NL8500602A

NL8500602A - Microbiological or enzymatic process - in circular reactor with plug flow and in-line mixers

Info

Publication number: NL8500602A
Application number: NL8500602A
Authority: NL
Original assignee: Suiker Unie
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1985-03-04
Publication date: 1986-10-01

Abstract

In a method for carrying out a microbiological or enzymatic process in which reaction components are fed into a reactor constructed as an endless circulation tube and circulation current is brought about inside the tube, the reaction components are circulated in the tube by a plug flow and during this process are guided through one or more in-line mixers fitted inside the tube.

Description

N.0. 32996 ♦ ‘N.0. 32996 ♦ "

Korte aanduiding: Werkwijze voor de fermentatiebereiding van poly-sacchariden, in het bijzonder xanthaan.Short designation: Process for the fermentation preparation of polysaccharides, in particular xanthan.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de fermentatiebereiding van polysaccharidenr in het bijzonder xanthaan, waarbij een water, een of meer suikers en voed ings zou ten bevattend pro-ductiemedium en een entmateriaal van een geschikte aërobe bacterie in 5 een reactor worden gebracht en het productiemedium in die reactor gedurende ten minste 48 uur onder toevoer van lucht aan fermentatie wordt onderworpen.The invention relates to a process for the fermentation preparation of polysaccharides, in particular xanthan, in which a water, one or more sugars and food containing production medium and a seed material of a suitable aerobic bacterium are introduced into a reactor and the production medium in that reactor is subjected to fermentation under supply of air for at least 48 hours.

Gebruikelijk is dat deze reactie wordt uitgevoerd in een van één of meer roerorganen voorzien vat. Gebleken is dat bij 10 gebruik van een dergelijke reactor^ in de circulatietijd, dat is de tijd dat een vloeistof element je nodig heeft cm vanaf de roerder door het vat rondgevoerd en terug naar de roerder te worden gevoerd, een sterke spreiding optreedt. Deze spreiding heeft een ongunstige invloed op het rendanent van het proces, immers zullen de vloeistofdeeltjes met een 15 relatief snelle circulatietijd tekort worden onderworpen aan de behandeling (onvoldoende omzetting), terwijl vloeistofdeeltjes met een trage circulatietijd te lang aan de behandeling worden blootgesteld. De viscositeit neemt tijdens het gistingsproces toe en vanaf een bepaalde viscositeitswaarde creëert de roerder een draaiende cilinder terwijl de 20 rest nagenoeg stilstaat. Een ander nadeel van een geroerd vat is dat bij de roerder een relatief hoge zuurstofooncentratie en bij de vatwand een relatief lage zuurstofooncentratie bestaat. Deze nadelige verschijnselen worden versterkt naar mate de reologische eigenschappen van het mengsel veranderen. Om toch een zo volledig mogelijke omzetting te 25 bereiken, zijn vaak hoge energiekosten noodzakelijk waarbij de energie vooral wordt gebruikt voor het roeren. Een ander probleem is dat zich bij het uitvoeren van het in de aanhef genoemde proces in een geroerd vat voordoet, is dat het vanaf laboratoriumschaal op technische schaal vergroten (opschalen) van de apparatuur gepaard gaat met grote 30 verandering van de condities waaronder het proces verloopt.It is usual for this reaction to be carried out in one vessel provided with one or more stirrers. It has been found that with the use of such a reactor in the circulation time, that is, the time that a liquid element needs to be circulated from the stirrer through the vessel and returned to the stirrer, a strong spread occurs. This spread has an unfavorable influence on the efficiency of the process, since the liquid particles with a relatively fast circulation time will be subjected to the treatment (insufficient conversion), while liquid particles with a slow circulation time will be exposed to the treatment for too long. The viscosity increases during the fermentation process and from a certain viscosity value the agitator creates a rotating cylinder while the remainder is almost stationary. Another drawback of a stirred vessel is that the stirrer has a relatively high oxygen concentration and a relatively low oxygen concentration at the vessel wall. These adverse phenomena are intensified as the rheological properties of the mixture change. However, in order to achieve the most complete conversion possible, high energy costs are often necessary, the energy being mainly used for stirring. Another problem that occurs in a stirred vessel when carrying out the process referred to in the preamble is that increasing (scaling up) the equipment from a laboratory scale on a technical scale is accompanied by a large change in the conditions under which the process proceeds. .

