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Technisches
Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf
ein Fermentationsverfahren und genauer auf ein Fermentationsverfahren,das
durch ein injiziertes Gas wie z. B. Sauerstoff angetrieben wird.
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Stand der Technik
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Fermentation ist eine chemische Veränderung,
die durch einen lebenden Organismus oder ein Enzym wie z. B. Bakterien
oder die in unizellulären Pflanzen
auftretenden Mikroorganismen induziert wird, und sie beteiligt die
aerobe Zersetzung von Kohlenwasserstoffen zur Herstellung eines
erwünschten
Produkts zusammen mit Kohlendioxid. Fermentationssysteme werden
für die
Herstellung einer großen
Anzahl an Produkten wie z. B. Antibiotika, Impfseren, synthetische
Biopolymere, synthetische Aminosäuren
und essbare Proteine verwendet.
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In der konventionellen aeroben Fermentation wird
zur Bereitstellung von Sauerstoff für die Respiration und das Wachstum
Luft in großer
Menge zugeführt.
Zur gleichen Zeit wird Kohlendioxid von der restlichen Luft abgestrippt,
die von der Biomasse (Bakterien, Pilze, Pflanzenzellen usw.) nicht
verbraucht wird. Im allgemeinen muss der in den Luftblasen enthaltene
Sauerstoff in der Fermentationsflüssigkeit gelöst werden,
bevor er von der Biomasse verbraucht werden kann. Somit ist die
Sauerstoffauflösung
von Luft ein die Rate steuernder Faktor. Zur Aufrechterhaltung einer
günstigen
Luftauflösungsrate
werden die Druckpegel der Fermentatoren typischerweise auf mehrere
Atmosphären
erhöht.
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Die gesteigerte Produktivität in einem
Fermentator kann die Erhöhung
der Konzentration des Nährstoffes
und der Biomasse beteiligen. Die Sauerstofferfordernis wird sich
dementsprechend in Ansprechen auf den zusätzlichen Nährstoff und die Biomassekonzentration
erhöhen.
Es wird mehr Sauerstoff verbraucht werden, falls er verfügbar ist.
Daher ist die Zufuhr von ausreichend Luft (oder Sauerstoff) zu der
Biomasse ein Hauptanliegen. Bei einer höheren Sauerstoffverbrauchsrate
wird mehr Kohlendioxid erzeugt. An einem gewissen Punkt wird der
Kohlendioxidanteil in dem Fermentator die Biomasse vergiften und
in dem Fermentationsverfahren zu einem Hauptproblem werden. Diese
Vergiftung tritt dann auf, wenn die während der Respiration und dem Wachstum
der Biomasse erzeugte Menge an Kohlendioxid höher als die Entfernungsrate
ausfällt.
Bei einem kritischen Anteil wird das überschüssige gelöste Kohlendioxid das Wachstum
der Biomasse verzögern.
Der kritische Kohlendioxidanteil ist als derjenige Anteil von Kohlendioxid
in dem Fermentationsbehälter
definiert, bei dem das Kohlendioxid nicht länger einer vorteilhaften Funktion
in der Fermentation dient, sondern das Wachstum der Biomasse verlangsamt.
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Da die Kohlendioxidkonzentration
in dem Ausstoß des
Fermentators ein viel einfacher zu messender Wert als der Anteil
des gelösten
Kohlendioxids innerhalb des Fermentators ist, ist die Messung der
Kohlendioxidkonzentration in dem Ausstoß zu einem industriellen Standardverfahren
geworden. Somit weist jedes Fermentationsverfahren ein gewisses vorbestimmtes
kritisches Kohlendioxidkonzentrat in dem Ausstoß als ein Referenzwert auf,
den die Fermentationschargen nicht übersteigen sollten. Diese kritische
Kohlendioxidkonzentration in dem Ausstoß ist bei dem Versuch einer
Erhöhung
der Produktivität oder
der Biomassekonzentration zu einem praktischen messbaren Grenzwert
geworden.
