DE4406632C1

DE4406632C1 - Feststoff-Bioreaktor

Info

Publication number: DE4406632C1
Application number: DE19944406632
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Vollbrecht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-01
Filing date: 1994-03-01
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2014-03-02
Also published as: EP0676466A2; EP0676466A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Feststoff-Bioreaktor zur Kultur von Mikroorganismen auf festen, gequollenen, partiku lären Substraten unter kontrollierten Bedingungen (Temperatur, Gasatmosphäre, Feuchtigkeit).

Verschiedene Konzepte zur Auslegung und Gestaltung von Feststoff-Bioreaktoren sind bekannt. Zu den am häufigsten in der Fachliteratur diskutierten Typen zählt der sogenannte "Rotary Drum Reaktor". Dieser besteht aus einem auf der Seite liegenden, hohlen Zylinder, in dessen Innenraum Mikroorganis men auf festen Substraten kultiviert werden sollen. Da das Substrat sich in diesem Bioreaktortyp in einer relativ dicken Schicht befindet, muß es zur Aufrechterhaltung einer ausrei chenden Ventilation (Abführen der Oxidationswärme, Entfernung von überschüssigem Kohlendioxid, ausreichende Versorgung mit Sauerstoff sowie Feuchtigkeit) während der Fermentation ständig oder in regelmäßigen Intervallen umgewälzt werden. Ein wesent licher, hiermit verbundener Nachteil ist jedoch, daß das an der Oberfläche des partikulären Substrates befindliche Pilzmycel durch die bei der Umwälzung auftretenden Scherkräfte geschä digt wird. Hierdurch wird die Stoffwechselaktivität der betref fenden Kultur stark vermindert, oder sie kommt sogar zum Still stand, bevor sie sich nach mehreren Stunden ohne Umwälzung all mählich wieder erholen kann. Die "Rotary Drum Reaktoren" haben sich wegen dieses Nachteils nicht auf dem Markt behaupten kön nen.

Es wurde daher versucht, ruhende, statische Kulturen großer Schichtdicke (bis 1,50 m) zu kultivieren. Hiermit ist je doch der Nachteil verbunden, daß wegen der hohen Schichtdicke erhebliche Diffusionswiderstände auftreten. Diese lassen sich nur durch das Einblasen von Luft oder anderen, geeigneten Gas gemischen unter Druck überwinden. Außerdem vergrößert sich bei fortschreitendem Mycelwachstum der Diffusionswiderstand infolge des Zuwachsens der interpartikulären Räume derart, daß vor Er reichen des maximal möglichen Wachstums der Prozeß wegen Überhitzung, Mangel an Kohlendioxidventilation sowie Mangel an Sauerstoffversorgung zusammenbricht und daher vorzeitig abge brochen werden muß.

