DE4010523A1 - Anaerobes fermentationsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Durchführung eines anaeroben Fermenta­ tionsverfahrens mit Hilfe von Gasblasendurchmischten turmartigen Reaktoren.

Turmartige pneumatische Reaktoren sind in der Fermentationstechnik seit vielen Jahren bekannt. Einfachere Ausführungsformen sind zy­ linderförmige Behälter, die von unten begast werden. Derartige Vor­ richtungen werden üblicherweise als Blasensäulen-Reaktoren bezeich­ net. Zur Verbesserung des Sauerstoffaustausches bei aeroben Prozes­ sen wurden derartige Blasensäulenfermenter mit Einbauten versehen, die die Gasblasen ablenken und damit deren Weg durch das Fermenta­ tionsmedium verlängern. Derartige Reaktoren mit Leitrohren zur Strömungsstabilisierung werden im allgemeinen Airlift-Reaktoren ge­ nannt. Zu einer ausführlichen Abhandlung über Reaktionstechnik in Blasensäulen siehe Wolf-Dieter Deckwer in "Grundlagen der chemischen Technik", Herausgeber: Prof. Dr. Kurt Dialer, Dr. Juri Pawlowski und Dr. Wolfgang Springe Verlage: Otto Salle Frankfurt und Sauerlän­ der, Aarau, Seiten 13 bis 25. In der wissenschaftlichen Literatur finden sich zahlreiche Hinweise auf die Verwendung von Blasensäulen­ fermentern bzw. Airlift-Reaktoren. Verwiesen sei beispielsweise auf die folgenden Literaturstellen:

• 1. Bauer, G., Paar, H., Nussbaumer, M., Moser, A., Prep. Ger. Jap. Symp. Bubble Columns, June, 13-15, 1988, Schwerte, GVC, Düsseldorf 1988, 173-178.
• 2. Wörnle, R., Deger., H. M. Prep. Ger. Jap. Symp. Bubble Columns, June, 13-15, 1988, Schwerte, GVC, Düsseldorf 1988, 159-162.
• 3. Schäfer, H., Deger, H. M., Biotechnologie Forum 6 (1989) 3, 162-166.
• 4. Blenke, H., Adv. Biochem. Eng. 13 (1979) 122-214.
• 5. Adler, I., Fiechter, A., Swiss Biotech 1 (1983) 2, 17-24.
• 6. Fröhlich, S., Charakterisierung von Turmreaktoren im Labor- und Pilotmaßstab, VDI-Verlag, Düsseldorf 1987.
• 7. Moo-Young, M., Halard, R., Biotech. Bioeng 30 (1987) 746-753.
• 8. Lesniak, W., Podgorski, W., Pietkiewicz, J., Chemical Abstracts 104 (1986) 427.
• 9. Richmond, C., BioEngineering 1 (1986) 62-63.
• 10. Birch, J. R., Trends in Biotechn. 3 (1985) 7, 162-166.
• 11. Rhodes, M., Birch, J. R., Biotechnology 6 (1988) 518-523.
• 12. Blenke, H., Biotechnologie Forum 5 (1988) 1, 6-23.
• 13. Westlake, R., Chem.-Ing.-Techn. 58 (1986) 12, 934-937.
• 14. Kanawasa, M., in Tannenbaum, S. R., Wang, D.I.C. (Eds), Single Cell Protein II, MIT-Press, Cambridge 1975, 438-453.
• 15. Cooper, P. G., Silver, R. S., in Tannenbaum, S. R., Wang, D.I.C. (Eds), Single Cell Protein II, MIT-Press, Cambridge 1975, 454-466.
• 16. Blenke, H., in Rehm, H. J., Reed, G. (Eds), Biotechnology Volume 2 VCH, Weinheim 1985, 465 ff.
• 17. Leistner, G., Müller, G., Chem.-Ing.-Tech. 51 (1979) 4, 288-294.
• 18. Zlokarnik, M., in Rehm, H. J., Reed, G. (Eds), Biotechnology Volume 2, VCH, Weinheim 1985, 537 ff.
• 19. Deckwer, W.-D.: Reaktionstechnik in Blasensäulen, Sauerländer + Salle, Frankfurt, 1985.
• 20. Deckwer, W.-D.: Bubble Column Reactors, in Biotechnology Vol. 2 Eds. H.-J. Rehm and G. Reed, VCH, Weinheim 1985.