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Für
eine Produktivitätssteigerung
mit höherer
Biomasse ist beim Stand der Technik die Erhöhung des Luftstroms bekannt
geworden. Eine Erhöhung
des Luftstroms weist den Vorteil einer Zufuhr von zusätzlichem
Sauerstoff zur Unterstützung
dichterer Biomasse auf, während
mehr Kohlendioxid ausgestrippt wird. Jedoch besteht hinsichtlich
der zuführbaren
Luftmenge eine praktische Grenze. Überschüssige Luft überflutet das Laufrad bei einer
mechanischen Umrührung
des Fermentators, wodurch die Rühranordnung
nutzlos wird. In Airlift-Fermentatoren kann sie zudem die Fermentationsflüssigkeit aufwirbeln
oder den Gehalt aus den Fermentatoren hinaus blasen. Somit vermag
eine Steigerung des Luftstroms die Produktivität in einem nur sehr kleinen Ausmaß zu erhöhen.
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Andere Arbeiten haben bei einer hohen
Biomassekonzentration die Verwendung von reinem Sauerstoff als Zusatz
für die
Luft vorgeschlagen. Jedoch wird angenommen, dass ein einfaches Zufügen von
reinem Sauerstoff in der Fermentation nur dann funktioniert, wenn
die Biomasse gegenüber
einer Kohlendioxidvergiftung resistent ist. Zum größten Teil wird
die Hinzufügung
von reinem Sauerstoff das Problem erhöhen, da mehr Kohlendioxid durch
die Respiration und das Wachstum der Biomasse erzeugt wird. Überschüssiges Kohlendioxid
wird sich ansammeln, wenn die Entfernungsrate nicht auf eine Rate gesteigert
wird, die höher
als diejenige der Kohlendioxidherstellung ausfällt.
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Es ist beim Stand der Technik bekannt,
die Biomassekonzentration niedrig genug zu halten, so dass die Kohlendioxidkonzentration
in dem Ausstoß (als
ein Steuerverfahren) den kritischen Wert nicht übersteigt. Somit ist die Kohlendioxidkonzentration
in dem Ausstoß ein
begrenzender Faktor für
den Produktivitätszuwachs.
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G. R. Cysewsky & C. R. Wilke (Biotechnol. Bioeng.
XIX (1977), S. 1125–1143)
offenbaren ein Verfahren zur Verbesserung der Herstellung von Ethanol,
das auf einem Ausführen
der anaeroben Fermentation der Fermentationsflüssigkeit unter Vakuum basiert.
Reiner Sauerstoff wird in den Vakuumfermentator eingeperlt, um der
Hefe eine adäquate Spurenmenge
an Sauerstoff zuzuführen.
JP-A-56 158 091
offenbart ein Fermentationsverfahren, das auf der Absenkung des
Sättigungsgrades
von relativ gelöstem
Sauerstoff in der Fermentationsflüssigkeit basiert und wobei
der Fermentator mit Sauerstoffgas gespeist und der Druck in der
Gasphase innerhalb des Fermentators abgesenkt wird. US-A-4 846 965 offenbart
ein Fermentationsverfahren, bei welchem hochreiner Sauerstoff in
den Fermentator eingespeist wird, während Gas mittels Vakuum entfernt
wird, um die Menge an gelöstem
Sauerstoff nahezu konstant zu halten. FR-A-2 317 233 offenbart ein
Fermentationsverfahren, in dem CO2 von der
flüssigen
Fermentationsbrühe
vor der Einleitung von Sauerstoff in den Fermentator entfernt wird.
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Beim Stand der Technik sind lediglich
Lösungen
vorgeschlagen worden, die sich auf eine Erhöhung der Sauerstoffauflösungsrate
beziehen, während
der Effekt der Kohlendioxidvergiftung vernachlässigt wurde. Die beim Stand
der Technik bestehenden Quellen haben die Verwendung von Sauerstoff
in einer Anreicherung oder direkten Injektion vorgesehen, aber keine
von ihnen dürfte
die mit der Kohlendioxidvergiftung verbundenen Probleme lösen.
