NO168255B - Fermenteringsreaktor samt anvendelse av denne til fremstilling av polysakkarider, saerlig xantan. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fermenteringsreaktor og en anvendelse av denne til fremstilling av polysakkarider, og særlig xantan.

Under fermenteringsfremstilling blandes vann, et produksjonsmedium som inneholder ett eller flere sukkere og næringssalter, og et inokuleringsmateriale av en egnet aerob bakterie i en reaktor som reaksjonsdeltakere, og mediet underkastes

fermentering idet det tilføres oksygengass.

Det er vanlig å fremstille polysakkarider i en reaktor med omrøring. Det har vist seg at når slike raktorer anvendes, opptrer det betydelige variasjoner i sirkulasjonstiden, dvs den tid det tar for en liten volumenhet å bli ført fra rører-en, rundt i reaktoren og tilbake til røreren. Denne variasjon har en uønsket virkning på prosessutbyttet siden væske-"parti-klene" med en forholdsvis hurtig sirkulasjonstid vil få en for kort behandlingstid (ufullstendig omdanning), mens væskeparti-kler med en langsom sirkulasjon utsettes for en for lang behandlingstid. Viskositeten øker under fermenteringsprosessen og fra et visst øvre viskositetsnivå vil røreren danne en roterende sylinder mens resten faktisk er stillestående. Samtidig vil det under anvendelse av en reaktor med rører opptre en forholdsvis høy oksygenkonsentrasjon ved røreren og en forholdsvis lav oksygenkonsentrasjon ved reaktorveggen. Disse uheldige fenomener forsterkes ettersom blandingens rheologiske egenskaper endrer seg, idet blandingen blir mer viskøs. For å oppnå en så fullstendig omdanning som mulig, er det ofte nød-vendig å bruke store utgifter til energi som primært går med til omrøringen. Et annet problem ved utøvelsen av prosessen i en reaktor med omrøring, er at en økning (eller oppskalering) av utstyret fra laboratorieskala til teknisk skala, også fører til store forandringer i prosessforløpet.

Disse ulemper kan elimineres ved å anvende fremgangsmåten og utstyret ifølge EP-patentsøknad 85-201.863.9 hvor det omtales anvendelse av et endeløst sirkulasjonsrør hvori det settes opp en sirkulasjonspluggstrøm som passerer gjennom et antall in-line blandere i strømmen. Som følge av konstruk-sjonssvakheter er et slikt sirkulasjonsrør nokså kostbart og følsomt mens veggflatene er forholdsvis store i forhold til volumet, og investeringene blir følgelig høye.

Ifølge oppfinnelsen har det nå vist seg at de ovennevnte ulemper med en reaktor med rører, kan elimineres uten at det er nødvendig å anvende forholdsvis kostbare, følsomme sirkula-sjonsrør. Og som følge av at reaksjonsdeltakerne innføres i reaktoren i en sirkulerende strøm ved hjelp av en pumpeanordning, samt at sirkulasjonsstrømmen omfatter en oppadgående og en nedadgående strøm som er atskilt fra hverandre med én eller flere skillevegger som er anbrakt i reaktoren, kan blandingen utføres ved å føre den oppadgående og/eller den nedadgående strøm stort sett i form av en pluggstrøm gjennom én eller flere stasjonære in-line blandere.

Ved å anvende en konstant sirkulasjonshastighet kan det oppnås gode resultater som er langt bedre enn de som oppnås med en reaktor med rører. Stort sett anbefales det imidlertid å måle konsentrasjonen av en reaksjonsdeltaker eller en stør-relse avledet av denne på minst ett punkt, og regulere reaksjonshastigheten innen de kritiske minimums- og maksimusgren-ser på basis av nevnte målinger og i samsvar med prosessens kinetikk.