Dem Einsatz von Blasensäulenfermentern bzw. Airlift-Reaktoren lagen bisher Überlegungen zugrunde, den bei aeroben Fermentationen benö­ tigten Sauerstoff gleichzeitig zum Durchmischen des Reaktorinhaltes zu verwenden. Für den Fermentationsfachmann verbot sich daher der Einsatz von Blasensäulen-Reaktoren und insbesondere von Airlift-Re­ aktoren bei anaeroben Prozessen. Anaerobe Fermentationen benötigen bekanntlich keinen Sauerstoff.

Für anaerobe Fermentationen wurden bisher in erster Linie Rühr- oder Rieselbettreaktoren vorgeschlagen. Verglichen mit einem pneumati­ schen Reaktor wird beim Rührreaktor ein höherer Energieeintrag wäh­ rend der Fermentation benötigt und es können entlang der Rührerwelle Abdichtungs- und Sterilitätsprobleme auftreten. Andere Vorschläge für die Durchführung anaerober Fermentationen beziehen sich auf Wirbelschicht-Reaktoren mit immobilisierten Mikroorganismen, so beispielsweise Qureshi, N., Maddox, I.S., Bioprocess Eng.3 (1988) 69-72. Eine derartige Wirbelschichttechnik ist für großtechnische Anwendungen sehr aufwendig und bedarf hoher Energien zur Umwälzung des Mediums, um ein optimales Wirbelbett zu erzeugen. Häufig wird dabei auch ein Trägermaterial wie etwa Sand zur Immobilisierung der Mikroorganismen benötigt, so daß sich die Frage der Fixierung der Mikroorganismen auf dem Trägermaterial stellt bzw. dafür gesonderter Aufwand nötig wird.

Die Erfindung bricht mit diesem Vorurteil. Es hat sich nunmehr ge­ zeigt, daß Blasensäulenreaktoren mit besonderem Vorteil auch bei anaeroben Fermentationen eingesetzt werden können. Mit besonderem Erfolg können solche Reaktoren bei der Umsetzung von Glycerin zu 1,3-Propandiol mit Hilfe von anaeroben Mikroorganismen verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur mikrobiellen Umsetzung eines Substrats zu einem Metaboliten unter anaeroben Be­ dingungen in einem Fermenter, dadurch gekennzeichnet, daß

• - als Fermenter ein Blasensäulenreaktor ohne mechanisch bewegte Einbauten eingesetzt wird und daß
• - zur Durchführung des Fermentationsansatzes während der Fermen­ tation durch Einpressen eines sauerstofffreien Gases im unteren Bereich des Reaktors Gasblasen erzeugt werden.

Geeignete Blasensäulenfermenter sind senkrecht stehende Zylinder mit Gaseinleitungsmöglichkeiten im unteren Raum, einem Gasabzug im oberen Raum und Zu- und Ableitungsmöglichkeiten für das Fermentationsmedium.

Weiterhin geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren sind Airlift- Reaktoren, die gegenüber den Blasensäulenfermentern noch Leitrohre enthalten können. Bei äußerer Flüssigkeitsabströmung und Begasung im Inneren des Leitrohres beträgt der Durchmesser des Leitrohres 60 bis 90%, vorzugsweise 65 bis 75%, des Durchmessers des Fermenters. Wird dagegen der Ringraum zwischen zentral angeordnetem Leitrohr und der Fermenter-Innenwand begast, so wird der Leitrohrdurchmesser 40 bis 60%, vorzugsweise 45 bis 55% des Fermenter-Durchmessers, ge­ wählt.