Bei einer weiteren Variante wird die Feststoff-Fermenta tion in einer relativ dünnen Schicht, auf flachen Tabletts, durchgeführt. Hierdurch werden die für die anderen beiden Typen beschriebenen Nachteile vermieden, jedoch tritt ein anderer Nachteil auf; denn wegen des auf viele flache Tabletts verteil ten, in Abständen installierten Substrates sinkt die auf das Gesamtvolumen des Bioreaktors bezogene Nutzlast erheblich. Ein weiterer Nachteil der bisher für die Kultur in flachen Tabletts verwendeten Bioreaktoren ist, daß die Oxidationswärme durch eine entsprechende Intensität der Durchströmung des Reaktor raumes mit angefeuchteter, steriler Luft kompensiert wird. Mit zunehmendem Wachstum führt dies bei, wie in der Praxis üblich, nur geringfügig geringerer Temperatur der Zuluft im Reaktions raum zu notwendigen Luftwechselraten von bis mehr als 100 Luftwechseln/min. Hierdurch werden jedoch Überströmungsgeschwindigkeiten erzeugt, bei denen das an der Oberfläche be findliche Mycel mit signifikant verringerter Stoffwechsel aktivität nach Art von Wetterfichten wächst. Dies ist jedoch im Interesse einer optimalen Prozeßführung unerwünscht. Ein weite rer Nachteil der für die Kultur in flachen Tabletts bisher ver wendeten Bioreaktoren ist, daß, insbesondere bei größeren An lagen unter Vollast und intensivem Wachstum, erhebliche Mengen an geruchsintensiver und keimbelasteter Abluft entsorgt werden müssen. Ein weiterer Nachteil der für die Kultur in flachen Tabletts verwendeten Bioreaktoren ist, daß der Dampf für die Befeuchtung der eingeblasenen Luft bzw. des Gasgemisches in Erhitzern erzeugt wird. Hierdurch sind erhebliche Anstrengun gen zum Herunterkühlen des heißen Dampfes bedingt. Beim Herun terkühlen geht jedoch ein großer Teil des Wasserdampfes durch Kondensation wieder verloren. Dies bedingt einen relativ ge ringen Wirkungsgrad und eine hieraus resultierende überdimen sionale Anlage zur Luftbefeuchtung. Wegen dieser Nachteile wird daher, wie bereits erwähnt, in der Regel die einzublasende, be feuchtete Luft auf eine Temperatur abgekühlt, die nur unwesent lich unterhalb der gewünschten Reaktorinnentemperatur liegt. Dies bedingt einen relativ geringen Wirkungsgrad bei der not wendigen Ableitung von Oxidationswärme.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Bioreaktortyp zur Kultur von Mikroorganismen auf festen, partikulären Sub straten aufzuzeigen, der die genannten Nachteile nicht auf weist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vor richtung, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 enthält.

Eine bevorzugte Ausgestaltung stellt eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dar.

Der Feststoff-Bioreaktor nach der vorliegenden Erfindung wird nun an verschiedenen Beispielen erläutert.

Beispiel 1

In dem erfindungsgemäßen Bioreaktor waren Gasaustausch und Wachstum einer Kultur von Aspergillus niger bei einer Neigung der Tabletts von 15° gegenüber anderen auf dem Markt befindli chen Systemen wesentlich beschleunigt: das Wachstum war nach ca. 24 h optimal, verglichen mit 48 bis 72 h bei anderen Syste men. Dies ist eine Verbesserung der Durchsatzleistung um mehr als 100%. Infolge der verbesserten Ventilation konnten im Ver gleich zu anderen Systemen die lichten Abstände zwischen den übereinander liegenden Tabletts auf nur 1 bis 4 cm gegenüber sonst 5 bis 15 cm und mehr begrenzt werden, und die Nutzlast- Kapazität gegenüber anderen Systemen wurde um mehr als 35% gesteigert.

Beispiel 2

In dem erfindungsgemäßen Bioreaktor betrug die Zeitspanne bis zum Erreichen des maximalen Wachstums bei Rhizopus oligo sporus 15-20 h gegenüber 48-72 h bei anderen Systemen mit weniger effizienter Ventilation, die zur Verbesserung derselben auch noch in periodischen Abständen durchmischt werden müssen. Dies ist eine Verbesserung der Durchsatzleistung um über 100%.

Beispiel 3

Infolge der regelbaren Umwälzung der Gasatmosphäre inner halb des erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktors zur Vermeidung turbulenter Strömungen über dem bewachsenen Substrat ließen sich, verglichen mit anderen Systemen, die Geschwindigkeit des Wachstums, die Produktbildungsrate sekundärer Metaboliten sowie die Ausbeute an Biomasse bzw. Produkt in Kulturen mit Penicil lium chrysogenum um ca. 25% steigern.

Beispiel 4

Die Gestaltung der Inneneinrichtung des erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktors mit plattenförmigen, flachen Wärme tauschern sowie Leitblechen zur Erzeugung einer gerichteten Zwangsströmung führte in Kulturen mit Rhizopus oligosporus zu einer Verringerung der für eine ausreichende Ventilation er forderlichen Umwälzleistung sowie der erforderlichen Frisch luftversorgung um jeweils ca. 50%, verglichen mit anderen Systemen.