Reaksjonshastigheten for en enzymatisk eller mikrobiolo-gisk prosess betyr hastigheten for å oppnå en viss kjemisk om-setning. Dette kan være hastigheten for en gitt oksygenabsorp-sjon, dannelse av karboksylsyre, varmeutvikling, substratfor-bruk, produktdannelse og lignende. Vanligvis øker reaksjonshastigheten til en viss konsentrasjon av en reaksjonsdeltaker (<C>minimum.kritisk) forblir mer eller mindre kostant opp til en gitt høyere konsentrasjon (Cmak8lmum.krltlsk) for deretter å synke når reaksjonsdeltaker-konsentrasjonen blir enda høyere. Det er innlysende at konsentrasjonen av reaktantene bør holdes mellom de kritiske maksimum- og minimumkonsentrasjoner mens prosessen utføres. Ved å anvende en reaktor hvor det opprettholdes en pluggstrøm, bl.a. ved hjelp av blandere i strømmen, kan konsentrasjonen av reaktanten eller av flere reaktanter holdes mellom de kritiske verdier ved å styre reaksjonshastigheten ved hjelp av én eller flere konsentrasjonsmålinger eller ved måling av størrelser utledet derav. Særlig er pluggstrømmens strømningshastighet egnet til å styres på basis av målingen eller målingene av konsentrasjonen av en reaktant eller en størrelse som er avledet av denne. Denne strømningshastighet bestemmer i realiteten kontakttiden mellom de forskjellige reaktanter, mens transportparametrene (gass-væske), (væske-væske), (fast-fast) bestemmes av strømningshastigheten.

Fra EP-patentsøknad 111.253 er det kjent en fremgangsmåte til å gjennomføre en kjemisk reaksjon, og særlig en biokje-misk reaksjon, og fremgangsmåten utføres i en reaktor som er inndelt i to kammere av en vegg. Det dannes imidlertid ikke noen pluggstrømning i reaktoren. Det omtales heller ikke blandere til anbringelse i strømmen. Allikevel måles konsentrasjonen av en reaksjonsdeltaker, nemlig den reaksjonsinhi-berende bestanddel, direkte eller indirekte, og tilførselen av én eller flere nye reaktanter til reaktoren reguleres på basis av nevnte målinger slik at et maksimum ikke overskrides.

I tillegg til å regulere pluggstrømmens hastighet, er det mulig å regulere tilførselshastigheten for et substrat, idet denne reaksjonsdeltaker anvendes som næring. Under fremstillingen av xantan er oksygen et viktig substrat. Resultatet er at konsentrasjonen av substratet direkte nedstrøms for de stasjonære blandere, dvs i enden av sirkulasjonsbanen. Reaksjonshastigheten kan styres ved å tilføre mer eller mindre substrat på grunnlag av målinger av substratkonsentrasjonen ved en nøye valgt sirkulasjonshastighet for pluggstrømmen. For å oppnå energibesparelser, foretrekkes det imidlertid å styre reaktsjonshastigheten med en omhyggelig valgt substrattilfør-sel ved å regulere pluggstrømmens hastighet på grunnlag av konsentrasjonsmålinger av en reaksjonsdeltaker eller en stør-relse utledet av denne. Det utelukkes ikke at det er mulig å styre reaksjonshastigheten ved samtidig å regulere pluggstrøm-hastigheten og tilførselen av en reaksjonsdeltaker.

Blant annet har også antallet substratinnsprøytnings-punkter og dimensjoneringen av og antallet stasjonære blande-elementer innvirkning på prosessen. For et bestemt utstyr er disse imidlertid vanligvis fastlagt, og kan således vanskelig reguleres.

For å oppnå øket effekt er det vesentlig at både optima-liseringen av reaktoren og styringen av prosessbetingelsene bestemmes av reaksjonskinetikken.

Anvendelse av stasjonære blandere har den fordel at det forbrukes relativt lite energi og at reaksjonsvolumet kan være relativt lite, mens væsken beveger seg som en pluggstrøm.