Zur Durchmischung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorge­ schlagen, ein sauerstofffreies Gas in den unteren Bereich des Reak­ tors einzupressen. Als sauerstofffreie Gase eignen sich in erster Linie Gärgase. Diese können allein oder in Abmischung mit geeigneten Inertgasen eingesetzt werden. Als Inertgase kommen hier Stickstoff, Kohlendioxid oder Edelgase wie Argon in Frage. Der Begriff sauer­ stofffreie Gase umfaßt auch Gase mit einem Restsauerstoffgehalt, der so bemessen ist, daß er die Fermentation nicht stört; so z. B. tech­ nischen, nicht nachgereinigten Stickstoff. Die Begasungsrate liegt vorzugsweise zwischen 0,001 vvm bis 0,2 vvm, insbesondere zwischen 0,03 und 0,07 vvm.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ar­ beitet man mit einem Reaktor, der im Kopfbereich über eine Düse ver­ fügt, durch die Flüssigstoffe zudosiert werden können. Es hat sich gezeigt, daß die gezielte Zudosierung von Flüssigstoffen zur Schaum­ bekämpfung eingesetzt werden kann, wodurch die störende Mitverwen­ dung von Antischaummittel verhindert oder auf ein Minimum begrenzt werden kann. Das Verfahren sieht dabei vor, am Kopf des Reaktors Prozeßstoffe oder im Kreislauf geführtes Kulturmedium einzusprühen. Unter Prozeßstoffen werden hier Zusatzstoffe verstanden, die zur Aufrechterhaltung der Fermentation benötigt werden, so beispiels­ weise Neutralisationsmittel bei Fermentationen, die unter pH-Ver­ schiebung stattfinden, Ausgangsprodukte oder besondere Nährstoffe für die Mikroorganismen. Diese Ausführungsform der Erfindung zeigt einen besonderen und unerwarteten Vorteil der Vorgehensweise, da die Fachwelt bei pneumatischen Reaktoren im besonderen Maße mit Schaum­ problemen gerechnet hat, die bei den hohen, bei aeroben Prozessen üblichen Begasungsraten auch auftreten.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mit einem Reaktor gearbeitet werden, bei dem das Gas am Boden eingeleitet wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorteilhaf­ terweise mit einem Reaktor gearbeitet, bei dem das Gas über einen Ringbegaser eingeleitet wird. Dabei beträgt der Durchmesser des Ringbegasers vorzugsweise soviel wie der halbe Reaktordurchmesser oder weniger. Den gewählten Lochdurchmesser der Begaser paßt der Fachmann der Höhe der Säule und der Viskosität des Mediums an.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Fachmann den Schlankheitsgrad des eingesetzten Reaktors in weiten Grenzen wählen. Unter Schlankheitsgrad wird hier das Verhältnis von Höhe zu Durch­ messer verstanden. Dieses Verhältnis soll vorteilhafterweise im Be­ reich von 5 bis 20 und insbesondere im Bereich von 5 bis 10 liegen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mit Reaktoren gearbeitet werden, die über statische Einbauten verfügen, welche die Durchmischung fördern. Derartige Einbauten sind insbesondere Leit­ rohre, die die Zirkulationsströmung pneumatisch betriebener Turmre­ aktoren stabilisieren.

Durch Einbau der Leitrohre kann man in Blasensäulen einen gelenkten Flüssigkeitsumlauf (Schlaufe) erzeugen, wodurch die Durchmischung verbessert wird. Im einfachsten Fall wird die Schleppwirkung der Blasen und der durch den Dichteunterschied zwischen Flüssigkeit und Gasblasendispersion bedingte Mammuteffekt ausgenutzt und durch ein Einsteckrohr (Leitrohr) die Zirkulationsströmung stabilisiert (Schlaufenströmung). Je nach Anordnung der Begasungseinrichtung un­ terscheidet man zwischen Mammutschlaufen-Reaktoren mit innerer oder äußerer Flüssigkeitsabströmung. Die Flüssigkeitsrückführung ist auch über ein extern angebrachtes Rohr möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise zu anaeroben Fermentationsverfahren, bei denen ein Substrat in einen Metaboliten überführt wird, beispielsweise für die fermentative Herstellung von 1,3-Propandiol aus Glycerin.