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Daher ist die Bereitstellung eines
Verfahrens zum Ausführen
der Fermentation unter Verwendung von Sauerstoff erwünscht, das
die Effekte der Kohlendioxidvergiftung minimiert.
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Zusammenfassung der Eindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zum Ausführen
der Fermentation gemäß Anspruch
1. Die Verfahrensschritte beteiligen die Bereitstellung eines Behälters, der
eine Fermentationsflüssigkeit
enthält,
die einen fermentierharen Bestandteil aufweist, das Absenken des
Behälterdrucks
innerhalb des Behälters
zur Verringerung des Anteils des gelösten Kohlendioxids und des
Gleichgewichtssauerstoff-Partialdrucks in dem Behälter proportional
zu dem verringerten Behälterdruck,
das Hinzufügen
von reinem Sauerstoff in den Behälter
zur Anhebung des darin vorliegenden Gleichgewichtssauerstoff-Partialdrucks,
und die Verwendung des reinen Sauerstoffs zur Durchführung der
Fermentation des Bestandteils. Vorzugsweise sorgt diese Erfindung
für die
gleichzeitigen Schritte des Absenkens des Reaktordrucks und des
Zuführens
von reinem Sauerstoff. Ebenfalls bezieht sich diese Erfindung auf
ein Verfahren zur Steigerung der Biomassekonzentration beim Ausführen des
Fermentationsverfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung beruht auf der Prämisse, dass
die meisten Verarbeitungsanlagen den Kohlendioxidanteil in dem Ausstoß des Fermentationsbehälters steuern.
Auf dieser Grundlage ist der Anteil des ausgestaßenen Kohlendioxids proportional
zu dem Anteil des gelösten
Kohlendioxids. Ungeachtet dieser Prämisse wird jedoch angenommen,
dass der Anteil des ausgestoßenen
Kohlendioxids nicht immer proportional ausfällt, sondern stattdessen von
der Temperatur und dem Druck des Fermentatars abhängt.
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Der Grund für die Verwendung der Kohlendiaxidkonzentration
in dem Gasausstoß zur
Messung der Fermentationsrate und der Produktivität der Fermentation
anstelle des gelösten
Kohlendioxids besteht darin, dass der Anteil des gelösten Kohlendioxids
in einer sterilen reagierenden Fermentationsflüssigkeit kein messbarer Wert
ist, weil davon ausgegangen wird, dass derzeit keine einzige bestehende Online-Ausrüstung einen
solchen Wert berechnen kann, Diese Erfindung verwendet das von dem
Ausstoß des
Fermentationsbehälters
gemessene kritische Kohlendioxid zur Berechnung des kritischen Anteils
des gelösten
Kohlendioxids. Durch ein Reduzieren des Drucks innerhalb eines Fermentators nimmt
der tatsächliche
Anteil des gelösten
Kohlendioxids XCO2 proportional ab, und
zwar aufgrund einer Reduktion des Kohlendioxid-Partialdrucks: PCO2 = YCO2·P = H·XCO2 wobei
PCO2 -
Partialdruck von CO2
YCO2 =
Malenbruch von CO2 in der Gasphase
XCO2 - Molenbruch von gelöstem CO2 in
der Flüssigphase
H
= Konstante des Henryschen Gesetzes
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Somit kann für eine erhöhte Herstellung mehr Biomasse
mit reinem Sauerstoff zugefügt
werden. Mit einer höheren
Wachstums- und Respirationsrate erscheint der Kohlendioxidanteil
in dem Ausstoß höher als
der kritische Kohlendioxidanteil in dem Ausstoß. Jedoch bleibt der Anteil
des gelösten
Kohlendiaxids gleich oder fällt
etwas geringer aus.
