DE4212187C1 - Continuous fermentation to produce e.g. acetone@, methanol etc. esp. acetic acid - where substrate addn. is controlled in 1st fermentation unit and material is introduced in 2nd unit, to form prod. which is then micro- and/or ultra-filtered - Google Patents

Continuous fermentation to produce e.g. acetone@, methanol etc. esp. acetic acid - where substrate addn. is controlled in 1st fermentation unit and material is introduced in 2nd unit, to form prod. which is then micro- and/or ultra-filtered

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Fermentierung, insbesondere ein Verfahren zur kontinuierlichen Essigsäurefermentierung.
Bei der Essigsäurefermentierung beeinflußt die Ethanolkonzentrtion in der Fermenterbrühe in ganz erheblichem Maße die Fermentationsproduktivität, da Ethanol sowohl als inhibierende Substanz als auch als Substrat für die Essigsäure- Erzeugung fungiert. Wenn die Alkoholkonzentration weit entfernt vom optimalen Wert liegt, so verringert sich dadurch die Essigsäureproduktivität ganz enorm. Es ist also für eine wirtschaftliche Prozeßführung unbedingt erforderlich erforderlich, die Ethanolkonzentration in der Fermenterbrühe in einem engen, optimalen Bereich zu halten, d. h., die Beschickung des Fermenters mit der Ethanollösung zu steuern und zu regeln.
Üblicherweise wird ein Verfahren zur Überwachung der Ethanolkonzentration und zur Steuerung der Beschickung angewendet, bei dem der Fermenterbrühe eine Probe entnommen und darin die Ethanolkonzentration in üblicher Weise, wie z. B. gaschromatographisch oder colorimetrisch, also off-line und zeitversetzt, bestimmt und die erforderliche Ethanolmenge zudosiert wird. Dieses Verfahren ist sehr umständlich und im industriellen Maßstab nicht praktikabel.
Es sind Fermentationsverfahren bekannt, bei denen verschiedene aneinandergeschaltete Sensoren unter Verwendung eines Rechners eingesetzt werden. Beispielsweise wird bei der Fermentation von Bäckerhefe die Beschickung durch einen Rechner geteuert, basierend auf den analytischen Ergebnissen der Kohlendioxid- und Sauerstoffkonzentration in der Abluft.
Aus der DE 35 14 634 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Essig durch Essigsäurefermentation bekannt, bei dem ein automatischer Alkohol-Analysator zur Messung der Alkohol- Konzentration in der Fermenterbrühe, eine Beschickungsvorrichtung für die Alkohollösung und ein Steuerrechner, der steuerbar an den Alkoholanalysator und die Beschickungsvorrichtung gekoppelt ist, verwendet wird.
Nicht nur die Ethanolkonzentration ist ein wichtiger Parameter bei der Essigsäurefermentation, sondern auch die Konzentration der mikrobiell erzeugten Essigsäure, die das Hauptprodukt der Fermentierung bildet. Bei der Essigsäurefermentation wird das Wachstum der Essigsäurebakterien mit steigender Essigsäurekonzentration gehemmt, so daß es problematisch ist, Essigsäure durch Fermentation in hohen Konzentrationen herzustellen. Aus der DE 30 05 099 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Essig mit hoher Essigkonzentration bekannt, bei dem die Temperatur in der Fermenterbrühe auf 27-32°C gehalten wid, bis die Essigsäurekonzentration im Fermenter 12-15 Gew.-% erreicht und bei dem dann die Temperatur der Fermenterbrühe auf 18-24°C gehalten wird, bis fertiger Essig mit einer Essigsäurekonzentration von mehr als 18 Gew.-% resultiert.
Ein weiteres Bestreben ist es, die Fermentierung kontinuierlich durchzuführen. Aus der EP 01 89 378 A1 ist ein Verfahren zur submersen, kontinuierlichen Herstellung von Gärungsessig aus Ethanol bekannt, bei dem dem Bioreaktor während der Vergärung ein Teil des Mediums zusammen mit den Mikroorganismen entnommen wird, über einen Mikro/Ultrafilter die aktiven Mikroorganismen als Retentat unter Begasung unmittelbar in den Bioreaktor zurückgeführt werden und mittels eines zugeschalteten Hyperfilters der erzeugte Gärungsessig wenigstens partiell als Endprodukt abgetrennt und durch die Hyperfiltration die Konzentration an Essigsäure im Bioreaktor gesteuert wird.