Met de uitvinding wordt beoogd bovengenoemde bezwaren te vermijden en een in de aanhef aangeduide werkwijze te verschaffen waarbij de reactiecondities bij schaalvergroting in hoofdzaak onafhankelijk zijn van de grootte van de reactor en de gebruikte energie tot 35 een minimum wordt beperkt.The object of the invention is to avoid the above drawbacks and to provide a method indicated in the preamble in which the reaction conditions when scaling up are substantially independent of the size of the reactor and the energy used is kept to a minimum.

8500602 « 28500602 «2

Volgens de uitvinding is de in de aanhef aangeduide werkwijze hiertoe gekenmerkt doordat de reactor is uitgevoerd als circulatiebuis zonder eind die geheel gevuld is met de reactiecanpo-nenten, en doordat de reactiecanponenten in die buis nagenoeg volgens 5 een prapstrocm worden gecirculeerd en door één of meer binnen de buis aangebrachte in-lijn-mengers worden geleid.According to the invention, the method referred to in the preamble is characterized for this purpose in that the reactor is designed as an endless circulation tube which is completely filled with the reaction canons, and in that the reaction canons in that tube are circulated almost in accordance with a process flow and by one or more in-line mixers disposed within the tube are guided.

Bij toepassing van een constante circulatiesnelheid kunnen zeer behoorlijke resultaten worden bereikt die ver uitsteken boven de resultaten van een geroerd vat. Het is in het algemeen echter 10 aan te bevelen cm overeenkomstig de Nederlandse aanvrage 84.03497 (¾) ten minste één plaats de concentratie van een reactieccmponent of een daarvan afgeleide waarde te meten en aan de hand van die meting de reactiesnelheid binnen kritische minimum en maximum grenzen te regelen. Bij voorkeur wordt van statische mengers gebruik genaakt in de reactor-15 buis.When a constant circulation rate is used, very decent results can be achieved which far exceed the results of a stirred vessel. In general, however, it is recommended to measure the concentration of a reaction component or a value derived therefrom in accordance with Dutch application 84.03497 (¾) and, based on that measurement, the reaction speed within critical minimum and maximum limits. to arrange. Preferably static mixers are used in the reactor tube.

Bij de bereiding van polysacchariden, in het bijzonder xanthaan, krijgt de vloeistof bij de door de aërobe bacterieën veroorzaakte fermentatie structuureigenschappen, in het bijzonder pseudo-plasticiteit. Bij viskeus wordende mengsels is in elk geval een 20 pomp nodig voor de circulatie. Bij de bereiding van microbiële polysacchariden waarbij de viscositeit onder een bepaalde waarde blijft, kan de circulatie ook tot stand worden gebracht door het injecteren van substraat.In the preparation of polysaccharides, in particular xanthan, the liquid acquires structural properties, in particular pseudoplasticity, in the fermentation caused by the aerobic bacteria. In any case, viscous mixtures require a pump for circulation. In the preparation of microbial polysaccharides where the viscosity remains below a certain value, the circulation can also be effected by injecting substrate.

Het belangrijkste voordeel van de uitvinding is dat 25 bij hetzelfde energieverbruik de productopbrengst aanzienlijk hoger is dan bij een geroerd vat. Bij toepassing van een geroerd vat moet men in verband met de sterke stijging van de viscositeit stoppen bij een punt waarbij de productopbrengst nog betrekkelijk laag is. Deze beperking bestaat in veel mindere mate bij de werkwijze volgens de uitvinding.The main advantage of the invention is that with the same energy consumption, the product yield is considerably higher than with a stirred vessel. When using a stirred vessel, because of the sharp increase in viscosity, one must stop at a point where the product yield is still relatively low. This limitation exists to a much lesser extent in the method according to the invention.

