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Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 1 Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011 Industrielle.

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1 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 1 Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011 Industrielle Biotechnologie GRUPPENARBEIT Gruppe: Gruppennummer 2 – Fermentation

2 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 2 Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011 Janine Brunner Lucie Angenendt Meik Martens Frank Meyer

3 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 3 Fermentation im Labormaßstab Zielsetzung der Molke-Fermentation 5 Vermeidung von Problemen 6 Abgasanalytik 7 Prozeßschritte der Fermentation Vorbereitung und Animpfung Gesamtablauf der Fermentation 12 Haupt- und Nebenprodukte der Fermentation 13 Produktmengen 14 Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum Fermentation im großtechnischen Maßstab 21 Anlagenskizze 22 Zusammenfassung 23 Literatur und Überleitung Fermentation Inhalt

4 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 4 Fermentation im Labormaßstab Fermentation im Labormaßstab

5 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 5 Profitable Produktion von Ausgangschemikalien für die chemische 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

6 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 6 Kontaminationen (Infektionen) vermeiden Maximale Durchmischung des Ansatzes Vermeidung genetischer Degeneration Autointoxikationen vermeiden Fermentation Vermeidung von Problemen

7 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 7 Abgasmessung mittels BlueSens-Meßgerät O 2 & CO 2 - Sensor Methanol- Sensor Oxygen analyzer BCP-O 2 - Sensor Infrared- methane- CH 4 -Sensor BlueSens- Meßgerate aus Herten Fermentation Abgasanalytik

8 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 8 Prozeßschritte der Fermentation Prozeßschritte der Fermentation

9 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 9 Folgende Berechnungen liegen zugrunde: t/a Molke des Zulieferbetriebes (= 10 9 L/a) Durchschnittlich sind in der Molke ca. 4,5 Mass- % Laktose enthalten. => In 10 9 kg/a sind folglich 45 · 10 3 t/a Laktose vorhanden. Ein Batch-Ansatz dauert ca. 3 Tage. =>Pro Jahr sind also pro Fermenter ca. 120 Batch- Verfahren möglich. Für einen Batch- Ansatz mit Clostridium acetobutylicum: =>44 g Laktose / Liter Fermentation Vorbereitung und Animpfung

10 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: kg Laktose 375 · 10 6 g Laktose Verdünnung: 44 g Laktose / Liter Ansatz = 8,5 · 10^6 Liter Laktose / Ansatz Fermentation Vorbereitung und Animpfung =>10 · Liter bzw. 20 · Liter verdünnte Laktose = kg/Ansatz Laktose => g Laktose 44 g Laktose kg/a Laktose 120 Batch-Verfahren

11 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 11 Molkebedarf für einen Liter-Fermenter: 425 t / Ansatz (3 Tage) zwanzig Liter-Fermenter: t / 20 Ansätze (3 Tage) => ~ Ansätze/a Zu inokulierende Bakterienmenge zum Animpfen eines Ansatzes: 3 % bis 5 % des Fermentationsvolumens => ~ 20 t Inokulum / Ansatz Bei der größte Molkerei in Deutschland fallen circa 3,7 · 10 6 t/a Molke an: => ~ t / 74 Ansätze (3 Tage) => anstatt ~ Ansätze/a ~ Ansätze/a Fermentation Vorbereitung und Animpfung

12 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 12 Ferme nter 12 h 24 h 36 h 48 h 60 h 72 h 84 h 96 h 1 – 3 01 – 03 4 – 6 04 – 06 7 – 9 07 – – – – – 20 Präfer m. Fermentation Gesamtablauf der Fermentation

13 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 13 Butanol Ethanol Riboflavi n Propions äure Isovaleri nsäure Valerinsä ure Hexansä ure Önanths äure Nebenprodu kte Hauptprod ukte Acet on Essigs äure Butters äure Fermentation Haupt- und Nebenprodukte

14 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 14 Ausgehend von 425 t / Ansatz (3 Tage) Produkteg/l t/Ans atz t/Jahr für 20 Fermenter Substrat für die Fermentation / 425, ,0 CO 2 / 9, ,0 H2H2 / 0,2 408,0 Rest-Substrat / 415, ,0 Aceton 1,0 0 0,4 996,1 Ethanol 0,3 0 0,1 298,8 Butanol 12, 00 5, ,6 Essigsäure 0,3 5 0,1 348,6 Buttersäure 0,3 0 0,1 298,8 Schlempe / 409, ,0 Zentrifugat / 21, ,5 Davon Trockenmasse /1,53.487,9 Fermentation Produktmengen

15 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 15 Nährstof fe Verfahrenste chnik Temperat ur Butanol Spurenelem ente Konkurrier ende Bakterien? Ethan ol pH- Wert H 2, CO 2, O 2 Phagen ? Kohlenhydr ate Pilzbefall ? Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum

16 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 16 Süßmolke pH-Werte: 6,1 - 6,6 Messung durch die pH- Elektrode SenTix 81 Einstellung des pH- Wertes durch 1 N HCl & 1 N NaOH Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum pH- Wert:

17 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 17 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. Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum

18 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 18 Natrium, Magnesium, Mangan & Kalzium: Weder positiver Effekt, noch Limitierung Spurenele mente: Kalium: Positiver Effekt auf Säurebildung Kein Einfluß auf die Solventogenese Molybdän:Zugabe wirkt hemmend Citrat:Entfernung [Aceton] 2,8g/L hemmt vollständig die Lösemittelbildung Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum

19 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: g/L => Maximale Endkonzentration & maximale Geschwindigkeit Das wären bei L circa 127,5 t Fleischextrakt! Sehr große Menge Extrakt nötig! => Nicht kosteneffizient! Menge Extrakt Menge Produkt Fleische xtrakt: Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum

20 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 20 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] Fermentation Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum

21 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 21 Blasensäulenrea ktor mit Schlauchbegasun gssystem 1. Sektor: Boden mit Sensore n Gaspu mpe 2. Sektor: Mantel mit Heizung 3. Sektor: Deckel mit Säure- und Laugenp um- pe, sowie Antischa um- pumpe Abführ ung von z. B. Schle mpe Präfermen ter mit Schlauc h- begasun gs- system Fermentation Fermentation im großtechnischen Maßstab

22 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 22 Fermentation Anlagenskizze

23 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 23 Technische Aspekte sind ständig zu verbessern Wenn der Einkauf von Zusatzstoffen zu teuer & nicht weiter verhandelbar ist, Ausweichmöglichkeit suchen. z.B. Etablierung einer eigenen Hefeextrakt- Produktionsanlage Benötigte teure Zusatzstoffe können evtl. durch günstigere ersetzt werden. Viele Einflußfaktoren können die Fermentation beeinflussen: Verlust von Erbinformationen, Infek- tionen, Konkurrierende Organismen, Autointoxikationen usw. Notwendigkeit ständiger Qualitätsüberwachung Ständige Überprüfung auf weitere Optimierungsmöglich keiten Fermentation Zusammenfassung

24 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 24 pH-Wert-Meßgerät: g pH-Wert-Einstellung: e.jpg Molke: olke.jpg? Vorlage 1 Fermentatives Verfahren zur Gewinnung von organischen Lö- sungsmitteln aus Molke, Dominik Stephan Antoni, März 2010 Vorlage 2 Fermentation Literatur

25 Dr.-Ing. Frank Eiden Biotechnologie Industrielle Biotechnologie: 25 Zwischenfragen? Diskussionen bitte erst am Ende der Vortragsreihe. Diskussionen bitte erst am Ende der Vortragsreihe. Vielen Dank! Fermentation Überleitung


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