Bisher konnten bei Feststofffermentationen für die Produktausbeute entscheidende Parameter wie Durchmischung und Wärmeübertragung nicht ausreichend geregelt werden. Das spezielle Reaktordesign der Durchlaufinversina kombiniert die bereits bewährte Bewegung der Inversina-Taumelmischer mit einer effizienten Temperaturregelung über die Belüftung und schafft somit ein Komplettsystem für Feststofffermentationen.
Für die Feststofffermentation werden in erster Linie Pilze verwendet, da diese aufgrund ihrer filamentösen Struktur feste Substrate bevorzugt bewachsen. Hefen und Bakterien können jedoch auch eingesetzt werden. Die Vorteile dieser Art der Fermentation liegen einerseits in der relativ billigen Durchführbarkeit und andererseits in den oft höheren Ausbeuten, verglichen mit der entsprechenden Submerskultur.
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. Dies führt zu einem geringeren Kontaminationsrisiko und somit zu einer weiteren Verringerung der 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.
Probleme im Reaktorbau
Trotz dieser evidenten Vorteile konnte sich die Feststofffermentation in vielen Industriezweigen nicht als hochtechnologischer Prozess 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 Subs-trat 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.
Substrate unterschiedlichster Konsistenz und Form werden für Feststofffermentationen 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 Wärmegradienten, die umso stärker ausgeprägt sind, je kleiner die Partikelgröße des Subs-trats ist. Wärmegradienten entstehen durch die Stoffwechselwärme der Mikroorganismen während der Fermentation. 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 Ausmaß 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.
Reaktordesign für effiziente Durchmischung
Wärmegradienten, Kanalbildung und ungenügende Belüftung können durch ausreichende Durchmischung des Substrats verhindert 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 optimaler Durchmischung. Produktentwicklungsingenieure misstrauen außerdem vielfach den Stopfbuchsen und Gleitringdichtungen der gängigen Rührantriebe. Aus diesen Gründen sind 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 Feststofffermenter Durchlaufinversina von Bioengineering 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. Dies ermöglicht die Dampfsterilisation des Reaktors. Sterilisierbare Zu- und Abluftfilter komplettieren die Anlage für Anwendungen im Biotechnologie-, Pharma- oder Lebensmittelbereich.
Regelung von Temperatur und Belüftung
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 Gasflussregler 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, etwaige Temperaturgradienten werden durch die Bewegung des Kessels verhindert.
Die zweite Methode der Temperaturregelung wird bei der Durchlaufinversina über einen Temperaturregler realisiert, der die Temperatur des Wasserbads zur Befeuchtung der Zuluft regelt. Bei Kühlbedarf im Fermenter durchströmt die Zuluft ein gekühltes Wasserbad, muss der Fermenter beheizt werden, wird er mit erwärmter Luft versorgt.
Dieses zweifache System weist drei entscheidende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Temperaturregelung auf: Durch den Wegfall einer Klimakammer ist es platzsparend und einfach in der Handhabung. Erweist sich eines der beiden Systeme in kritischen Phasen der Fermentation als nicht ausreichend, kann das zweite System zugeschaltet werden. Die beiden Systeme können in einer Kaskade miteinander gekoppelt werden. Das bedeutet, der Anlagenbetreiber kann genau definieren, zu welchem Zeitpunkt 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 nicht sehr hoch, der Fermenter muss beheizt werden. Befindet sich der Organismus am Höhepunkt der exponentiellen Wachstumsphase, ist die Stoffwechselwärme hoch und der Fermenter muss gekühlt werden. Um die Sauerstoffversorgung des kultivierten Organismus zu jedem Zeitpunkt der Fermentation zu gewährleisten, 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, kann nun der Anteil der Gasfluss- und der Temperaturregelung in Abhängigkeit von der Ablufttemperatur definiert werden. Dies erlaubt die optimale Temperierung und gleichzeitig die optimale Gasversorgung und Feuchtigkeit während der gesamten Fermentation.
Ganzheitliches System für die Feststofffermentation
Das neuartige Konzept für Temperatur- und Zuluftregelung der Durchlaufinversina erlaubt dem Betreiber durch die Kaskadenverbindung der Regler das individuelle Einstellen der feinen Balance zwischen Wärmeübertragung und Feuchtigkeit für jeden Substrattyp und jeden kultivierten Organismus. Die Inversionsmischung erleichtert die Aufrechterhaltung der Fermentationsparameter und arbeitet gleichzeitig schonend. Zusammen mit im Sterilbetrieb standardmäßig eingesetzten Komponenten, wie Sterilfilter, Dampfsterilisation, sterile Inokulation etc., wird ein ganzheitliches System für die Feststofffermentation geschaffen, das den Hygienebestimmungen der Biotech- und Pharmaindustrie entspricht. Mit Kunststoffbehältern kann die Durchlaufinversina auch für den Einwegbetrieb ausgerüstet werden.
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