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Die Reduktion des Fermentatordrucks
wird den Anteil des gelösten
Sauerstoffs proportional verringern,. und zwar aufgrund der Reduktion
des Sauerstoffpartialdrucks: PCO2 =
YO2·P
= H·XO2 wobei
PO2 =
Partialdruck von CO2
YO2 =
Molenbruch von O2 in der Gasphase
XO2 = Molenbruch von gelöstem O2 in
der Flüssigphase
H
= Konstante des Henryschen Gesetzes
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Zur Kompensierung der Reduktion des Gleichgewichtssauerstoff
Partialdrucks wird in dieser Erfindung zusätzlicher reiner Sauerstoff
durch eine einfache Sauerstoffanreicherung oder eine direkte Sauerstoffinjektion
verwendet. Folglich kann eine höhere
Produktivität
mit dem gleichen kritischen Anteil des gelösten Kohlendioxids bewerkstelligt
werden, jedoch mit einer höheren
Sauerstoffverbrauchsrate.
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Das Reduzieren des Fermentatordrucks weist
die entgegengesetzten Effekte eines Hinzufügens von reinem Sauerstoff
auf. Basierend auf dem Stand der Technik würde der Fachmann normalerweise
nicht beide Techniken zur Verringerung des Fermentatordrucks und
zur Hinzufügung
von reinem Sauerstoff zugleich benutzen. Im Unterschied zum Stand
der Technik wurde erfindungsgemäß festgestellt,
dass das Ausmaß des
Einflusses zwischen den beiden Techniken verschieden ist. Durch
die Verwendung beider Techniken kann immer noch zusätzlicher Sauerstoff
gelöst
und ein Nutzen aus dem geringeren gelösten Kohlendioxidanteil in
der Fermentationsflüssigkeit
gezogen werden.
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Tatsächlich stellt diese Erfindung
einen Durchbruch auf dem Gebiet der Fermentatorproduktivität dar, die über den
durch die kritische Kohlendioxidkonzentration in dem Ausstoß aufgestellten Grenzwert
hinaus erhöht
werden kann. Dies wird durch eine gleichzeitige Reduktion des Fermentatordrucks
und einer Hinzufügung
von reinem Sauerstoff bewerkstelligt.
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Zur Steigerung der Sauerstoffauflösungsrate werden
Fermentatoren üblicherweise
mit einem erhöhten
Druck von mehreren Atmosphären
betrieben. Es ist zu erwarten, dass eine Erhöhung des absoluten Drucks um
einen Faktor von zwei die Menge an gelöstem Sauerstoff im Gleichgewicht
ebenso um einen Faktor von zwei erhöht. Allerdings berücksichtigt diese
Erfindung auch, dass ein Betrieb bei höherem Druck auch die Fähigkeit
des Fermentators zu einer Entfernung von Kohlendioxid verringert,
was durch den Umstand zustande kommt, dass die Löslichkeit von Kohlendioxid
bei höherem
Druck ebenfalls erhöht
wird. Die meisten Fermentationsflüssigkeiten reagieren auf eine
Kohlendioxidvergiftung empfindlich, so dass das gelöste Kohlendioxid
unter einem kritischen Anteil gehalten werden muss. Da der Anteil von
gelöstem
Kohlendioxid sehr schwierig zu messen ist, kann die Industrie die
Kohlendioxid-Gaskonzentration in dem Ausstoß nur überwachen.
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Wegen dem auf dem kritischen Kohlendioxidanteil
basierenden Grenzwert für
die Herstellung ist es im allgemeinen nicht möglich, die Produktivität (in Gramm
(pound) von Produkt pro gegebenem Volumen an Fermentationsflüssigkeit)
bei einem höheren Biomasseanteil
zu steigern. Eine höhere
Biomasse wird mehr Kohlendioxid erzeugen und auch mehr Sauerstoff
in dem Fermentationsverfahren erfordern. Ein konventioneller Ansatz
zur Aufrechterhaltung der Kohlendioxid-Gaskonzentration und zur
Erhöhung der Sauerstoffzufuhr
besteht im Zuführen
von mehr Luft. Allerdings ist die Steigerung des Luftstroms für einen
optimierten Fermentator üblicherweise
nicht praktikabel oder unmöglich.