Isteden for å måle konsentrasjonen av selve reaksjons-deltakeren kan det måles en størrelse som er avledet av denne, såsom pH, oksygenkonsentrasjonen, temperaturen og lignende, alt avhengig av prosessen.

Et formål med oppfinnelsen er å frembringe en fermenteringsreaktor som særlig er anvendelig til fremstilling av polysakkarider, og særlig xantan.

Fermenteringsreaktoren ifølge den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved at reaktoren er inndelt i nedadgående og oppadgående seksjoner ved hjelp av én eller flere stort sett vertikale skillevegger, og at stasjonære in-line blandere er anbrakt i det minste i én av seksjonene, og at en pumpeanordning er anbrakt inne i eller utenfor reaktoren for å frembringe en sikulerende strøm i form av oppadgående og nedadgående strømmer i reaktoren.

Ifølge en foretrukket utførelse er skilleveggen sylindriske, idet reaktoren kan være inndelt i en sylindrisk seksjon og en ringformet seksjon.

En annen mulighet er at skilleveggen eller skilleveggene

kan være rette eller svakt krummete.

For å kunne regulere prosessen mellom kritiske minimums-og maksimumshastigheter, må reaktoren ifølge oppfinnelsen om-fatte minst ett måleinstrument for å måle konsentrasjonen av én eller flere av reaksjonsdeltakerne, eller en størrelse som er avledet derav, mens det er innrettet reguleringsanordninger for å styre pumpehastigheten avhengig av den målte verdi. For-trinnsvis er reaktoren utstyrt, i det minste på ett punkt, med et måleinstrument for å måle den stort sett største konsentrasjon av en reaksjondeltaker eller en størrelse avledet derav, og med et måleinstrument for å måle den stort sett minste konsentrasjon av en reaksjonsdeltaker eller en størrelse avledet derav.

Fermenteringsvæsken oppnår strukturelle egenskaper, og særlig pseudoplastisitet, under en prosess for fremstilling av polysakkarider med aerobe bakterier. Ved enhver hastighet er det nød-vendig å anvende en sirkulasjonspumpe dersom blandingen blir viskøs. Under fremstillingen av mikrobielle polysakkarider hvor viskositeten holder seg under en viss verdi, kan sirkulasjonen også skje ved substratinjeksjon, såsom av den anvendte gassblanding.

Den viktigste fordel med oppfinnelsen er at selv om det anvendes en forholdsvis billig og solid reaktor, blir produkt-utbytte betydelig høyere i forhold til en reaktor med omrøring og samme energiforbruk. Dersom det anvendes en slik reaktor, er det nødvendig å stanse ved et punkt hvor produktutbyttet fortsatt er forholdsvis lavt som følge av den betydelige vis-kositetsstigning. Denne begrensning gjelder i langt mindre grad ved anvendelse av reaktoren ifølge oppfinnelsen.

Ulike utførelser og anvendelser av reaktoren ifølge oppfinnelsen skal nå mer detaljert forklares under henvisning til de medfølgende figurer.

Til fremstilling av polysakkarider tas det sikte på å anvende de sylindriske reaktorer som er vist på figurene, og særlig ved fremstilling av xantan. Reaksjonsdeltakerne er vann, et produksjonsmedium som inneholder ett eller flere sukkere og næringssalter, og et inokuleringsmateriale av en egnet aerob bakterie, og for fremstilling av xantan anvendes det Xanthamonas campestris. Disse reaktanter blandes i reaktoren i et gitt tidsrom, f.eks. i 72 timer, ved en gitt tempera-tur, f.eks. 30°C, og en gitt pH, f.eks. 7, og når det tilsettes luft dannes det et polysakkarid ved fermentering.

Reaktorene er ikke av den vanlige omrørte type, for i hver av dem er det anbrakt én eller flere vertikale skillevegger 1 som deler reaktorkammeret inn i et antall underkammere hvori det dannes en sirkulasjon ved hjelp av en pumpe 2. De nevnte underkammere danner grensene mellom de oppadgående og nedadgående strømmer.