30 Een bij de werkwijze volgens de uitvinding toe te passen reactor zal nu aan de hand van de figuren nader worden toegelicht.A reactor to be used in the method according to the invention will now be explained in more detail with reference to the figures.

Figuur 1 toont een zij-aanzicht, met een klein gedeelte in doorsnede, van de reactor volgens de uitvinding.Figure 1 shows a side view, with a small section in section, of the reactor according to the invention.

35 Figuur 2 toont een langsdoorsnede van een detail.Figure 2 shows a longitudinal section of a detail.

De getoonde reactor bestaat uit een circulatiebuis zonder einde gevormd door een stijgbuis 1, een daalbuis 2, een bovenste horizontaal verbindingsstuk 3 en een onderste horizontaal verbindings- 8500602 * . » 3 stuk 4. Het geheel wordt ondersteund door een gestel 5.The reactor shown consists of an endless circulation tube formed by a riser 1, a downcomer 2, an upper horizontal connector 3 and a lower horizontal connector 8500602 *. »3 piece 4. The whole is supported by a frame 5.

De stijgbuis 1 anvat een aantal in-lijn-mengers, bij voorkeur uitgevoerd als statische mengers 6 die react iecarponenten zonder aangedreven roerorganen kunnen mengen door het verdelen van de 5 hoof as tranen, het van plaats verwisselen van de deelstromen en het weer verenigen van de deelstromen. Statische mengers zijn onder andere beschreven in de Nederlandse octrooiaanvragen 75.02953, 77.00090 en 80.04240. De voorkeur verdienen Sulzer SMV of SMX mengers. Zoals uit figuur 2 blijkt is elke statische menger cmgeven door een 10 koel/verwarmingsmantel 7 waarin via stompen 8 en 9 een warmtedrager kan worden toe- respectievelijk af gevoerd. Ook in de daalhuis kunnen statische mengereenheden zijn aangebracht.The riser 1 contains a number of in-line mixers, preferably designed as static mixers 6, which can mix reaction components without powered stirrers by distributing the main shaft tears, exchanging the partial flows and re-assembling the partial flows. Static mixers are described, inter alia, in Dutch patent applications 75.02953, 77.00090 and 80.04240. Sulzer SMV or SMX mixers are preferred. As can be seen from figure 2, each static mixer is provided by a cooling / heating jacket 7 in which a heat carrier can be supplied or discharged via stumps 8 and 9. Static mixer units can also be installed in the lowering house.

In het onderste horizontale gedeelte 4 is een cir-culatiepcmp 11 opgencmen, bijvoorbeeld uitgevoerd als tandwielpomp.In the lower horizontal part 4 a circulation pump 11 is included, for instance designed as a gear pump.

15 De reactor werkt in het algemeen portiegewijs hoewel continue toe- en afvoer van reactiecarponenten niet is uitgesloten. De reactor wordt eerst geheel gevuld met de reactieccmponenten dat wil zeggen een productiemedium dat water, een of meer suikers en voedings-zouten bevat en een entmateriaal van een geschikte aërobe bacterie. In 20 geval van xanthaan is deze bacterie Xanthomonas campestris ATCC 13951.The reactor generally operates in batches, although continuous supply and removal of reaction components is not excluded. The reactor is first completely filled with the reaction components, i.e. a production medium containing water, one or more sugars and food salts and a seed material of a suitable aerobic bacterium. In the case of xanthan, this bacterium is Xanthomonas campestris ATCC 13951.

Na het vullen wordt de pomp 11 ingeschakeld voor het teweegbrengen van een props troon en wordt lucht als substraat toegevoerd via de pijp 12.After filling, the pump 11 is turned on to create a plug throne and air is supplied as substrate through the pipe 12.