Wie eben gesagt wurde, ist das Wachstum der Essigsäurebakterien und damit die Essigsäureproduktion sowohl von der Ethanol- als auch von der Essigsäurekonzentration im Fermenter abhängig. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß grundsätzlich das Wachstum der Mikroorganismen und damit die Produktbildung als Funktion der Substrat- und der Produktkonzentration gegeben ist. Die aus der Detektion der Produkt- bzw. Substratkonzentration gewonnenen Daten können über ein Steuer-Regel-Meß-System zur Regelung der Substratkonzentration eingesetzt werden, die eine bestimmte Wachstumsrate zur Folge hat. Dadurch wird die Durchfluß- bzw. Wachstumsrate und damit die Produktivität in Abhängigkeit der jeweiligen Konzentration (Substrat, Produkt) im Fermenter zur regelbaren Größe (Prinzip des erzwungenen Chemostaten).
Kontinuierlich geführte Kulturen, so auch der oben beschriebene erzwungene Chemostat, besitzen jedoch den Nachteil, daß die Restsubstratkonzentration zu hoch ist oder daß bei einer Prozeßführung, die nur geringe Substratkonzentrationen zuläßt, die resultierende volumetrische Produktivität zu gering ausfällt. Weiterhin wird durch eine offene Prozeßführung bei der einfachen kontinuierlichen Kultivierung, bedingt durch die notwendige Verdünnungsrate des Fermenters, ein Teil der im Fermenter befindlichen Biomasse ausgetragen.
Die industriell betriebene, aerobe Essigsäurefermentation bedient sich der Technik der Batch-Kultivierung mit Teilerneuerung der Mikroorganismen. Die hierbei resultierenden Produktivitäten liegen zwischen 1,5 und 1,8 g/l * h (0,025- 0,03 mol/l * h) bei Produktkonzentrationen zwischen 120 und 140 g/l (2-2,35 mol/l). Ansätze der kontinuierlichen Kultivierung mit integrierter Produktaufarbeitung durch Umkehrosmose oder durch Elektrodialyse wurden zwar gemacht, und es wurden dabei auch die notwendigen Bedingungen des permanenten Produktaustrages mit einer Produktkonzentrierung erfüllt, aber diese Verfahren bedienen sich entweder der Batch-Kultivierung oder der klassischen Chemostat-Kultivierung mit und ohne Zell-Recycling, und sie weisen die damit verbundenen Nachteile auf.
Nachteil all dieser Verfahren nach dem Stand der Technik ist im wesentlichen die Tatsache, daß die Produktion absatzweise betrieben wird und die Fermenter somit nicht kontinuierlich im Leisungsoptimum gefahren werden können, wobei die kontinuierliche Verfahrensweise besonders für Produkte, die in geringer Konzentration anfallen, unwirtschaftlich ist. Ferner findet hier eine nicht vollständige Substratverwertung statt, was im Hinblick auf die anfallenden Substratkosten und die verminderte Produktausbeute ebenfalls wirtschaftliche Nachteile mit sich bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Fermentierung kontinuierlich und automatisiert im produkt- und substratkonzentrationsabhängigen Leistungsoptimum durchgeführt werden kann und bei dem gleichzeitig eine hohe Produktkonzentration und eine möglichst vollständige Verwertung des Substrats möglich ist. Ferner soll das Verfahren so ausgelegt sein, daß der biomassenabhängige Anteil der Produktbildung stärker genutzt wird, um eine erhöhte volumetrische Produktivität zu erhalten. Außerdem soll ein Auswaschen der Mikroorganismen verhindert werden, um dadurch höhere Verdünnungsraten realisieren zu können. Das Verfahren soll für alle Fermentationsprozesse angewendet werden können, die sowohl einer Substrat- als auch einer Produktinhibierung unterliegen und die somit im konventionellen Betrieb nicht im Leistungsoptimum betrieben werden können. Ferner soll das Verfahren auch bei den Fermentationsprozessen wirtschaftlich angewendet werden können, bei denen im konventionellen Betrieb die Produkte nur mit einer geringen Konzentration anfallen. Ferner soll das Verfahren universell einsetzbar sein, d. h., unabhängig von der speziellen Art der Fermentierung.