Pilene på figurene viser i hvilke underkammere det dannes oppadgående og nedadgående strømmer. Minst ett av underkammerne i hver reaktor inneholder et antall stasjonære in-line blandere 3, f.eks. med en konstruksjon som er beskrevet i NL-patentsøknader 75.02953, 77.00090 eller 80.04240. Blanderne 3 deler hovedstrømmen i understrømmer, skifter understrømmenes innbyrdes posisjon hvoretter de kombineres. Dersom det er nødvendig, kan det anordnes en varme- eller kjøleenhet for å holde temperaturen på det ønskede nivå

(f.eks. 30°C). I noen tilfeller utvikles det varme under fermenteringsprosessen. En slik varme eller kjøleenhet kan f.eks. bestå av en dobbel reaktorkappe med innløp og utløp for varme- eller kjølemedium.

På hver reaktor er luftinnløpet angitt ved 4 mens utlø-pet for gassen som dannes under fermenteringsprosessen, er angitt ved 5.

På fig. 1 er skilleveggen 1 sylindrisk. Den oppadgående del av sirkulasjonsstrømmen skjer på innsiden av skilleveggen 1, mens den nedadgående strøm skjer i det: ringformete kammer mellom reaktorveggen og skilleveggen 1. Pumpen 2 er anbrakt utenfor beholderen. De stasjonære blandere- 3 er anbrakt i den oppadgående strøm og har en dobbeltfunksjon, idet de blander reaktantené i væsken i en retning på tvers av strømningsret-ningen, og de fordeler gassfasen slik at det skjer en økende masseoverføring i blanderne. Pumpehastigheten velges slik at det oppnås en tilstrekkelig massetransport innen et visst

sirkulasjonstidsrom.

For å fremme den nedadgående strømmens homogenitet, kan det ringformede kammer mellom skilleveggen 1 og reaktoren være utstyrt med f.eks. en spiralleder (spiral guide). Fig. 2 skiller seg fra fig. 1 ved at den nedadgående strøm føres gjennom det indre sylindriske kammer, som er utstyrt med stasjonære blandere anbrakt på skilleveggen 1, mens den oppadgående strøm føres gjennom det ringformede kammer. Fig. 3 skiller seg fra fig. 1 og fig. 4 skiller seg fra fig. 2 ved at sirkulasjonspumpen er anbrakt i reaktoren.

Ett av problemene ved pumpevalget kan være at det danne-de polysakkarid, f.eks. xantan, er pseudoplastiske. En sentri-fugalpumpe med et ormformet (vermiform) løpehjul, eller en pumpe med en kombinert aksial- og sentrifugalvirkning kan egne seg til å løse dette problem. Fig. 5 viser en reaktor som er inndelt i to seksjoner av ulik størrelse av en rett skillevegg. Den største seksjon er utstyrt med stasjonære blandere 3 og danner grensen for den oppadgående strøm under prosessen. Fig. 6 er forskjellig fra fig. 5 idet pumpen er anordnet utenfor reaktoren. Fig. 7 viser en utførelse med tre rette skillevegger som, sammen med reaktorveggen 4, danner grensen mellom underkammerne, og av disse kammere anvendes to til en oppadgående strøm og to til en nedadgående strøm. Underkammerne for den oppadgående strøm er utstyrt med stasjonære blandere 3. Det kan også være behov for to pumper 2. Fordelen med denne utfø-relse er at forholdet mellom høyde og diameter kan være forholdsvis lavt.

Stort sett drives reaktorene satsvis, selv om noen typer såsom de hvor underkammeret(erne) med stasjonære blandere anvendes til en oppadgående strøm, kan egne seg for kontinuerlig tilførsel og avtapping av reaksjondeltakere.