In de statische mengers vindt een innige menging van de reactieocmpo-nenten plaats. De componenten worden door de aërobe bacteriën gedeel-25 telijk geconsumeerd waardoor de bacteriën zich vermenigvuldigen en een product uitscheiden.Intensive mixing of the reaction components takes place in the static mixers. The components are partly consumed by the aerobic bacteria, so that the bacteria multiply and excrete a product.

Als substraat wordt gebruik gemaakt van de zuurstof uit de lucht en deze zuurstof wordt door de aërobe bacteriën geconsumeerd. Na menging zal overtollig gas moeten worden afgescheiden hetgeen 30 geschiedt bij de vloeistof-gasscheider 16 die van het hydrocycloontype is.The oxygen from the air is used as substrate and this oxygen is consumed by the aerobic bacteria. After mixing, excess gas will have to be separated, which is done at the liquid-gas separator 16 which is of the hydrocyclone type.

De reactor kan tussen de statische mengers in nog tussenstukken 17 bevatten via welke bepaalde componenten kunnen worden toegevoerd.The reactor can contain between the static mixers in intermediate pieces 17 via which certain components can be supplied.

35 Belangrijke voordelen van de als gesloten buis uit gevoerde reactor zijn dat de condities waaronder de reactie plaats vindt, onafhankelijk van de grootte van de reactor kunnen worden geoptimaliseerd en dat het energieverbruik tot een minimum kan beperkt.Important advantages of the closed-tube reactor are that the conditions under which the reaction takes place can be optimized independently of the size of the reactor and that energy consumption can be minimized.

8500602 4 “ *8500602 4 "*

Het opschalen van het proces wordt vergemakkelijkt doordat het procesverloop in de reactor goed is te beschrijven en daardoor te modelleren. Microbiële polysacchariden hebben de eigenschap dat zij de reologie van het medium sterk beïnvloeden. Ten opzichte van een geroerd vat wordt 5 steeds een energiebesparing bereikt zelf indien de omloopsnelheid te laag wordt gekozen en de zuurstof geheel is geconsumeerd voordat het product de onderzijde van de daalhuis heeft bereikt. Ook bij een constante circulatiesnelheid kunnen bij de bereiding van polysacchariden goede resultaten worden bereikt.Scaling up the process is facilitated because the process flow in the reactor is easy to describe and therefore model. Microbial polysaccharides have the property that they strongly influence the rheology of the medium. With respect to a stirred vessel, an energy saving is always achieved even if the circulation speed is chosen too low and the oxygen is completely consumed before the product has reached the bottom of the sink. Good results can also be obtained in the preparation of polysaccharides at a constant circulation speed.

1010

VOORBEELDEXAMPLE

Xanthomonas campestris werd gekweekt op een trypton-glucose gistextractagar (T2 GY-agarplaat) met de samenstelling: 15 trypton 0.5 gew. % gistextract 0,5 gew. % glucose D(+) 0,2 gew. % K2HP04 0,1 gew. % agar 2,0 gew. % 20 in gedemineraliseerd water met pH 7,0 en ten minste 48 uur bij 30°C.Xanthomonas campestris was grown on a tryptone-glucose yeast extract agar (T2 GY agar plate) of the composition: tryptone 0.5 wt. % yeast extract 0.5 wt. % glucose D (+) 0.2 wt. % K2HPO4 0.1 wt. % agar 2.0 wt. % 20 in demineralized water at pH 7.0 and at 30 ° C for at least 48 hours.