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß man die Fermentation in zwei Fermentationseinheiten durchführt, daß man den ersten Fermenter (F1) im Leistungsoptimum betreibt, indem man über ein Meß-Steuer-Regel-System die Substratzufuhr steuert und die Substratkonzentration und damit bei stationären Verhältnissen und konstantem Volumenstrom die Produktkonzentration konstant hält, daß man im zweiten Fermenter (F2) eine Restfermentierung durchführt, daß man Inhalt des Fermenters 1 in Fermenter 2 überführt, wobei der Biomassentransfer von Fermenter 1 in Fermenter 2 durch die Bleedrate bestimmt und über ein Meß-Steuer-Regel-System so eingestellt wird, daß im Fermenter 2 die zur Restfermentierung erforderliche Biomasse zur Verfügung steht, daß man in beiden Fermentationsstufen einen direkten Produktaustrag jeweils über eine Mikrofiltrations- und/oder eine Ultrafiltrationseinheit durchführt und das Retentat der Mikro- und/oder Ultrafiltration jeweils in den Fermenter zurückführt, wobei man gegebenenfalls in der zweiten Fermentationsstufe einen Teilstrom aus dem System entfernt, und daß man aus dem Permeat der Mikro- und/oder Ultrafiltration des Fermenters 2 das Produkt nach üblichen Methoden aufkonzentriert und/oder aufarbeitet (vgl. Pastentanspruch 1).
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine zweistufige Fermentation dar. Das Fermentationssystem ist in zwei Fermentationseinheiten unterteilt, wobei der erste Fermenter bezüglich der Substrat- und Produktkonzentration im Leistungsoptimum betrieben wird und der zweite Fermenter der Restfermentierung dient. In beiden Fermentationsstufen ist ein direkter Produktaustrag über eine Mikro- bzw. Ultrafiltrtion vorgesehen, und es kann eine Produktkonzentrierung vorgenommen werden, indem man das Permeat dieser Filtration weiter behandelt und z. B. einer Elektrolyse, Pervaporation, Reversosmose oder Extraktion unterzieht oder indem man das Wasser z. B. durch Ausfrieren entfernt.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, eine Fermentierung im Fermenter 1 so zu realisieren, daß sie vollkontinuierlich und automatisiert abläuft, daß sowohl die Substratzufuhr als auch der Produktaustrag kontinuierlich durchgeführt werden, daß das Substrat vollständig fermentiert wird und daß dabei der Fermenter kontinuierlich und automatisiert im produkt- und substratkonzentrationsabhängigen Leistungsoptimum betrieben wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in konventionellen Fermentationsverfahren der Batchprozeß durch eine kontinuierliche, automatisierte Prozeßführung ersetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit großem Vorteil bei all den Fermentationsprozessen angewendet werden, die einer Substrat- und/oder einer Produktinhibierung unterliegen und die deshalb im konventionellen Betrieb nicht im Leistungsoptimum geführt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich geworden, auch diese Fermentationsprozesse im Leistungsoptimum zu betreiben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei all den Fermentationsprozessen in wirtschaftlicher Weise anwendbar, bei denen das gewünschte Stoffwechselprodukt nur in geringen Konzentrationen anfällt. Ferner ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich geworden, eine vollständige Substratverwertung durchzuführen, was sich im Hinblick auf die anfallenden Substratkosten und die erhöhte Produktausbeute als wirtschaftlich sehr vorteilhaft erweist.
Die Substratzufuhr in den Fermenter 1 kann z. B. in der Weise gesteuert werden, daß man die Substrat- und/oder die Produktkonzentration im Fermenter 1 mißt und daß man das Meßsignal an einen PID-Regler gibt, der die Pumpe für die Substratzufuhr steuert. Die Substrat- bzw. Produktkonzentration kann entweder in der Dampfphase über dem Fermenter oder in der flüssigen Phase bestimmt werden. Vorteilhaft ist es, wenn Substrat oder Produkte, die über einen nennenswerten Dampfdruck verfügen, in der Gasphase z. B. mittels eines IR-Detektors gemessen werden. Werden Substrat bzw. Produkt in der flüssigen Phase bestimmt, so kann dies z. B. nach einer Klärung im Volumenstrom der Mikro- bzw. Ultrafiltration erfolgen.
