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Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011

Industrielle Biotechnologie GRUPPENARBEIT Gruppe: Gruppennummer 2 – Fermentation. Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011. Janine Brunner. Lucie Angenendt. Meik Martens. Frank Meyer. Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen-

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

  2. Janine Brunner Lucie Angenendt Meik Martens Frank Meyer Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011

  3. FermentationInhalt Fermentation im Labormaßstab 4 - 7 Zielsetzung der Molke-Fermentation 5 Vermeidung von Problemen 6 Abgasanalytik 7 Prozeßschritte der Fermentation 8 - 14 Vorbereitung und Animpfung 9 - 11 Gesamtablauf der Fermentation 12 Haupt- und Nebenprodukte der Fermentation13 Produktmengen 14 Einflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum 15-20 Fermentation im großtechnischen Maßstab 21 Anlagenskizze 22 Zusammenfassung 23 Literatur und Überleitung 24-25

  4. Fermentation im Labormaßstab Fermentation im Labormaßstab

  5. FermentationZielsetzung der Molke-Fermentation ● 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.

  6. FermentationVermeidung von Problemen ● Kontaminationen (Infektionen) vermeiden ● Maximale Durchmischung des Ansatzes ● Vermeidung genetischer Degeneration ● Autointoxikationen vermeiden

  7. FermentationAbgasanalytik Abgasmessung mittels BlueSens-Meßgerät ● Methanol-Sensor ● O2& CO2-Sensor ● Infrared-methane-CH4-Sensor ● Oxygen analyzerBCP-O2-Sensor ●BlueSens-Meßgerate aus Herten

  8. Prozeßschritte der Fermentation Prozeßschritte der Fermentation

  9. FermentationVorbereitung und Animpfung 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 mit Clostridium acetobutylicum: =>44 g Laktose / Liter

  10. FermentationVorbereitung und Animpfung ●45.000.000 kg/a Laktose 120 Batch-Verfahren = 375.000 kg/Ansatz Laktose ●375.000 kg Laktose ≡ 375 · 106 g Laktose ● Verdünnung: 44 g Laktose / Liter Ansatz => 375.000.000 g Laktose 44 g Laktose = 8,5 · 10^6 Liter Laktose / Ansatz => 10 · 850.000 Liter bzw. 20 · 425.000 Liter verdünnte Laktose

  11. FermentationVorbereitung und Animpfung Molkebedarf für ●einen 500.000 Liter-Fermenter: 425 t / Ansatz (3 Tage) ●zwanzig500.000 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 Deutschland fallen circa 3,7 · 106 t/a Molke an: => ~ 31.450 t / 74 Ansätze (3 Tage) => anstatt ~ 2.400 Ansätze/a ~ 8.880 Ansätze/a

  12. FermentationGesamtablauf der Fermentation

  13. FermentationHaupt- und Nebenprodukte Hauptprodukte Nebenprodukte ● Aceton ● Butanol ● Ethanol ● Essigsäure ● Riboflavin ●Propionsäure ●Isovalerinsäure ●Valerinsäure ●Hexansäure ●Önanthsäure ● Buttersäure

  14. FermentationProduktmengen Ausgehend von 425 t / Ansatz (3 Tage)

  15. FermentationEinflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum ● Temperatur ● Kohlenhydrate ● Butanol ● H2, CO2, O2 ● Ethanol ● pH-Wert ● Nährstoffe ● Spurenelemente ● Pilzbefall? ● Verfahrenstechnik ● Konkurrierende Bakterien? ● Phagen?

  16. FermentationEinflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum ● pH-Wert: Süßmolke pH-Werte: 6,1 - 6,6 ● Messung durch die pH-Elektrode SenTix 81 ● Einstellung des pH-Wertes durch 1 NHCl & 1 NNaOH

  17. FermentationEinflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum ●Temperatur: 30°C - 37°C ●Butanol: ≥ 20g/L hemmt Kultur ≤ 5,5g/L bei der Fermentation ●Laktose: [Anfang]↑→[Säure]↑→ [Lösemittel]↓ ●Hydrolysierte Molke hat eine 50% geringe Produktivität und dadurch auch eine wesentlich geringere Ausbeute.

  18. FermentationEinflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum Spurenelemente: Natrium, Magnesium, Mangan & Kalzium: ● Weder positiver Effekt, noch Limitierung Kalium: ● Positiver Effekt auf Säurebildung ● Kein Einfluß auf die Solventogenese Molybdän: Zugabe wirkt hemmend Citrat: Entfernung →[Aceton]↑ 2,8g/L hemmt vollständig die Lösemittelbildung

  19. FermentationEinflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum Fleischextrakt: ●15 g/L => Maximale Endkonzentration & maximaleGeschwindigkeit ● Das wären bei 8.500.000 L circa 127,5 t Fleischextrakt! ● Sehr große Menge Extrakt nötig! =>Nicht kosteneffizient! Menge Extrakt ≈Menge Produkt

  20. FermentationEinflußgrößen auf Clostridium acetobutylicum Spurenelemente & Auswirkungen: ● Eisen: [Eisen]↓→ [Lösemittel]↑ Wenn pH-Wert > 5,0 und [Fe]↓→ [Säuren]↑ ● Hefe: Alumminiumsulfat2g/L + 2,5mg/LEisen als Zusatz zu3,5g/lHefe →führt bei normalem Betrieb zu einer Leistungssteigerung von 12%.

  21. FermentationFermentation im großtechnischen Maßstab Blasensäulenreaktor mit Schlauchbegasungssystem Präfermentermit Schlauch-begasungs-system 3. Sektor: Deckel mit Säure- und Laugenpum-pe, sowie Antischaum- pumpe Abführung von z. B. Schlempe 2. Sektor: Mantel mit Heizung 1. Sektor: Boden mit Sensoren Gaspumpe

  22. FermentationAnlagenskizze

  23. FermentationZusammenfassung NotwendigkeitständigerQualitätsüberwachung ● Viele Einflußfaktoren können die Fermentation beeinflussen: ● Verlust von Erbinformationen, Infek-tionen, Konkurrierende Organismen, Autointoxikationen usw. Ständige Überprüfung auf weitere Optimierungsmöglichkeiten ● Technische Aspekte sind ständigzu verbessern ● Benötigte teure Zusatzstoffe können evtl. durch günstigere ersetzt werden. ● Wenn der Einkauf von Zusatzstoffen zu teuer & nicht weiter verhandelbarist, Ausweichmöglichkeit suchen.→z.B. Etablierung einer eigenenHefeextrakt-Produktionsanlage

  24. FermentationLiteratur ● Vorlage 1Fermentatives Verfahren zur Gewinnung von organischen Lö-sungsmittelnaus Molke, Dominik Stephan Antoni, März 2010 ● Vorlage 2 http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2010/2604/ ● 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

  25. FermentationÜberleitung Zwischenfragen? Diskussionen bitte erst am Ende der Vortragsreihe.  Vielen Dank!

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