Neues Reaktordesign für Feststofffermentationen

Taumelnd zum Erfolg

09.11.2006 Bisher konnten bei Feststofffermentationen für die Produktausbeute entscheidende Parameter wie Durchmischung und Wärmeübertragung nicht ausreichend geregelt werden. Durch ein Reaktordesign, das die Bewegung von Taumelmischern mit einer effizienten Temperaturregelung über die Belüftung kombiniert, erschließen sich neue Möglichkeiten.

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Die Feststofffermentation hat bereits eine lange Tradition, wie zum Beispiel für die Herstellung von Lebensmitteln wie Koji und Tempeh im asiatischen Raum. Das Verfahren eignet sich aber auch für die Enzymproduktion, für die Herstellung von chemischen, pharmazeutischen und bioaktiven Produkten, sowie für die mikrobiologische Umweltsanierung oder die Vorbereitung von Holz oder Zellstoff. Für die Feststofffermentation werden in erster Linie Pilze verwendet, da diese auf Grund ihrer filamentösen Struktur feste Substrate bevorzugt bewachsen. Hefen und Bakterien können jedoch auch eingesetzt werden. Die Vorteile dieser Art der Fermentation: Sie sind relativ billig durchzuführen und erzielen im Vergleich zur entsprechenden Submerskultur oft höhere Ausbeuten.

Kosteneinsparungen kommen hauptsächlich durch die billigen Rohstoffe zu Stande, die als Träger für die Mikroorganismen dienen. Diese können je nach Art des Prozesses unter anderem Abfallprodukte aus der Agrarindustrie sein, wie Weizenkleie, Sägespäne, Obsttrester oder Abfälle aus der Zuckerproduktion. Die kultivierten Mikroorganismen verwenden die festen Substrate nicht nur als Träger, sondern werden in den meisten Fällen von ihnen auch mit allen Nährstoffen versorgt. Zusätzliche Nährstoffe sind für ein rasches Wachstum und optimale Produktausbeuten nur in geringen Mengen oder gar nicht erforderlich.
Bei Fermentationen auf festen Substraten ist der Wassergehalt relativ gering, was einen signifikanten Selektionsvorteil der fermentierten Mikroorganismen gegenüber in Submerskultur wachsenden Keimen zur Folge hat. Dadurch verringern sich das Kontaminationsrisiko und die Kosten gegenüber Prozessen, die absolute Sterilität erfordern. Die selektiven Wachstumsbedingungen der entsprechenden Mikroorganismen und der geringe Wassergehalt führen zu höheren Produktausbeuten. Wegen der geringeren Menge an Flüssigkeit im Reaktor werden die Produkte in höher konzentrierter Form ausgeschieden als in Submerskultur. Zur Ernte des Produkts wird in vielen Fällen ebenfalls wenig Flüssigkeit benötigt. Die daraus resultierenden hohen Produktkonzentrationen vereinfachen die Produktgewinnung und dessen Reinigung, verringern die Abwassermengen und reduzieren somit wiederum die Kosten.

Wärmeabfuhr ist der Knackpunkt

Trotz dieser evidenten Vorteile konnte sich die Feststofffermentation in vielen Industriezweigen nicht durchsetzen, da der Stand der Fermentertechnik nicht jenem für Submerskulturen entsprach. Durch die komplexeren Fermentationsbedingungen der Feststoffkultur müssen im Reaktorbau einige Probleme überwunden werden. Während der Fermentation finden verschiedenste Konvektions- und Diffusionsprozesse zwischen den Substratpartikeln und zwischen Mikroorganismus und Substrat statt. Sauerstoff und Wasser bzw. Zusatznährstoffe müssen sowohl den gesamten Reaktorraum erreichen, als auch in die Mikroorganismen eindringen. Das Produkt muss in zufriedenstellender Menge ausgeschieden werden und in vielen Fällen in ausreichendem Maße von dem Mikroorganismus wegdiffundieren, um eine Produkthemmung zu vermeiden. Die Diffusion und Konvektion hängt stark von der Feuchtigkeit im Reaktorinnenraum und der Durchmischung des Reaktorinhalts ab.