Durch die Integration einer Mikrofiltration und/oder einer Ultrafiltration ist es möglich, in jeder Fermentationsstufe eine Zellmassenrückführung durchzuführen. Dadurch wird der biomassenabhängige Anteil der Produktbildung stärker genutzt, was sich in einer erhöhten volumetrischen Produktivität äußert. Außerdem wird durch die Biomassenrückführung das Auswaschen der Mikroorganismen verhindert, wodurch höhere Verdünnungsraten realisiert werden können. Die Integration der Mikro- bzw. Ultrafiltration führt dazu, daß Zellmasse zurückgehalten wird und daß dadurch ein erhöhter Anteil der Zellmasse an der Produktbildung beteiligt ist. Ferner bewirkt die Mikro- bzw. Ultrafiltration, daß ein geklärter Produktstrom der weiteren Produktaufarbeitung zugeführt wird.
Das substrat- und produktkonzentrationsabhängige Leistungsoptimum hinsichtlich Wachstums -und Produktbildungsrate im Fermenter 1 wird dadurch realisiert, daß die Substratkonzentration im Fermenter kontinuierlich gemessen wird und daß durch ein Meß-Steuer-Regel-System die Substratzufuhr so gesteuert wird, daß die Substratkonzentration und damit die Produktkonzentration konstant gehalten werden. Solche Meß-Steuer-Regel-Systeme sind dem Fachmann bekannt.
Der Biomassentransfer von Fermenter 1 nach Fermenter 2 ist durch die Bleedrate gegeben und ist so gewählt, daß die zur Restfermentierung in Fermenter 2 erforderliche Biomasse zur Verfügung steht. Je nach gewünschter Produktkonzentration in Fermenter 2 wird in Abhängigkeit der in Fermenter 2 resultierenden Wachstumsrate die Bleedrate (Biomassentransfer) kleiner bzw. größer gewählt.
Bezüglich der Produktaufarbeitung und bezüglich der Weiterbehandlung der Permeats der Mikro- bzw. Ultrafiltration aus dem Fermenter 1 gibt es verschiedene bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden.
Abb. 1 zeigt schematisch eine Variante (Variante 1) des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher das Permeat der Mikro- bzw. Ultrafiltration im Anschluß an die erste Fermentationsstufe direkt in den Fermenter 2 geleitet wird und bei welcher das bzw. die Fermentationsprodukte nur aus dem Permeat der Mikro- bzw. Ultrafiltration im Anschluß an die zweite Fermentationsstufe aufkonzentriert bzw. aufgearbeitet werden. Die Produktaufkonzentrierung bzw. -aufarbeitung erfolgt nach bekannten Methoden gemäß dem Stand der Technik. Solche Methoden sind ohne Einschränkung der Allgemeinheit die Elektrodialyse, wenn es sich um ionogene Produkte wie z. B. Carbonsäuren handelt, ferner die Pervaporation, die Reversosmose, eine Extraktion (z. B. mit CO₂ oder organischen Lösungsmitteln) sowie chromatographische oder Ionenaustauschermethoden. Die Wahl der jeweiligen Methoden richtet sich dabei nach der Art der Produkte und kann vom Fachmann ohne Schwierigkeiten entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall getroffen werden.
Abb. 2 und 3 zeigen schematisch zwei weitere Varianten (Variante 2 und 3) des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchen jeweils das Permeat der ersten Mikro- bzw. Ultrafiltration einem weiteren Membrantrennverfahren unterzogen wird und bei welchen jeweils das oder die Fermentationsprodukte sowohl aus dem Permeat dieses zweiten Membrantrennverfahrens als auch aus dem Permeat der Mikro- bzw. Ultrafiltration im Anschluß an die zweite Fermentationsstufe aufkonzentriert bzw. aufgearbeitet werden. Dieses zweite Membrantrennverfahren ist in den Abb. 2 und 3 beispielhaft als Elektrodialyse dargestellt. Diese Ausführungsformen (Variante 2 und 3) des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aber nicht auf eine Elektrodialyse beschränkt. Als weitere Membrantrennverfahren kommen die Pervaporation oder die Reversosmose in Frage. Die Wahl der geeigneten Membrantrennverfahren richtet sich dabei nach der Art der jeweiligen Produkte und kann vom Fachmann ohne Schwierigkeiten entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall getroffen werden.