Die fermentative Her­ stellung von 1,3-Propandiol aus Glycerin ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen P 38 29 618.7 beschrieben. Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Glycerin in 1,3-Propandiol durch Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Mikroorganismenstamm, ausgewählt aus den Gruppen Clostri­ dium, Enterobakterium, Lactobacillus, Bacillus, Citrobacter, Aero­ bacter, Klebsiella, der auf einer 5 Gew.-%igen Glycerinlösung als einziger Kohlenquelle unter Standardfermentationsbedingungen Gly­ cerin in 1,3-Propandiol mit einer Raumzeitausbeute von mehr als 0,5 g×h^-1×l^-1 umsetzt, und diesen auf Glycerin als einziger Koh­ lenstoffquelle unter anaeroben Bedingungen zur technischen Umwand­ lung von Glycerinlösungen mit einer Konzentration von 5 bis 20 Gew.-% Glycerin unter Konstanthaltung des pH-Wertes einsetzt und nach weitgehendem Verbrauch des Glycerins die entstandene Biomasse abtrennt und das Produktgemisch destillativ aufarbeitet.

Ein derartiges Verfahren kann bevorzugt gemäß der hier vorliegenden Erfindung in einem pneumatischen Reaktor, etwa einem Blasensäulen­ fermenter oder einem Airlift-Reaktor durchgeführt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man dabei als Glycerinlösungen technisches Glycerin, insbesondere technische Glycerinlösungen aus der technischen Verarbeitung von Triglyceriden. Bevorzugt sind Gly­ cerinlösungen mit geringem Restfettsäureanteil. Die Glycerinkonzen­ tration beträgt vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, insbesondere 10 bis 15 Gew.-%; der pH wird in einem Bereich von 6 bis 9 konstant gehalten, insbesondere zwischen 6,5 und 8.

Die folgenden anaeroben Mikroorganismen eignen sich für das erfin­ dungsgemäße Verfahren: Clostridium perfringens, Clostridium pasteurianum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium butylicum, Clostridium butyricum, Clostridium beÿerinckii, Clostridium kantontoi, Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri, Citrobacter freundii, Aerobacter aerogenes, Klebsiella pneumoniae, Citrobacter intermedium, Klebsiella aerogenes oder Klebsiella oxytoca.

Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet ist die Um­ wandlung von Glycerin in 1,3-Propandiol unter Zuhilfenahme eines Stammes Clostridium butyricum etwa von C. butyricum DSM 5431 und/ oder dessen zu 1,3-Propandiolbildung befähigten Mutanten oder Va­ rianten. Dabei ist es ein besonderer Vorteil des Verfahrens, daß die geringe Schaumbildung durch Aufsprühen eines Teils des Fermenta­ tionsmediums auf den Schaum beherrscht werden kann, wobei auch die Schlaufenströmung im Airlift-Reaktor zur Schaumbeherrschung bei­ trägt, so daß kein Entschäumungsmittel oder nur sehr wenig Ent­ schäumungsmittel mitverwendet werden müssen. Die ansonsten auf­ wendige Abtrennung des Entschäumungsmittels von den Reaktionspro­ dukten entfällt dadurch oder wird vereinfacht.

