EKATO
Fermentation
Fermentation – der vielseitigste Bioprozess der Menschheit
Dr. Bernd Nienhaus
Senior Process Consultant
EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH
Optimieren Sie Ihren Fermentationsprozess
Maximieren Sie die Effizienz Ihres Fermentationsprozesses mit der Expertise von EKATO. Kontaktieren Sie unseren Spezialisten für maßgeschneiderte Lösungen und innovative Technologien!
Welchen Mehrwert bietet EKATO für Ihren Fermentationsprozess?
Mit über 90 Jahren Erfahrung und einer Vielzahl von Experten im Bereich Fermentation unterstützt EKATO Kunden in jeder Projektphase.
Ihre Vorteile bei der Zusammenarbeit mit EKATO:
- Steigerung der Produktivität von Biomasse möglich
- Erhöhung der Prozesssicherheit durch hohe Einheitlichkeit
- Langfristige Kosteneinsparungen durch effiziente Bioreaktor-Auslegung
- Eine auf Reinigbarkeit optimierte Serie zur Reduzierung von Kontaminationsrisiken
- Ein umfassendes Dienstleistungsportfolio, das auf jede Projektphase zugeschnitten ist
Typische Produkte, die mit einem EKATO UNIMIX hergestellt werden können
Entwicklungs- und Grundauslegungsphase
In dieser Phase entwickeln unsere Kunden den Prozess, bewerten die Machbarkeit und erstellen erste Anlagenkonzepte. Wir unterstützen unsere Kunden durch:
- Erstellung von Stoffübergangskorrelationen auf Basis von Messdaten
- Optimierung und Modellumrechnung des Stoffübergangs (OTR / kLa)
- Modellumrechnung von Rührwerken und Behältern einschließlich Wärmeaustauschern
- Konzept und Grundauslegung des Bioreaktors unter Berücksichtigung verschiedener Wärmeübergangskonzepte
- Energetische Optimierung des Bioreaktorkonzepts (Rührwerk, Kompressor)
- Durchführung von CFD-Studien, z. B. für
- Überprüfung von Zonen mit geringer Strömung in großen Fermentern
- Simulation von Strömungsgeschwindigkeiten zwischen Wärmeaustauschern
- Berechnung von Temperaturgradienten im Fermenter
Detailauslegungsphase
In dieser Phase ist die Machbarkeit in der Regel nachgewiesen, und verschiedene Disziplinen werden in der Planung detailliert. Wir unterstützen unsere Kunden durch:
- Detailauslegung des Fermenter-Rührwerks und der Behältereinbauten
- Überprüfung der mechanischen Integrität des Bioreaktors mittels Finite-Elemente-Methoden
- Bestätigung des bestehenden Wärmeübergangskonzepts
- Beratung zur Reinigbarkeit von Rührwerkskomponenten und zur Auslegung von Behältereinbauten
- Optimierung von Zugabe- und Messpunkten im Pilot- und Produktionsmaßstab
- Unterstützung bei der Einhaltung notwendiger Vorschriften und Zertifizierungen wie GMP, EG1935/2004, ASME BPE, NSF H1, Kosher, Halal usw.
Liefer- und Servicephase
In dieser Phase liegt der Fokus auf der Fertigung, Lieferung und Montage von Rührwerkskomponenten sowie der Optimierung bestehender Anlagen. Wir unterstützen unsere Kunden durch:
- Fertigung und Lieferung von Rührwerken nach den neuesten Vorschriften
- Montage und Inbetriebnahme von Fermenter-Rührwerken vor Ort beim Kunden
- Vorschriftskonforme Dokumentation von Komponenten (Good Documentation Practice)
- Kundenspezifische Qualitätskontrolle und Dokumentation vor, während und nach der Fertigung (FAT / SAT)
- Schwingungs- und Festigkeitsanalysen bestehender Reaktorsysteme zur Identifizierung von Optimierungspotenzial mittels Finite-Elemente-Methoden
Das Rührsystem für industrielle Fermenter
Das Rührsystem für industrielle Fermenter ist die Kombination aus:
EKATO PHASEJET + EKATO COMBIJET.
Diese beiden unterschiedlichen Typen von Rührorganen ergänzen sich ideal, und die Vorteile, die dieses System bieten kann, umfassen:
- Gesteigerte Produktivität und Produktausbeute
- Höherer Stoffübergang
- Hohe Prozesssicherheit durch hohe Einheitlichkeit
Der EKATO PHASEJET fungiert als primärer Dispergierer und dispergiert Gas vom Gasverteiler direkt beim Eintritt in den Bioreaktor. Dies führt zur anfänglichen Reduzierung von Gasblasen und vergrößert die Stoffübergangsoberfläche.