Die überschüssige Luft kann
die Laufräder
mit Gas überfluten
und eine Fehlfunktion des Laufrades verursachen. In den meisten Anlagen
werden die Luftkompressoren bereits am Maximum betrieben und zusätzlich begrenzen
die bestehende Leitungsgröße und die
Einperlringöffnung
die Menge an zuführbarer
Luft.
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Die vorliegende Erfindung benutzt
eine direkte Sauerstoffinjektion (oder -anreicherung), während der
Fermentator bei einem niedrigeren Druck betrieben wird. Durch ein
Absenken des absoluten Drucks um die Hälfte (z. B. von 4 atm auf 2
atm oder von 3 atm gauge auf 1 atm gauge) wird die Gleichgewichtssauerstoffkonzentration
um die Hälfte
verringert. Jedoch kann die Reduktion der Gleichgewichtssauerstoffkonzentration
durch die Verwendung von reinem Sauerstoff ausgeglichen werden,
der eine Antriebskraft aufweist, die um etwa das Fünffache
höher als
die Gleichgewichtssauerstoffkonzentration ist. Daher kompensiert
der reine Sauerstoff den Effekt der Druckreduzierung und erhöht weiterhin
die Sauerstoffverfügbarkeit.
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BEISPIEL
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Steuerparameter:
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Druck = 4 atm
In Ausstoß gemessenes
CO2 = y1 = 5%
Gelöstes CO2 (kritisch,
nicht gemessen) = X1,CO2 = Y1,CO2 P1/H (1) wobei
Y1,CO2 = Kritische Gasphasen-Kohlendioxidkonzentration
(gemessen)
P1 = Druck des Fermentators
H
= Konstante des Henryschen Gesetzes
Sauerstoffverbrauch = 50
mmol/Liter-Stunde
Verfügbarer Sauerstoff aus Luft
= 0,21*100 Nm3/h = 21 Nm3/h
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Sauerstofffall mit höherer Produktivität:
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In diesem Fall wird reiner Sauerstoff
als Ergänzung
zu der Luft hinzugefügt.
Der Fermentatordruck wird zur gleichen Zeit reduziert. Biomassekonzentration = 2 × Kontrolle Druck = 2 atm
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Durch eine Verdoppelung der Biomassekonzentration
wird der Sauerstoffverbrauch ebenfalls verdoppelt. Sauerstoffverbrauch
= 2 × Kontrolle
= 2*50 = 100 mmol/Liter-Stunde
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Gleichzeitig wird die Kohlendioxiderzeugung ebenfalls
verdoppelt. Erzeugtes CO2 =
2 × Kontrolle
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Die Zusatzsauerstoffanforderung wird
anschließend
durch die Verwendung von reinem Sauerstoff erfüllt: Verfügbarer Sauerstoff
= Sauerstoff aus Luft + reiner Sauerstoff, = 0,21 * 100 Nm3/h + 21 Nm3/h (reiner Sauerstoff)
= 42 Nm3/h
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In dieser Endung wird davon ausgegangen, dass
tatsächlich
das kritische gelöste
Kohlendioxid der primäre
Faktor für
die Bewirkung der Biomassenaktivität und nicht die Gasphasen-Kohlendioxidkonzentration
ist.