Beispiel 5

Die dosierte Zuspeisung von befeuchteter Frischluft in dem erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktor zur Kompensation des durch eine Kultur von Aspergillus oryzae verbrauchten Sauer stoffs sowie zur Ventilation des produzierten Kohlendioxids er gab, verglichen mit der sonst üblichen Frischluftversorgung, eine Verringerung des geruchsintensiven und keimbelasteten Ab luftvolumens um ca. 80%. Hierdurch wird, verglichen mit an deren Systemen, eine signifikante Kostensenkung bei der Ent sorgung der Abluft sowie eine entsprechende Senkung der Emis sionen erreicht.

Beispiel 6

Die dosierte Zuspeisung von befeuchtetem Sauerstoff in dem erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktor zur Optimierung der Sauerstoffversorgung für die Produktion sekundärer Metaboliten in einer Kultur von Penicillium chrysogenum ergab bei einer Sättigung des Sauerstoffbedarfs der Kultur von ca. 80% eine Ausbeutesteigerung von 45%, verglichen mit einer reinen Varia tion des Frischluftdurchsatzes.

Beispiel 7

Das Wachstum sowie der Substratausbeutekoeffizient von verschiedenen Schimmelpilzen wurde in einer definierten Gasat mosphäre bestehend aus Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) und Kohlendioxid (CO₂) durch Partialdrücke von CO₂ zwischen 3-5% um ca. 25% gegenüber entsprechenden, optimal belüfteten Kulturen gefördert.

Beispiel 8

Die Einspeisung von durch einen Ultraschallgenerator erzeugtem Kaltdampf, ergab, verglichen mit der sonst üblichen Einspeisung von heruntergekühltem Heißdampf, in dem erfindungs gemäßen Feststoff-Bioreaktor eine Energieeinsparung von 70%.

Beispiel 9

Infolge des im voranstehenden Beispiel beschriebenen, verringerten Wärmeeintrages ließ sich die Nutzlast des erfin dungsgemäßen Feststoff-Bioreaktors mit einer Kultur von Asper gillus oryzae um den Faktor 2,5, d. h. um 250%, im Vergleich zu anderen Systemen steigern.

Beispiel 10

Die Ausbildung ausgedehnter, flacher, plattenförmiger Wärmeaustauscherflächen anstelle einfacher Leitbleche zur Erzeugung eines gerichteten Luftstromes bei dem erfindungs gemäßen Bioreaktor ermöglicht beim Überschreiten der Maximal temperatur innerhalb enger Temperaturgrenzen von ±1°C eine leistungsfähige Kühlung, bei der die Temperatur der Wärmeaus tauscherflächen nur ca. 2°C unterhalb der erwünschten Fermen tationstemperatur liegt. Hierdurch wird innerhalb des erfin dungsgemäßen Feststoff-Bioreaktors ein unerwünschtes Austrock nen der Gasatmosphäre weitgehend vermieden. Wie Vergleiche von Kulturen mit Aspergillus, Penicillium, Rhizopus, Mucor ssp. mit solchen in herkömmlichen Feststoff-Bioreaktoren ergaben, wurden in dem erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktor bei maximaler Auslastung Wachstum bzw. Produktbildung infolge der verbes serten Konstanthaltung von Temperatur und Feuchtigkeit inner halb eines sehr engen, optimalen Bereiches (±1°C bzw. ±1% r.H.) um 20 bis 30% gesteigert.

Beispiel 11

Infolge der im Vergleich zu thermischen Bedampfungssyste men in anderen Feststoff-Bioreaktoren effizienteren Nutzung der Bedampfungskapazität lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktor die installierte Bedampfungskapazität um ca. 60% sowie die betreffenden Installationskosten um etwa denselben Prozentsatz reduzieren.

Beispiel 12

Infolge der Einhaltung der relativen Feuchtigkeit, einer in diesem speziellen Fall sehr kritischen Größe, in dem erfin dungsgemäßen Feststoff-Bioreaktor innerhalb relativ enger Grenzen (95 ±1%) wurde die Fermentationsdauer von Monascus purpureus zur Erzeugung des purpurroten Pigmentes auf sechs Tage verkürzt, verglichen mit 15 bis 21 Tagen in anderen Syste men.

