precursor-Verbindungen und Wasser zum Befeuchten der Partikeln können in jeder Phase der in Tabelle 2 angeführten Prozesse über Düsen von oben oder unten in das Bett gesprüht werden.Dissolved nutrients, precursor compounds and water to moisten the particles in each phase of the Processes listed in Table 2 via nozzles from above or sprayed into the bed below.

Zusätzlich können diese Flüssigkeiten auch durch Berieseln in das Bett gebracht werden, allerdings mit der Einschränkung, daß die Partikeln im Kontakt mit der freien flüssigen Phase nicht aufgeweicht und deformiert werden, weil dann die Fluidisierbarkeit der Partikeln verloren geht. Diese Forderung ist am ehesten bei Immobilisation und, in beschränktem Umfange, auch bei gemahlenen Stärkeprodukten zu erfüllen, nicht aber bei Partikeln, die vorwiegend aus den Mikroorganismen selbst bestehen. Mit der Zuschaltung einer freien wäßrigen Phase entstehen auch Abwasserprobleme, die in der Vergangenheit schon dazu geführt haben, daß ähnliche biotechnische Prozesse (z. B. Hefefabrikation) nicht mehr rentabel waren.In addition, these liquids can also be sprinkled put into bed, but with the Limitation that the particles in contact with the free liquid phase is not softened and deformed because then the fluidizability of the particles get lost. This requirement is most likely with immobilization and, to a limited extent, also in the case of ground Starch products, but not for particles, which mainly consist of the microorganisms themselves. With the connection of a free aqueous phase Wastewater problems also arise in the past have already led to similar biotechnical Processes (e.g. yeast production) are no longer profitable were.

Ein Begasen des Reaktors bei aeroben Prozessen mit Luft oder Sauerstoff in Phase I kann die gleiche Richtung (von unten nach oben) wie die in Phase III haben, muß aber unterhalb des Wirbelpunktes liegen. Wird das Bett zusätzlich berieselt, so ist die pro Zeiteinheit herabfließende Flüssigkeitsmenge durch den Flutpunkt begrenzt. Oberhalb des Flutpunktes wird die Flüssigkeit mit dem Gas nach oben ausgetragen.Aeration of the reactor with air during aerobic processes or phase I oxygen can go the same direction (from bottom to top) as in phase III but are below the vertebral point. Will the bed additionally sprinkled, so is the flowing down per unit of time Amount of liquid limited by the flood point. The liquid is above the flood point  discharged with the gas upwards.

Eine Beschränkung durch Wirbel- und/oder Flutpunkte besteht nicht, wenn das System in Phase I als Rieselsäule betrieben wird, d. h. wenn Flüssigkeit und Gas die Schüttung von oben nach unten durchströmt.There is a restriction due to vortex and / or flood points not if the system is in phase I as a trickle is operated, d. H. when liquid and gas Flows through the bed from top to bottom.

Interessant sind diese Varianten für Prozesse, in denen nichtflüchtige Gärprodukte gebildet werden, wie z. B. bei der Citronensäure-Synthese (Tabelle 2). Werden geeignete Träger zur Immobilisierung der Mikroorganismen und/oder Enzyme verwendet, so kann das Berieseln während der Fluidisierung in Phase III fortgesetzt werden (Turbulenzkontaktabsorber). These variants are interesting for processes in which non-volatile fermentation products are formed, such as. B. in citric acid synthesis (Table 2). Become suitable Carrier for immobilizing the microorganisms and / or enzymes are used, so the sprinkling during fluidization will continue in phase III (Turbulence contact absorber).  

Tabelle 1 Table 1

Betriebsbedingungen für die Feststoff-Fermentation Operating conditions for solid fermentation

Tabelle 2 Table 2

Beispiele für Feststoff-Fermentation Examples of solid fermentation

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung biotechnologischer Produkte durch Feststoff-Fermentation von aus Trägermasse und aus Substrat für die zur Fermentation eingesetzten Mikroorganismen gebildete feuchte, granulierte Biomasse, bei dem die Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen durch ein Gas abgeführt werden, gekennzeichnet durch
Ruhenlassen der feuchten, granulierten Biomasse in einer Schüttung während einer Phase I,
Evakuieren des Tanks mit einer Vakuumpumpe und Halten der Biomasse bei einem vorgegebenen Vakuum während einer Phase II,
Zuführen des Gases mit einer oberhalb des Wirbelpunktes liegenden Strömungsgeschwindigkeit während einer Phase III, und
Wiederholen der Phasen I bis III, wenn das Gas wieder den für die Phase I gewählten Druck erreicht hat.
1. Process for the production of biotechnological products by solid fermentation of moist, granulated biomass formed from carrier mass and from substrate for the microorganisms used for the fermentation, in which the metabolic products of the microorganisms are removed by a gas, characterized by
Allowing the moist, granulated biomass to rest in a bed during phase I,
Evacuating the tank with a vacuum pump and maintaining the biomass at a given vacuum during a phase II,
Supplying the gas at a flow rate above the vortex point during a phase III, and
Repeat phases I to III when the gas has reached the pressure selected for phase I again.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemahlene und befeuchtete Getreideprodukte als Trägermasse und als Substrat für die zur Fermentation eingesetzten Mikroorganismen verwendet werden, und daß zum Aufschluß der Stärke geeignete Amylasen und/oder Amylopeptidasen dem Granulat zugesetzt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that that ground and moistened cereal products as a carrier mass and as a substrate for those used for fermentation Microorganisms are used, and that for Digestion of suitable amylases and / or amylopeptidases be added to the granules. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermasse und als Substrat pregelatinisierte Stärkeprodukte verwendet werden.3. The method according to claim 2, characterized in that pregelatinized as a carrier mass and as a substrate Starch products are used. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Cellulose als Trägermasse und als Substrat für die zur Fermentation eingesetzten Mikroorganismen verwendet wird, und daß zum Aufschluß der Cellulose geeignete Cellulasen dem Granulat zugesetzt werden.4. The method according to claim 1, characterized in that cellulose as a carrier and as a substrate for the microorganisms used for fermentation and that suitable for the digestion of cellulose Cellulases are added to the granules. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für die Mikroorganismen poröse Kunststoffe verwendet werden.5. The method according to claim 1, characterized in that as a carrier for the microorganisms porous plastics be used. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen selbst als Träger und als biotechnologisch aktive Komponente eingesetzt werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the microorganisms themselves as a carrier and as a biotechnologically active component be used.   7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß bei der Produktion von Ethanol und Hefe der Alkohol während der Phase II abdestilliert wird.7. The method according to any one of the preceding claims characterized in that in the production of ethanol and yeast the alcohol distilled off during phase II becomes. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß atmungsdefekte Hefen für die Ethanolproduktion verwendet werden.8. The method according to claim 7, characterized in that that breathing defective yeasts are used for ethanol production will.
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WO1995004138A1 (en) * 1993-07-27 1995-02-09 Athanasios Koutinas Delignified cellulosic materials to improve industrial processes of alcoholic fermentation
CN110026060A (en) * 2019-03-19 2019-07-19 甘肃省科学院生物研究所 A kind of biomaterial and its making and use method of degradation of formaldehyde

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