Für Feststofffermentationen werden Substrate unterschiedlichster Konsistenz und Form verwendet. Diese können in ihrer Partikelgröße von pulverförmiger Stärke bis zu mehreren Zentimeter großen Hackschnitzeln variieren. Die Durchmischung des Substrats gestaltet sich für jede Partikelgröße als äußerst schwierig. In vielen Fällen wird gänzlich auf die Durchmischung während der Fermentation verzichtet. Dadurch entstehen auf Grund der Stoffwechselwärme Wärmegradienten, die umso stärker ausgeprägt sind, je kleiner die Partikelgröße des Substrats ist. Durch die relativ feste Packung des Substrats kann die Wärme nur schwer abgeführt werden. Oft wird in Feststoffreaktoren nur die Belüftung zur Abfuhr überschüssiger Wärme eingesetzt. Gerade bei Substraten mit geringer Partikelgröße können sich Kanäle bilden, durch die die gesamte Luft entweicht. Dies führt zu überhitzten und gleichzeitig mit Sauerstoff unterversorgten Regionen im Reaktor. Gleichzeitig kann während der Fermentation entstehendes Kohlendioxid nicht in ausreichendem Maße abgeführt werden. Durch diese Unterversorgung von Sauerstoff und den Überschuss von Schadstoffen werden ungünstige Wachstumsbedingungen geschaffen, es kommt zu Veränderungen im Metabolismus und die Fermentationsresultate sind im besten Fall suboptimal.
Selbst wenn für eine relativ gleichmäßige Belüftung durch den Reaktorraum gesorgt werden kann, zum Beispiel bei nur mäßiger Befüllung des Kessels mit einem Substrat mit großen Partikeln, kann es durch exzessive Luftdurchströmung zu Evaporationseffekten kommen. Dies hat eine Austrocknung des Substrats und somit verschlechterte Kulturbedingungen zur Folge. Reduzierte Stoffwechselaktivität, verringertes Wachstum des Mikroorganismus und schlechtere Produktausbeuten sind das Ergebnis. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden Feststofffermentationen immer mit wassergesättigter Luft belüftet.
Ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt kann wiederum die Sauerstoffübertragung durch Reduktion der Substratporosität und somit den Metabolismus und die Produktausbeute negativ beeinflussen. Beim Reaktorbau und dem Design der Mess- und Regeltechnik für die Feststofffermentation muss diese Balance zwischen Wärmeübertragung, Feuchtigkeit und Durchmischung berücksichtigt werden.

Für effiziente Durchmischung sorgen

Um Wärmegradienten, Kanalbildung und ungenügende Belüftung zu verhindern, muss das Substrat ausreichend durchmischt werden. Die Durchmischung muss intensiv genug sein, um homogene Bedingungen für alle Substrattypen zu gewährleisten und gleichzeitig muss sie sanft genug sein, um den Mikroorganismus nicht zu schädigen.

Herkömmliche, in der Submerskultur verwendete Rührsysteme führen oft nicht zu einer optimalen Durchmischung. Produktentwicklungsingenieure misstrauen außerdem vielfach den Stopfbuchsen und Gleitringdichtungen der gängigen Rührantriebe. Aus diesen Gründen ist das Rühren ohne rotierende Dichtung und die Übertragung von Drehbewegungen auf geschlossene Behälter unter Einhaltung aller Hygiene- und Sicherheitsbestimmungen eine große Herausforderung für den Reaktorbau. In der Submerskultur werden als Alternative Magnetrührwerke verwendet. Diese eignen sich jedoch nicht zur Durchmischung fester Substrate.
Günstige Mischergebnisse wurden durch Bewegung des gesamten Reaktors erzielt. Der neue Feststofffermenter Durchlaufinversina bedient sich nicht der Rotationsbewegung als Antriebskonzept, sondern der Inversionsbewegung von Taumelmischern. Realisiert wird diese Taumelbewegung von zwei Motoren, die über eine SPS-Steuerung geregelt werden. Diese für die Feststofffermentation neuartige Mischstrategie führt zu einer schonenden und kontrollierten Durchmischung des Fermentationsguts. Gleichzeitig erlaubt dieses Reaktordesign die kontinuierliche Zu- und Abfuhr von Luft, Zusatzsubstrat und Puffer zur pH-Regelung oder Produktgewinnung, da flexible Leitungen an den beweglichen Reaktorkessel montiert werden können. Über Sterilkreuze wird die Dampfversorgung an die gleichen Anschlüsse montiert. Dadurch kann der Reaktor mit Dampf sterilisiert werden. Sterilisierbare Zu- und Abluftfilter komplettieren die Anlage für Anwendungen in Biotech-, Pharma- oder Lebensmittelbranche.