Beispiel 13

Untersuchungen zur Simulation der mikrobiell bedingten und volkswirtschaftlich nicht unbedeutenden Selbsterhitzung des Heus wurden in dem erfindungsgemäßen Feststoff-Bioreaktor bis zu einer Temperatur von 95°C durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurde die Temperatur des Bioreaktors derjenigen im lose gepack ten Heu nachgeführt, um die Wärmeverluste der Heupackung an die Umgebung zu minimieren. Feuchtigkeit und Luftzufuhr wurden kontrolliert. Auf diese Weise wurden das Maximum des Wachstums thermophiler Mikroorganismen (Bacillus stearothermophilus sowie Thermoactinomyces vulgaris) und der Beginn der sogenannten py rogenen Phase (ab ca. 95°C) bereits nach 2-3 Tagen erreicht. Hieraus ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Feststoff-Bio reaktor eine den Verhältnissen in Scheunen (2-3 Tage) stärker angenäherte Simulation der mikrobiellen Vorgänge bei der Selbsterhitzung des Heus erlaubt als die bisher speziell hier für ausgelegten Vorrichtungen (7 bis 13 Tage, Fehlen definier ter Feuchtigkeit und definierter Versorgung mit Luft bzw. Sauerstoff). Derartige Untersuchungen sind mit anderen Fest stoff-Bioreaktoren aufgrund von deren eingeschränkten Arbeits bereichen nicht möglich.

Beispiel 14

Der Ligninabbau von vermahlenem, pelletierten und mit den üblichen mineralischen Nährstoffen beaufschlagtem Holzmehl durch Phanaerochaete chrysosporium betrug in dem erfindungs gemäßen Bioreaktor nach 6-7 Tagen 70 Prozent, verglichen mit Zeiträumen zwischen 30 und 60 Tagen in anderen Feststoff- Fermentationen bis zum Erreichen eines vergleichbaren Abbau grades.

Claims

1. Feststoff-Bioreaktor zur Kultur von Mikroorganismen auf festen, partikulären Substraten
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Innenraum in einem Winkel von 10-15° geneigte Tabletts angeordnet sind,
- die Versorgung der Kultur mit einer definierten Gasatmo sphäre durch eine strömungs- bzw. druckgeregelte Begasungseinrichtung erfolgt,
- die Befeuchtung des Gasvolumenstromes auf eine relative Feuchte zwischen 40 und 99% durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von kaltem Wasserdampf vermittels hochfrequenter Schwingungen erfolgt,
- im Inneren eine Vorrichtung zur Luftumwälzung angeordnet ist, und die Luft bzw. das Gasgemisch in einer durch Leit bleche zwangsweise geführten Strömung und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit von der tiefer gelegenen Seite des Tabletts an der Ober- und Unterseite des Tabletts ent lang zu dessen höher gelegener Seite streicht,
- die Temperatur auf Werte zwischen -27°C und +100°C ein stellbar ist,
- zur Abführung der Oxidationswärme an den Leitblechen Wärmeaustauscher vorgesehen sind, deren Temperatur 2-3°C unterhalb der gewünschten Fermentationstemperatur liegt,
- zur Heißdampf-Sterilisation des Feststoff-Bioreaktors eine eigene, drucklose Heißdampfversorgung oder der Anschluß an eine externe, drucklose Heißdampfversorgung vorgesehen ist,
- zur Ableitung von Kondensat am tiefsten Punkt des Reaktor- Innenraumes ein Ablauf mit einer hitzesterilisierbaren Falle installiert ist,
- zur Ableitung der Abluft oberhalb des höchsten Tabletts eine hitzesterilisierbare Vorrichtung zum Ableiten, Sterilisieren und Desodorieren der geruch- und keimbelasteten Abluft installiert ist.

2. Feststoff-Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperatur auf Werte zwischen +20°C und +45°C einstellbar ist.