Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011

Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie

Industrielle Biotechnologie : 1

Fachhochschule Gelsenkirchen- Standort Recklinghausen-

Wintersemester 2010/2011

Industrielle BiotechnologieGRUPPENARBEIT

Gruppe: Gruppennummer 2 – Fermentation



Fachhochschule Gelsenkirchen- Standort Recklinghausen-

Wintersemester 2010/2011

Janine BrunnerLucie AngenendtMeik MartensFrank Meyer



Fermentation im Labormaßstab 4 - 7

Zielsetzung der Molke-Fermentation 5

Vermeidung von Problemen 6

Abgasanalytik 7

Prozeßschritte der Fermentation 8 - 14

Vorbereitung und Animpfung9 - 11

Gesamtablauf der Fermentation 12

Haupt- und Nebenprodukte der Fermentation 13

Produktmengen 14

Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum 15 - 20Fermentation im großtechnischen Maßstab 21Anlagenskizze

22Zusammenfassung

23Literatur und Überleitung

24 - 25

Fermentation Inhalt



Fermentation im Labormaßstab

Fermentation im Labormaßstab



● Profitable Produktion von Ausgangschemikalien für diechemische Industrie● Hohe Ausbeute an Aceton, Acetat und Butyrat.

● Das zur Verfügung stehende Substrat, die Molke, soll maximal genutzt werden.

● Die Molke-Fermentation soll möglichst umweltverträglich (ökoeffizient) sein.

Fermentation Zielsetzung der Molke-Fermentation



● Kontaminationen (Infektionen) vermeiden● Maximale Durchmischung des Ansatzes● Vermeidung genetischer Degeneration● Autointoxikationen vermeiden

Fermentation Vermeidung von Problemen



Abgasmessung mittels BlueSens-Meßgerät

● O2 & CO2-Sensor

● Methanol-Sensor

● Oxygen analyzerBCP-O2-Sensor

● Infrared-methane-CH4-Sensor

● BlueSens-Meßgerate aus Herten

Fermentation Abgasanalytik



Prozeßschritte der Fermentation

Prozeßschritte der Fermentation



Folgende Berechnungen liegen zugrunde:

● 1.000.000 t/a Molke des Zulieferbetriebes (= 109 L/a)

● Durchschnittlich sind in der Molke ca. 4,5 Mass-% Laktose enthalten.

=> In 109 kg/a sind folglich 45 · 103 t/a Laktose vorhanden.

● Ein Batch-Ansatz dauert ca. 3 Tage.=> Pro Jahr sind

also pro Fermenterca. 120 Batch-Verfahren möglich.● Für einen

Batch-Ansatz mitClostridium acetobutylicum:

=> 44 g Laktose / Liter

Fermentation Vorbereitung und Animpfung



● 375.000 kg Laktose ≡ 375 · 106 g Laktose● Verdünnung: 44 g Laktose / Liter Ansatz

= 8,5 · 10^6 Liter Laktose / Ansatz


=> 10 · 850.000 Liter bzw.20 · 425.000 Liter verdünnte Laktose

= 375.000 kg/Ansatz Laktose

=> 375.000.000 g Laktose 44 g Laktose

● 45.000.000 kg/a Laktose 120 Batch-Verfahren



Molkebedarf für● einen 500.000 Liter-Fermenter: 425 t /

Ansatz (3 Tage)● zwanzig 500.000 Liter-Fermenter: 8.500 t

/ 20 Ansätze (3 Tage) => ~ 2.400

Ansätze/a

Zu inokulierende Bakterienmenge zum Animpfen eines Ansatzes:

● 3 % bis 5 % des Fermentationsvolumens => ~ 20 t Inokulum / Ansatz Bei der größte Molkerei in

Deutschlandfallen circa 3,7 · 106 t/a

Molke an: => ~ 31.450 t / 74

Ansätze (3 Tage) => anstatt ~ 2.400

Ansätze/a ~ 8.880

Ansätze/a




Fermenter

12 h

24 h

36 h

48 h

60 h

72 h

84 h

96 h

01 – 03

04 – 06

07 – 09

10 – 12

13 – 15

16 – 18

19 – 20

Präferm.