Der Unterschied zwischen Variante 1 und 2 besteht nun in der Weiterbehandlung des Retentats des zweiten Membrantrennverfahrens im Anschluß an die erste Mikro- bzw. Ultrafiltration. Dieses wird in der Variante 2 (Abb. 2) des erfindungsgemäßen Verfahrens zurück in den Fermenter 1 geleitet und in der Variante 3 (Abb. 3) in den Fermenter 2.
Es ist zweckmäßig, die Produktaufarbeitung bzw. -aufkonzentrierung so zu gestalten, daß bei hohen Produktkonzentrationen das Wasser, z. B. durch Ausfrieren oder durch eine andere Maßnahme, entfernt wird und daß bei niedrigen Produktkonzentrationen das Produkt durch eine geeigente Maßnahme abgetrennt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einer großen Anzahl von Fermentationen eingesetzt werden. Bevorzugt wird es bei der Produktion von organischen Säuren oder nichtionogenen Substanzen, wie z. B. von Alkoholen oder von anderen Lösungsmitteln, eingesetzt. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung von Milch-, Zitronen-, Wein-, Oxal-, Bernstein-, Äpfel- oder Fumarsäure angewendet. Bevorzugte Beispiele für Alkohole sind Butanol oder Methanol, und bevorzugte Beispiele für andere Lösungsmittel sind Aceton oder Essigsäureethylester.
Wenn es sich bei dem Substrat um Ethanol (z. B. für die Essigsäurefermentation) oder um eine andere Substanz handelt, die im Gleichgewicht mit der geschlossenen Gasphase unter der Fermentationsflüssigkeit eine meßbare Konzentration aufweist, so wird bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Substrat-Zufuhr in der Weise gesteuert, daß man in der Dampfphase des Fermenters 1 mit Hilfe eines IR-Detektors den Substrat-Gehalt mißt und daß man das Meßsignal an einen PID-Regler leitet, der eine Pumpe für die Substrat-Zufuhr steuert.
Ganz besonders große Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren bei der Essigsäurefermentation. Am Beispiel der Essigsäurefermentation wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Der Fermenter 1 hat ein Volumen von 1000 l und wird hinsichtlich der volumetrischen Produktivität im Leistungsoptimum betrieben (cEtOH=0,5-0,6 mol/l; cHOAc=1,05- 1,15 mol/l; Gesamtkonzentration ca. 1,6 mol/l). Nach der zweiten Fermentationsstufe wird eine elektrodialytische Produktaufarbeitung vorgenommen (Teilentsäuerung um ca. 0,6 mol/l). Die Fermentation wird nach der Verfahrensvariante gemäß Abb. 1 durchgeführt. Es ergeben sich die in der folgenden Tabelle dargestellten Daten.
Volumen Reaktor 1|1000 l
Bleedvolumenstrom 25 l/h
Permeatvolumenstrom 1 140 l/h
Volumen Fermenter 2 1300-1400 l
Verdünnungsrate Fermenter 2 <0,12 l/h
Transmembraner Molenstrom (HOAc) ED 2 (bei Abreicherung um 0,6 mol/l) <100 mol/h
notwendige Membranfläche ED 2 <20 m²
Transmembraner Molenstrom (H₂O) ED 2 <900 mol/h
Transmembraner Volumenstrom ED 2 <22,2 l/h
Permeatkonzentration ED 2 (HOAc) ca. 4,5 mol/l
Bleedvolumenstrom Fermenter 2 (geklärt oder ungeklärt) <143 l/h
Bleedkonzentration Fermenter 2 (HOAc) 1,15 mol/l=6,9%
Beispiel 2
Der Fermenter 1 hat ein Volumen von 1000 l und wird hinsichtlich der volumetrischen Produktivität im Leistungsoptimum betrieben (cEtOH=0,5-0,6 mol/l; cHOAc=1,05- 1,15 mol/l; Gesamtkonzentration ca. 1,6 mol/l). Es werden nach der 1. Fermentationsstufe 0,1 mol/l entzogen und nach der 2. Fermentationsstufe 0,6 mol/l (jeweils Teilentsäuerung). Die Fermentation wird nach der Verfahrensvariante gemäß Abb. 2 durchgeführt. Es ergeben sich die in der folgenden Tabelle dargestellten Daten.