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Somit ist es notwendig, das gelöste Kohlendioxid
unverändert
beizubehalten. Gelöstes CO2 (kritisch, nicht gemessen) = gleich wie Kontrolle
= X1,CO2 = X2,CO2 =
Y2,CO2 P2/M = Y2,CO2(P1/2)/H (2)
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Im Unterschied zu dem Verfahren beim
derzeitigen Stand der Technik kann die maximal zulässige Gasphasen-Kohlendioxidkonzentration,
die im Ausstoß gemessen
wird, tatsächlich
verschieden sein. Die neue maximale Kohlendioxidkonzentration, die
in dem Ausstoß zulässig ist
(berechnet) Y2,CO2 =
Y1,CO2*2 = 10%
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Daher sollte die maximal zulässige Kohlendioxidkonzentration
in dem Ausstoß mit
2 atm doppelt so hoch wie in dem Ausstoß mit 4 atm sein. Die tatsächliche
Kohlendioxidkonzentration, die in dem Ausstoß mit verdoppelter Bioaktivität gemessen
wird = 5%*2*(100/(100 + 21)) = 8,26%
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Wie aus dem Obigen ersichtlich ist
die tatsächliche
Kohlendioxidkonzentration, die in dem Ausstoß mit 8,26% gemessen wird,
weniger als die 10,0% neue maximal zulässige Kohlendioxidkonzentrationsgrenze
in dem Ausstoß.
Daher kann die Konzentration des zugeführten Sauerstoffs doppelt so hoch
wie die Konzentration der Biomasse sein (doppelt konzentriert) und
erhöht
immer noch nicht die Kohlendioxidkonzentration über den kritischen Anteil hinaus.
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Dementsprechend kann die Biomassekonzentration über den
Wert hinaus erhöht
werden, der normalerweise als ein durch die Kohlendioxidkonzentration
in dem Ausstoß bewirkter
Grenzwert erachtet wird. Dies wird durch ein Reduzieren des Fermentatordrucks
und ein gleichzeitiges Kompensieren des Abfalls in der Sauerstoffauflösung durch
reinen Sauerstoff bewerkstelligt. Es ist zu beachten, dass diese
Erfindung dem Fermentationsverfahren weitere ökonomische Vorzüge verleiht,
da die Kompressorenergie um mindestens 50% abgesenkt werden kann.
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Um einen Vorteil aus der hohen Sauerstoffauflösung und
der schnellen Kohlendioxidentfernung zu ziehen, ist es bevorzugt,
den Fermentator mit einem Druck von weniger als 2 Atmosphären zu betreiben,
während
reiner Sauerstoff injiziert wird. Das Vakuum an dem Fermentator
kann falls notwendig pulled werden. Im allgemeinen kann der Behälterdruck
dieser Erfindung von bis etwa 25 Atmosphären auf gepullt Druckpegel
zwischen etwa 25 Atmosphären
und etwa 1 Atmosphäre
abgesenkt werden. Der Druckpegel kann jeder Druck innerhalb dieses
Bereichs sein. Beispielsweise kann der Behälterdruck auf jeden Druckpegel
zwischen etwa 25 Atmosphären
bis etwa 1 Atmosphäre
abgesenkt werden.
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Fermentationsprodukte, die durch
das Verfahren dieser Erfindung erzeugt werden können, beinhalten Antibiotika
wie z.B. Penicillin, Erythromycin und Tetracyclin, organische Chemikalien
wie z. B. Sorbitol und Citronellol, organische Säuren wie z. B. Zitronensäure, Weinsäure und
Milchsäure,
Aminosäuren
wie z. B. L-Lysin und Mononatriumglutamat, Polysaccharide wie z.
B. Bierhefe und Xanthanlösung,
Vitamine wie z. B. Ascorbinsäure
und Riboflavin, und andere Produkte einschließlich Enzyme, Insektizide,
Alkaloide, Hormone, Pigmente, Steroide, Impfseren, Interferon und
Insulin.
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Das gleiche Prinzip kann auf die
organische Oxidation mit Luft angewendet werden. Diese kann eine
Oxidation jedes organischen Materials sein, wenn die Gasphasenprodukte
oder Nebenprodukte die Reaktion verhindern. Diese Verhinderung kann aufgrund
der Gleichgewichtsverschiebung oder Vergiftung der Katalysatoren
zustande kommen. Ein Reduzieren des Reaktordrucks wird den gelösten Gleichgewichtsanteil
von gasförmigen
Produkten oder Nebenprodukten verringern. Anschließend wird die
Reduktion der Sauerstoffauflösungsrate
durch das Hinzufügen
von reinem Sauerstoff ausgeglichen.