For å få en reaktor til å fungere tilfredsstillende, fylles den helt med reaksjondeltakere og pumpen startes, og luft tilføres som substrat via innløpet 4. Reaksjonsdeltakerne blandes omhyggelig i de stasjonære blandere. Reaktantene forbrukes delvis av den aerobe bakterie som følgelig formerer seg og skiller ut et produkt. Det anvendes atmosfærisk oksygen som substrat, og dette forbrukes av den aerobe bakterie. Etter blandingen må gassoverskuddet trekkes av, f.eks. med en væske-gass-separator. Den fraseparerte gass trekkes ut ved 5.

Det dannes en pluggstrøm i det minste i en seksjon hvor det er anbrakt stasjonære blandere. Det utelukkes imidlertid ikke at tilførselsorganer kan anbringes mellom de stasjonære blandere for å gjøre det mulig å tilføre nødvendige reaktanter .

Det er. av vesentlig betydning at reaksjonsbetingelsene kan optimaliseres uansett reaktorstørrelse, og at energiforbruket kan begrenses til et minimum. Oppskaleringen av prosessen kan forenkles som følge av at omsetningen i reaktoren kan beskrives nøyaktig og følgelig simuleres. Mikrobielle polysakkarider har den egenskap at de kan påvirke mediets rheologi i betydelig grad. Det oppnås alltid en energibesparelse i forhold til en reaktor med omrøring.

Polysakkarider kan med godt resultat også fremstilles med en konstant sirkulasjonshastighet. Det foretrekkes imidlertid å måle konsentrasjonen av en reaksjonsdeltaker eller en størrelse avledet av denne på ett eller flere punkter, og deretter regulere reaksjonshastigheten på grunnlag av disse målinger. Som eksempel viser fig. 1 hvordan reguleringskretsen kan utformes. På toppenden av seksjonen 1 for oppadgående strøm er det anordnet en måleelektrode 6, mens en annen måleelektrode 7 er anbrakt i bunnen av seksjonen 2 for nedadgående strøm 2. Måleelektrodene er forbundet med en reguleringsenhet 8 som styrer pumpen 2 på en slik måte at reaksjonshastigheten synker til innenfor de kritiske minimum- og maksimumsgrenser. Særlig kan måleelektroden 6 anvendes for å bestemme den maksimale substratkonsentrasjon etter blanding, mens måleelektroden 7 anvendes for å bestemme minimums-substratkonsentrasjonen. For å oppnå den optimale reaksjonshastighet reguleres plugg-strømhastigheten med pumpen slik at substratkonsentrasjonen alltid synker til innenfor de kritiske maksimums- og minimums-verdier. Særlig betyr dette at dersom måleelektroden 6 regis-trerer at den maksimale substratkonsentrasjon holder seg over den kritiske maksimumsverdi, reduseres pumpehastigheten, mens den øker dersom måleelektroden 7 viser at minimums-substratkonsentrasjonen synker til under det kritiske minimum.

Elektrodene måler konsentrasjonen av substratet eller av en annen reaksjonsdeltaker eller en størrelse som er en direkte funksjon av nevnte konsentrasjon. For dette formål kan bl.a. pH, oksygenkonsentrasjonen, temperaturen og trykket egnet seg for måling, uavhengig av prosessen.

Pumpehastigheten reguleres for å optimalisere reaksjons-forløpet. Det utelukkes imidlertid ikke at pumpehastigheten kan være konstant mens tilførselshastigheten for substratet eller andre av reaksjonsdeltakerne reguleres på grunnlag av konsentrasjonsmålinger eller størrelser avledet av disse. Inn-sprøytingen kan foretas på flere steder mens antallet injek-sjonspunkter kan varieres på grunnlag av nevnte målinger. Det er også mulig å regulere avtapningen av produktet.