Volumen Reaktor 1|1000 l
Bleedvolumenstrom 25 l/h
Permeatvolumenstrom 1 140 l/h
Transmembraner Molenstrom (HOAc) ED 1 (bei Abreicherung um 0,1 mol/l) 14 mol/h
notwendige Membranfläche ED 1 2,8 m²
Transmembraner Molenstrom (H₂O) ED 1 126 mol/l
Transmembraner Volumenstrom ED 1 3,15 l/h
Permeatkonzentration ED 1 (HOAc) 4,3 mol/l
Volumen Fermenter 2 1200-1300 l
Verdünnungsrate Fermenter 2 <0,134 l/h
Transmembraner Molenstrom (HOAc) ED 2 (bei Abreicherung um 0,6 mol/l) <97 mol/h
notwendige Membranfläche ED 2 <19,5 m²
Transmembraner Molenstrom (H₂O) ED 2 <875 mol/h
Transmembraner Volumenstrom ED 2 <21,75 l/h
Permeatkonzentration ED 2 (HOAc) ca. 4,3 mol/l
Bleedvolumenstrom Fermenter 2 (geklärt oder ungeklärt) <140 l/h
Bleedkonzentration Fermenter 2 (HOAc) 1,09 mol/l=6,5%
Beispiel 3
Der Fermenter 1 hat ein Volumen von 1000 l und wird hinsichtlich der volumetrischen Produktivität im Leistungsoptimum betrieben (cEtOH=0,5-0,6 mol/l; cHOAc=1,05- 1,15 mol/l; Gesamtkonzentration ca. 1,6 mol/l). Es werden nach der 1. Fermentationsstufe 0,7 mol/l entzogen und nach der 2. Fermentationsstufe 0,1 mol/l (jeweils Teilentsäuerung). Die Fermentation wird nach der Verfahrensvariante gemäß Abb. 2 durchgeführt. Es ergeben sich die in der folgenden Tabelle dargestellten Daten.
Volumen Reaktor 1|1000 l
Bleedvolumenstrom 25 l/h
Permeatvolumenstrom 1 140 l/h
Transmembraner Molenstrom (HOAc) ED 1 (bei Abreicherung um 0,7 mol/l) 98 mol/h
notwendige Membranfläche ED 1 20 m²
Transmembraner Molenstrom (H₂O) ED 1 1040 mol/l
Transmembraner Volumenstrom ED 1 24,6 l/h
Permeatkonzentration ED 1 (HOAc) 3,9 mol/l
Volumen Fermenter 2 1000-1100 l
Verdünnungsrate Fermenter 2 <0,133 l/h
Transmembraner Molenstrom (HOAc) ED 2 (bei Abreicherung um 0,1 mol/l) <14 mol/h
notwendige Membranfläche ED 2 <2,8 m²
Transmembraner Molenstrom (H₂O) ED 2 <126 mol/h
Transmembraner Volumenstrom ED 2 <3,15 l/h
Permeatkonzentration ED 2 (HOAc) 4,4 mol/l
Bleedvolumenstrom Fermenter 2 (geklärt oder ungeklärt) <137,5 l/h
Bleedkonzentration Fermenter 2 (HOAc) 1,10 mol/l=6,6%
Beispiel 4
Der Fermenter 1 hat ein Volumen von 1000 l und wird hinsichtlich der volumetrischen Produktivität im Leistungsoptimum betrieben (cEtOH=0,5-0,6 mol/l; cHOAc=1,05- 1,15 mol/l; Gesamtkonzentration ca. 1,6 mol/l). Es wird nach der 1. Fermentationsstufe eine Teilentsäuerung vorgenommen. Die 2. Fermentationsstufe dient der Restversäuerung. Die Fermentation wird nach der Verfahrensvariante gemäß Abb. 3 durchgeführt. Es ergeben sich die in der folgenden Tabelle dargestellten Daten.