Die dadurch vergrößerte Stoffübergangsoberfläche kann zu einer höheren Produktivität von Mikroorganismen führen. Gesteigerte Produktivität wiederum ermöglicht kürzere Chargenzeiten oder eine höhere Produktausbeute.
Die zusätzlichen Rührstufen bestehen aus EKATO COMBIJET-Rührorganen. Dies sind axial und radial fördernde Rührwerke mit folgenden Aufgaben:
- Gas redispergieren
- Hohe Einheitlichkeit durch kurze Mischzeiten gewährleisten
Durch axiale Durchmischung werden Sauerstoff, Wärme, Nährstoffe und andere Zusatzstoffe schnell im Behälter verteilt.
Dies gewährleistet optimale Bedingungen für Mikroorganismen und steigert dadurch die Produktivität.
Stoffübergang im Bioreaktor
In Bezug auf Fermentationsprozesse spielt die Sauerstoffübertragungsrate (OTR) eine entscheidende Rolle. Die OTR kann mit folgender Formel berechnet werden:
Diese Gleichung ermöglicht die Quantifizierung des Sauerstofftransports zwischen verschiedenen Phasen oder Komponenten eines Systems.
In dieser Gleichung ist kLa die Stoffübergangsfähigkeit, c* die Sättigungskonzentration von Sauerstoff und c die gelöste Sauerstoffkonzentration in der Fermentationsbrühe. Bei der Modellumrechnung von Fermentationsprozessen besteht das übliche Ziel darin, die OTR konstant zu halten.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Sauerstoffaufnahmerate (OUR). Die OUR beschreibt, wie viel des verfügbaren Sauerstoffs von der Biomasse aufgenommen wird. Fermenter werden typischerweise so eingestellt, dass OTR = OUR.
Ein weiterer relevanter Kontrollparameter für Fermentationen ist gelöster Sauerstoff, auch als DO (Dissolved Oxygen) bezeichnet. DO wird üblicherweise auf einen festen Wert eingestellt und hilft bei der Steuerung fermentationsrelevanter Parameter.
Die Kenntnis der Stoffübergangskorrelation ist entscheidend für die Optimierung des Stofftransports in einem spezifischen System. In industriellen Fermentationsprozessen kann ein besseres Verständnis der Stoffübergangskorrelation dazu beitragen, die Produktionsausbeute zu steigern, die Produktqualität zu verbessern und den Energieverbrauch zu reduzieren.
In der Praxis wird der Stoffübergang in Fermentationsprozessen durch empirische Gleichungen beschrieben, wobei typischerweise die kLa-Korrelation verwendet wird:
Die Exponenten α, β und γ sowie die Konstante c hängen unter anderem von der Geometrie des Bioreaktors, dem gewählten Rührsystem, dem Koaleszenzverhalten und der Fermentationsbrühe ab.
P stellt die Leistung des Rührsystems dar, V das Volumen im Bioreaktor und η die Viskosität der Fermentationsbrühe.
Die Leerrohrgeschwindigkeit vsg ist definiert als Quotient aus dem Gasvolumenstrom q ̇gas (oder Belüftungsrate) dividiert durch die Querschnittsfläche A des Fermenters:
Der kLa-Wert kann durch Rührtechnik beeinflusst werden. Daher ist die Bestimmung dieser Korrelation von großer Bedeutung für die Prozessoptimierung und die Modellumrechnung von Fermentern.
Bei der Optimierung des kLa-Werts durch Rührtechnik fällt auf, dass das Rührsystem in der Regel nur eine messbare Größe beeinflusst, nämlich die Leistung P. Je höher die Leistung P des Rührsystems, desto höher der kLa-Wert und damit die OTR.
Alternativ kann eine Erhöhung des Luft-Gas-Stroms q ̇gas zu einer Erhöhung der Leerrohrgeschwindigkeit vsg führen, um den Stoffübergang zu optimieren. In der Praxis wird dies durch den Einsatz eines leistungsstärkeren Kompressors erreicht.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine Erhöhung des Luft-Gas-Stroms q ̇gas den Wirkungsgrad von Rührsystemen verringern kann.
Dies liegt daran, dass eine höhere Belüftungsrate größere Gasblasen am Rührorgan-Blatt bildet, was zu einem reduzierten Strömungswiderstand führt und somit weniger Leistung vom Rührsystem in das Medium eingebracht wird. Aufgrund der Blattgeometrie der Rushton-Turbine ist diese besonders anfällig für Leistungsverluste unter Belüftung, wie die folgende Abbildung zeigt:
Dies bedeutet, dass das Rührsystem aufgrund seiner Geometrie und der vorhandenen Gasmenge nicht immer Rührleistung in das Rührmedium einbringen kann.
Mit dem EKATO-Rührsystem ist der Leistungsabfall unter Belüftung dank der optimierten Blattgeometrie der jeweiligen Rührorgane sehr gering.