Et vesentlig trekk er det at fermenteringen nå kan gjennomføres i en normal, robust og forholdsvis billig reaktor som er inndelt i underkammere av minst en skillevegg. Videre er det vesentlig at det kan dannes en sirkulasjonsstrøm i underkammerne med en oppadgående og en nedadgående strøm og at minst en av strømmene føres i form av en pluggstrøm gjennom én eller flere stasjonære in-line blandere.

EKSEMPEL

Xanthomonas campestries ATCC 139511 dyrkes i 48 timer ved 30°C på en trypton-glukose gjærekstraktagar. Materiale fra en separat/isolert koloni inokuleres i en kolbe som inneholder glukosegjærekstrakt/maltekstrakt-løsning, suspenderes, og dyrkes i 24 timer ved 30°C under rysting. 1 liter av dette inokuleringsmateriale tilsettes til 25 liter fermenterings-medium som inneholder glukose som karbonkilde i en konsentrasjon på 4 vekt%, og gjærekstrakt som en organisk nitrogenkilde i en konsentrasjon på 0,5 vekt%. Magnesiumioner i form av MgS04 tilsettes i en konsentrasjon på 0,05 vekt%. Under fermenteringen holdes pH konstant mellom 6,5 og 7,5 ved tilsats av 2 N KOH. Det anvendes en basisk buffer i form av K2HPO4 med en konsentrasjon på 0,2 vekt%. Dette materiale ble anbrakt i en reaktor på 120 liter som beskrevet foran. Sirkulasjonstiden var 8 minutter slik at sirkulasjonshastigheten var 15 l/min. Temperaturen var 31°C og 40 liter luft ble tilsatt pr. minutt. Materialsirkulasjonen foregikk i 72 timer. Det ble dannet 5 - 6 vekt% xantan mens energiforbruket var 4 KW pr. m<3> reaktor-volum. Med samme energiinnsats (4KW/m<3>) tar fermenteringen 144 timer i en omrørt reaktor (120 liters størrelse). Den oppnådde produktkonsentrasjon er i dette tilfelle 3 vekt%. I et pilot-anlegg oppnås det en slik produktkonsentrasjon under anvendelse av en reaktor med omrøring med en energitilsats på 4 - 5 KW/m<3> i 144 timer. Det oppnås imidlertid en mye lavere pro-duktkonsentras jon, nemlig 1,8 - 2,0 %, med det nevnte energiforbruk i løpet av 72 timer.

Claims (6)

1. Fermenteringsreaktor, karakterisert ved at reaktoren er inndelt i nedadgående og oppadgående seksjoner ved hjelp av én eller flere stort sett vertikale skillevegger (1), og at stasjonære in-line blandere (3) er anbrakt i det minste i én av seksjonene, og at en pumpeanordning (2) er anbrakt inne i eller utenfor reaktoren for å frembringe en sirkulerende strøm i form av oppadgående og nedadgående strøm-mer i reaktoren.

2. Reaktor i samsvar med krav 1, karakterisert ved at skilleveggen (1) er sylindrisk, og at reaktoren er inndelt i en sylindrisk seksjon og en ringformet seksjon.

3. Reaktor i samsvar med krav 1, karakterisert ved at skilleveggen (1) er rett eller svakt buet.

4. Reaktor i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at reaktoren har minst ett måleinstrument (6,7) for å måle konsentrasjonen av én eller flere reaksjonsdeltakere eller en størrelse avledet derav, og at en reguleringsanordning er tilstede for å regulere pumpehastigheten avhengig av den målte størrelse.

5. Reaktor i samsvar med krav 4, karakterisert ved at reaktoren, i det minste i ett punkt, er utstyrt med et måleinstrument (6) for å måle den stort sett største konsentrasjon av en reaksjondeltaker eller en størrelse avledet derav, og med et måleinstrument (7) for å måle den stort sett minste konsentrasjon av en reaksjonsdeltaker eller en størrel-se avledet derav.

6. Anvendelse av reaktoren ifølge krav 1-5 til fermenteringsfremstilling av polysakkarider, særlig xantan.