Volumen Reaktor 1|1000 l
Bleedvolumenstrom 25 l/h
Transmembraner Molenstrom (HOAc) ED 1 (bei Abreicherung um 0,7 mol/l) 147 mol/h
notwendige Membranfläche ED 1 29,4 m²
Transmembraner Molenstrom (H₂O) ED 1 1323 mol/l
Transmembraner Volumenstrom ED 1 32,6 l/h
Permeatkonzentration ED 1 (HOAc) 4,3 mol/l
Volumen Fermenter 2 170-180 l
Verdünnungsrate Fermenter 2 <0,138 l/h
Bleedvolumenstrom Fermenter 2 (geklärt oder ungeklärt) 25 l/h
Bleedkonzentration Fermenter 2 (HOAc) 1,60 mol/l=9,6%

Claims (11)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Fermentierung mit folgenden Maßnahmen:
  • - man führt die Fermentation in zwei Fermentationseinheiten durch;
  • - man betreibt den ersten Fermenter (F1) im Leistungsoptimum, indem man über ein Meß-Steuer-Regel-System die Substratzufuhr steuert und die Substratkonzentration und damit die Produktkonzentration konstant hält;
  • - man führt im zweiten Fermenter (F2) eine Restfermentierung durch;
  • - man überführt Inhalt des Fermenters 1 in Fermenter 2, wobei der Biomassentransfer von Fermenter 1 in Fermenter 2 durch die Bleedrate bestimmt und über ein Meß-Steuer-Regel- System so eingestellt wird, daß im Fermenter 2 die zur Restfermentierung erforderliche Biomasse zur Verfügung steht;
  • - man führt in beiden Fermentationsstufen einen direkten Produktaustrag jeweils über eine Mikrofiltrations- und/oder eine Ultrafiltrationseinheit durch, man leitet das Retentat der Mikro- und/oder Ultrafiltration jeweils in den Fermenter zurück, und man entfernt gegebenenfalls in der zweiten Fermentationsstufe einen Teilstrom aus dem System;
  • - man konzentriert und/oder arbeitet aus dem Permeat der Mikro- und/oder Ultrafiltration des Fermenters 2 das/die Produkt/e nach üblichen Methoden auf.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Permeat der Mikro- und/oder Ultrafiltration des Fermenters 1 direkt in den Fermenter 2 leitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Permeat der Mikro- und/oder Ultrafiltration des Fermenters 1 einem Membrantrennverfahren unterzieht und daß man aus dem Permeat nach üblichen Methoden das/die Produkt/e gewinnt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Retentat des Membrantrennverfahrens in den Fermenter 2 leitet.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Retentat des Membrantrennverfahrens zurück in den Fermenter 1 leitet.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Permeat der Mikro- und/oder Ultrafiltration des Fermenters 1 einer Elektrodialyse, einer Umkehrosmose oder einer Pervaporation unterzieht.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Fermentation um die Produktion von organischen Säuren oder von nichtionogenen Substanzen handelt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Fermentation um die Produktion von Milch-, Zitronen-, Wein-, Oxal-, Bernstein-, Äpfel- oder Fumarsäure handelt oder um die Produktion von Butanol, Methanol oder Aceton.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Fermentation um eine Essigsäurefermentation handelt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Substrat-Zufuhr steuert, indem man im Kopfraum des Fermenters 1 mit Hilfe eines IR-Detektors den Substrat-Gehalt mißt und daß man das Meßsignal an einen PID-Regler leitet, der eine Pumpe für die Substrat-Zufuhr steuert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Substrat um Ethanol, gegebenenfalls mit Zusätzen oder Nährstoffen versehen, handelt oder um andere Substrate oder Substratbestandteile, die im Gleichgewicht mit der geschlossen Gasphase über der Fermentationsflüssigkeit eine meßbare Konzentration aufweisen.
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