Fermentation Gesamtablauf der Fermentation



● Butanol

● Ethanol

● Riboflavin

● Propionsäure

● Isovalerinsäure

● Valerinsäure

● Hexansäure

● Önanthsäure

Nebenprodukte

Hauptprodukte● Aceton

● Essigsäure

● Buttersäure

Fermentation Haupt- und Nebenprodukte



Ausgehend von 425 t / Ansatz (3 Tage)

Produkte g/lt/

Ansatz

t/Jahr für 20 Fermenter

Substrat für die Fermentation /

425,0

1.020.000,0

CO2 / 9,8 23.460,0H2 / 0,2 408,0Rest-Substrat /

415,1 996.132,0

Aceton1,0

0 0,4 996,1Ethanol

0,30 0,1 298,8

Butanol12,00 5,0 11.953,6

Essigsäure0,3

5 0,1 348,6Buttersäure

0,30 0,1 298,8

Schlempe /409,

3 982.236,0Zentrifugat / 21,7 52.058,5Davon Trockenmasse / 1,5 3.487,9

Fermentation Produktmengen



● Nährstoffe● Verfahrenstechnik

● Temperatur

● Butanol

● Spurenelemente● Konkurrierende Bakterien?

● Ethanol

● pH-Wert

● H2, CO2, O2

● Phagen?

● Kohlenhydrate

● Pilzbefall?

Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum



SüßmolkepH-Werte: 6,1 - 6,6

● Messung durch die pH-Elektrode SenTix 81● Einstellung des pH-Wertes

durch1 N HCl & 1 N NaOH

Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum ● pH-Wert:



● Temperatur: 30°C - 37°C

● Laktose: [Anfang]↑ → [Säure]↑ → [Lösemittel]↓

● Butanol: ≥ 20g/L hemmt Kultur ≤ 5,5g/L bei der Fermentation

● Hydrolysierte Molke hat eine 50% geringe Produktivität und dadurch auch eine wesentlich geringere Ausbeute.




Natrium, Magnesium, Mangan & Kalzium:● Weder positiver Effekt, noch Limitierung

Spurenelemente:

Kalium:● Positiver Effekt auf Säurebildung● Kein Einfluß auf die SolventogeneseMolybdän:Zugabe wirkt hemmendCitrat: Entfernung → [Aceton]↑

2,8g/L hemmt vollständig die Lösemittelbildung




● 15 g/L=> Maximale Endkonzentration & maximale Geschwindigkeit● Das wären bei 8.500.000 L circa 127,5 t Fleischextrakt!● Sehr große Menge Extrakt nötig! => Nicht kosteneffizient!Menge Extrakt ≈

Menge Produkt

Fleischextrakt:




Spurenelemente & Auswirkungen:

● Hefe: Alumminiumsulfat 2g/L + 2,5mg/L Eisen als Zusatz zu 3,5g/l Hefe → führt bei normalem Betrieb zu einer Leistungssteigerung von 12%.

● Eisen: [Eisen]↓ → [Lösemittel]↑ Wenn pH-Wert > 5,0 und [Fe]↓ → [Säuren]↑




Blasensäulenreaktor mit Schlauchbegasungssystem

1. Sektor: Boden mit Sensoren

Gaspumpe

2. Sektor: Mantel mit Heizung

3. Sektor: Deckel mit Säure- und Laugenpum- pe, sowie Antischaum- pumpe

Abführung von z. B. Schlempe

Präfermentermit Schlauch-begasungs-system

Fermentation Fermentation im großtechnischen Maßstab



Fermentation Anlagenskizze



● Technische Aspekte sind ständigzu verbessern● Wenn der Einkauf von Zusatzstoffenzu teuer & nicht weiter verhandelbarist, Ausweichmöglichkeit suchen.

→ z.B. Etablierung einer eigenenHefeextrakt-Produktionsanlage

● Benötigte teure Zusatzstoffe können evtl. durch günstigere ersetzt werden.

● Viele Einflußfaktoren können die Fermentationbeeinflussen:● Verlust von Erbinformationen, Infek-tionen, Konkurrierende Organismen,Autointoxikationen usw.

Notwendigkeit ständiger

Qualitätsüberwachung

Ständige Überprüfung auf weitere Optimierungsmöglichkeiten

Fermentation Zusammenfassung



● pH-Wert-Meßgerät:http://www.labexchange.com/products/foto/06430.jpg

● pH-Wert-Einstellung:

http://www.verdos.net/img/content/technik/dosiersysteme.jpg● Molke:http://www.weltabc.at/system/image/image/284/d8k3b2/molke.jpg?1180581004

● Vorlage 1Fermentatives Verfahren zur Gewinnung von organischen Lö-sungsmitteln aus Molke, Dominik Stephan Antoni, März 2010● Vorlage 2

http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2010/2604/

Fermentation Literatur



Zwischenfragen?Diskussionen bitte erst am

Ende der Vortragsreihe.

Vielen Dank!

Fermentation Überleitung

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