Beispiele Beispiel 1

Nach den Angaben des Beispiels 4 der DE-Patentanmeldung P 39 24 423.7 wurde Glycerin mit Hilfe eines Stammes Clostri­ dium butyricum DSM 5431 im 50-l-Airlift-Fermenter in 1,3-Propandiol überführt. Die Gesamtglycerinkonzentration betrug 119 g/l. Nach einem Zeitraum von 21,4 Stunden wurden unter Verbrauch von 92,8 g/l Glycerin 54,2 g/l 1,3-Propandiol gebildet, was 93% der insgesamt erzeugten Stoffmenge an 1,3-Propandiol und einer Raumzeitausbeute von 2,54 g/l h entspricht. Während der Fermentation war eine Menge an Antischaummittel (Desmophen(R)), die einer Zugaberate von 0,75 g/h entsprach, ausreichend. Eine Schaumbildung war praktisch nicht vorhanden. In synchron durchgeführten Vergleichsfermentationen im 0,03 m³ Rührreaktor konnte gezeigt werden, daß der im Rührkessel­ reaktor auftretende Schaum im Gegensatz zum Betrieb im Airlift-Re­ aktor durch Zusatz des Antischaummittels Desmophen nicht zu besei­ tigen war. Während der Fermentation betrug die Begasungsrate mit dem Inertgas Stickstoff 2,5×10^-5m³/sec.

Beispiel 2

In analoger Weise wurde Glycerin mit Clostridium butyricum DSM 5431 im 1500 l Airlift-Fermenter umgesetzt. Die Stickstoffbegasungsrate betrug 1,0×10^-3m³/sec. Bei einer Anfangskonzentration des Glyce­ rins von ca. 20/l wurden durch weitere Substratzugaben insgesamt 89,2 g/l Glycerin in den Fermenter eingebracht, die vollständig um­ gesetzt werden konnten. Die Endkonzentration an 1,3-Propandiol be­ trug 51,3 g/l entsprechend einer Ausbeute von 70 mol-%, bezogen auf die verbrauchte Substratstoffmenge und einer Raumzeitausbeute von 2,97 g/l×h^-1. Zusätzlich wurden ca. 6 g/l Butyrat und Acetat sowie geringe Mengen Ethanol gebildet.

Eine nennenswerte Schaumbildung trat erst nach einer Kulturzeit von 8,5 h auf, wobei der Schaumteppich sowohl während der Laugezugabe als auch während der Zufütterung von Substrat vollständig zusammen­ brach. Zur besseren Ausnützung der schaumbekämpfenden Wirkung des Glycerins wurde das Substrat über eine am Reaktordeckel angebrachte Düse in den Kopfraum des Fermenters geführt. Während der Substrat­ zugabe brach die Schaumschicht nahezu völlig zusammen. Nach Beendi­ gung der Substratzugabe wurde über dieselbe Düse Kulturmedium, das über eine Schlauchpumpe abgezogen worden war, eingespritzt. Dabei wurde ebenfalls eine starke Reduzierung der Schaummenge festge­ stellt.

Claims (9)

1. Verfahren zur mikrobiellen Umsetzung eines Substrats zu einem Metaboliten unter anaeroben Bedingungen in einem Fermenter, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - als Fermenter ein Blasensäulenreaktor ohne mechanisch bewegte Einbauten eingesetzt wird und daß
• - zur Durchführung des Fermentationsansatzes während der Fer­ mentation durch Einpressen eines sauerstofffreien Gases im unteren Bereich des Reaktors Gasblasen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sau­ erstofffreie Gase die am Kopf des Reaktors abgezogenen Gärgase und/oder Inertgase wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Argon ein­ gesetzt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Begasungsrate 0,001 bis 0,2 vvm, vorzugsweise 0,03 bis 0,07 vvm, beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Schaumbekämpfung Prozeßstoffe und/oder im Kreislauf geführtes Kulturmedium durch eine im oberen Reaktor­ teil angeordnete Düse auf den Schaum gesprüht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gas am Boden des turmartigen Reaktors zentral - insbesondere axial - über ein Einsteckrohr oder ein Begasungs­ ring eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis Höhe zu Durchmesser des Reaktors zwischen 5 bis 20 und 5 bis 10 gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reaktor statische Einbauten enthält, die die Durchmischung fördern, insbesondere Schlaufen, die vorzugsweise mittig oder wandgängig angebracht sind und als Trennwand aus­ gebildet sein können.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Substrat Glycerin eingesetzt wird und dieses in Gegenwart anaerober Mikroorganismen in 1,3-Propandiol umge­ setzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als anaerobe Mikroorganismen Stämme der Gattung Clostridium butyricum eingesetzt werden.