Temperatur wird über Zuluft und Befeuchtung geregelt

Ein großer Nachteil von Feststofffermentationen ist die gegenüber der Submerskultur viel schwieriger realisierbare Messung und Regelung der Temperatur. Wie bereits erwähnt wird die entstehende Stoffwechselwärme am effizientesten über den Lufteintrag in den Reaktor abgeführt. Die erforderliche Kultivationstemperatur wurde bisher häufig durch Fermentation in Klimakammern, die viel Platz einnahmen, aufrechterhalten. Die Durchlaufinversina verzichtet auf eine Klimakammer und bedient sich zweierlei Methoden zur Temperaturregelung:

Die Ablufttemperatur des Fermenters wird kurz nach dem Austritt aus dem Kessel mit einer Temperatursonde gemessen. Ein mit dieser Sonde verbundener Gasdurchflussregler erfasst die Ablufttemperatur und regelt das Zuluftventil entsprechend dem empfangenen Signal und der am Regler eingestellten Parameter. Die Fermentertemperatur wird somit über die Dosierung der Zuluft geregelt. Überschüssige Stoffwechselwärme wird durch hohe Belüftungsraten abgeführt, die Bewegung des Kessels verhindert etwaige Temperaturgradienten.
Als zweite Methode zur Temperaturregelung hat die Durchlaufinversina einen Regler, der die Temperatur des Wasserbads steuert, das zur Befeuchtung der Zuluft dient. Soll dem Fermenter Wärme entzogen werden, durchströmt die Zuluft ein gekühltes Wasserbad; muss der Fermenter beheizt werden, wird er mit erwärmter Luft versorgt. Dieses zweifache System hat gegenüber der herkömmlichen Temperaturregelung drei entscheidende Vorteile:

  • Durch den Wegfall einer Klimakammer ist es platzsparend und einfach in der Handhabung.
  • Reicht eines der beiden Systeme in kritischen Phasen der Fermentation nicht aus, kann das zweite System zugeschaltet werden.
  • Die beiden Systeme können in einer Kaskade miteinander gekoppelt werden. Das bedeutet, der Anlagenbetreiber kann genau definieren, wann die Temperaturregelung und die Gasflussregelung aktiv sind und wann beide Regler gleichzeitig die Temperatur im Reaktor regeln sollen.

Zu Beginn der Fermentation muss der Mikroorganismus am Substrat anwachsen. Die Stoffwechselwärme ist in dieser Phase noch gering, der Fermenter muss beheizt werden. Befindet sich der Organismus am Höhepunkt der exponentiellen Wachstumsphase, entsteht viel Stoffwechselwärme und der Fermenter muss gekühlt werden. Um den kultivierten Organismus zu jedem Zeitpunkt der Fermentation mit Sauerstoff zu versorgen, wird die Belüftungsrate in der Kaskade auf ein Grundniveau eingestellt, das nicht unterschritten werden kann. Je nach Bedarf des Mikroorganismus und je nach Beschaffenheit des Substrats können nun Gasfluss und Temperatur in Abhängigkeit von der Ablufttemperatur eingestellt werden.

Fazit: Die neuartige Temperatur- und Zuluftregelung der Durchlaufinversina ermöglicht es dem Betreiber, durch die Kaskadenverbindung der Regler für jeden Substrattyp und Organismus eine feine Balance zwischen Wärmeübertragung und Feuchtigkeit einzustellen. Die Inversionsmischung erleichtert es, die Fermentationsparameter aufrecht zu erhalten und arbeitet gleichzeitig schonend.

Das ganzheitliche System entspricht den Hygienebestimmungen von Biotech und Pharmazie

Heftausgabe: November-Dezember 2006
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Über den Autor

Karin Koller , Bioprocess support, Bioengineering
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