Van een losliggende kolonie werd wat materiaal in 1 liter glucose gistextract-moutextract bouillon (G-YMB) met samenstelling glucose D(+) 1,0 gew. % 25 gistextract 1.3 gew. % moutextract 0,3 gew. % pepton 0,5 gew. % in 1 liter gedemineraliseerd water gesuspendeerd en bij 309C gekweekt, 1 liter van dit entmateriaal werd toegevoerd aan 30 25 liter fermentor met de samenstelling: saccharose 4 gew. % glucose D(+) 0,5 gew, % soyahydrolysaat 0,4 gew, % K2HPO4 0,2 gew. % 35 MgS04.7H20 0,05 gew. % silicon anti-schuim 0,02 gew, % rest: leidingwater.From a loose colony, some material in 1 liter of glucose yeast extract malt extract broth (G-YMB) with composition glucose D (+) was 1.0 wt. % 25 yeast extract 1.3 wt. % malt extract 0.3 wt. % peptone 0.5 wt. % suspended in 1 liter of demineralized water and grown at 30 ° C. 1 liter of this inoculum was fed to 25 liters of fermentor of the composition: sucrose 4 wt. % glucose D (+) 0.5 wt.% soy hydrolyzate 0.4 wt.% K2HPO4 0.2 wt. % 35 MgSO4.7H20 0.05 wt. % silicon anti-foam 0.02 wt%, rest: tap water.

8500602 ’ 58500602 5

Dit materiaal werd toegevoerd in een reactorbuis zoals boven beschreven met een volume van 30 liter. De omlooptijd bedroeg 2 minuten zodat de omloopsnelheid 15 liter per minuut bedroeg. De temperatuur was 29°C en per minuut werd 10 liter lucht toegevoerd.This material was fed into a reactor tube as described above with a volume of 30 liters. The circulation time was 2 minutes, so that the circulation speed was 15 liters per minute. The temperature was 29 ° C and 10 liters of air were supplied per minute.

5 Het circuleren van het materiaal werd 72 uur voort gezet. Het bleek dat 3 gew. % xanthaan was gevormd waarbij per nP reactorvolume 4 kW aan energie was verbruikt.Circulation of the material was continued for 72 hours. It turned out that 3 wt. % xanthan was formed, consuming 4 kW of energy per nP reactor volume.

Bij eenzelfde energie-input (4 kW/nP) in een geroerd vat (op 30 1 schaal) duurt de fermentatie 144 uur. De bereikte 10 productieconcentratie is dan eveneens 3 gew. %. Op pilot plant schaal wordt bij toepassing van een geroerd vat deze productieconcentratie bij een energie-input van 4-5 kw/m^, in 144 uur bereikt. In 72 uur wordt bij deze energie-input echter een veel lagere product concentratie namelijk 1,8 a 2,0 % verkregen.At the same energy input (4 kW / nP) in a stirred vessel (on a 30 l scale), the fermentation lasts 144 hours. The production concentration achieved is then also 3 wt. %. On a pilot plant scale, using a stirred vessel, this production concentration is reached in 144 hours at an energy input of 4-5 kW / m 2. In 72 hours, however, a much lower product concentration of 1.8 to 2.0% is obtained with this energy input.

15 Behalve de hogere productcpbrengst heeft de werkwijze volgens de uitvinding nog het voordeel dat het vanaf laboratoriumschaal op technische schaal vergroten van de apparatuur niet gepaard gaat met grote veranderingen van de condities waaronder het proces verloopt.In addition to the higher product yield, the method according to the invention has the additional advantage that increasing the equipment from a laboratory scale to a technical scale does not involve large changes in the conditions under which the process proceeds.

85 0 0 6 0 285 0 0 6 0 2

Claims

6 Process for the fermentation preparation of polysaccharides, in particular xanthan, wherein a production medium containing a water, one or more sugars and food salts and a seed material of a suitable aerobic bacterium are introduced into a reactor and that medium is reacted in the reactor for Fermentation is carried out for at least 48 hours under the supply of air, characterized in that the reactor is designed as an endless circulation tube which is completely filled with the reactants, that the reactants in that tube are circulated almost in a plug pattern and through one or more 10 in-line mixers disposed within the tube are guided. 8500602