Fermentation

Fermentation - der vielfältigste Bio-Prozess der Menschheit

Bioreaktoren spielen eine entscheidende Rolle in unserer modernen Welt. Mikroorganismen stehen im Mittelpunkt der Produktion zahlreicher wichtiger globaler Güter. Diese reichen von Medikamenten über Lebensmittel bis hin zur Umwandlung von Energie.
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:

  • Erhöhte Produktivität der Biomasse möglich
  • Steigerung der Prozesssicherheit durch hohe Homogenität
  • Langfristige Kosteneinsparungen durch effiziente Auslegung des Bioreaktors
  • Eine auf Reinigbarkeit optimierte Baureihe zur Reduktion von Kontaminationsrisiken
  • Ein umfangreiches Portfolio an Dienstleistungen passend zu jeder Projektphase
EKATO bietet für jede Projektphase maßgeschneiderte Produkte und Dienstleistungen an. In der Praxis werden drei verschiedene Projektphasen unterschieden, in denen wir individuelle Unterstützung anbieten können:

Entwicklungsphase - Konzept- und Basic-Design-Phase

In dieser Phase entwickeln unsere Kunden den Prozess, überprüfen die Realisierbarkeit und erstellen erste Anlagenkonzepte. Hier unterstützen wir unsere Kunden durch:

  • Erstellung von Stoffübergangskorrelationen auf Basis von Messdaten
  • Optimierung und Scale-up des Stoffübergangs (OTR / kLa)
  • Scale-up von Rührwerk, Behälter inklusive Wärmetauscher
  • Konzept- und Basisdesign des Bioreaktors inklusive Wärmekonzept
  • Energetische Optimierung des Bioreaktorkonzepts (Rührwerk, Kompressor)
  • CFD-Studien, z.B. zur
    • Überprüfung auf strömungsarme Zonen in Großfermentern
    • Simulation von Strömungsgeschwindigkeiten zwischen Wärmetauschern
    • Berechnung der Temperaturgradienten im Fermenter

In dieser Phase ist die Machbarkeit in der Regel nachgewiesen und die verschiedenen Gewerke werden detailliert geplant. Hier unterstützen wir unsere Kunden durch:

  • Detaildesign des Fermenterrührwerks und der Behältereinbauten
  • Überprüfung der mechanischen Integrität des Bioreaktors durch Finite Elemente Methoden
  • Verifizierung des bestehenden Wärmeübergangskonzepts
  • Beratung hinsichtlich Reinigbarkeit von Rührwerkskomponenten und der Ausführung von Behältereinbauten
  • Optimierung der Zugabe- und Messpunkte im Pilot- und Produktionsmaßstab
  • Unterstützung bei Einhaltung der notwendigen Regelwerke und Zertifikate, wie GMP, EG1935/2004, ASME BPE, NSF H1, Kosher, Halal, etc.

In dieser Phase geht es um die Herstellung, Lieferung und Installation von Rührwerkskomponenten, sowie um die Optimierung bestehender Systeme. Hier unterstützen wir unsere Kunden durch:

  • Herstellung und Lieferung der Rührwerke nach aktuellsten Regelwerken
  • Installation und Inbetriebnahme der Fermenterrührwerke vor Ort beim Kunden
  • Regelkonforme Dokumentation der Komponenten (Good Documentation Practice)
  • Kundenspezifische Qualitätskontrolle und Dokumentation vor, während und nach der Herstellung (FAT / SAT)
  • Schwingungs- und Festigkeitsanalysen von bestehenden Reaktorsystemen zur Identifikation von Optimierungspotential durch Finite Elemente Methoden
Das Rührsystem für industrielle Fermenter ist die Kombination aus

EKATO PHASEJET + EKATO COMBIJET.

Diese beiden verschiedenen Rührorgantypen ergänzen sich ideal, und die Vorteile, die dieses System bieten kann, sind:

  • Steigerung der Produktivität und des Produktoutputs
  • Höherer Stoffübergang
  • Hohe Prozesssicherheit aufgrund hoher Homogenität

Der EKATO PHASEJET fungiert als Primärdispergierer und dispergiert das Gas aus dem Gasverteiler direkt nach dessen Eintritt in den Bioreaktor. Dies führt zur ersten Verkleinerung der Gasblasen, wodurch die Stoffübergangsfläche vergrößert wird.

Die dadurch erhöhte Stoffübergangsfläche kann zu einer höheren Produktivität der Mikroorganismen führen. Eine gesteigerte Produktivität wiederum ermöglicht kürzere Batchzeiten oder einen höheren Produkt-Output.

 

Die weiteren Rührorganstufen sind EKATO COMBIJET Rührorgane. Das sind axial- und radialfördernde Rührorgane, die folgende Aufgaben haben:

  • Gas redispergieren
  • Hohe Homogenität durch kurze Mischzeiten sicherstellen

Durch die axiale Durchmischung werden Sauerstoff, Wärme, Nährstoffe und andere Additive schnell im Behälter verteilt.

Das sorgt für optimale Bedingungen für die Mikroorganismen, wodurch die Produktivität gesteigert wird.

In Bezug auf Fermentationsprozesse spielt die Oxygen Transfer Rate (OTR, auf Deutsch: Sauerstoffübertragungsrate) eine entscheidende Rolle. Der OTR kann anhand der folgenden 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. Beim Hochskalieren von Fermentationsprozessen ist das Ziel in der Regel, den OTR konstant zu halten.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Oxygen Uptake Rate (OUR, auf Deutsch: Sauerstoffaufnahmerate). OUR beschreibt, wie viel des verfügbaren Sauerstoffs von der Biomasse aufgenommen wird. Fermenter werden in der Regel so eingestellt, dass OTR = OUR.

Ein weiterer relevanter Regelparameter für Fermentationen ist der gelöste Sauerstoff, auch als DO (Dissolved Oxygen) bezeichnet. Mit Hilfe des DO lassen sich Parameter, die für die Fermentation relevant sind, steuern. Der DO wird in der Regel mit einem fixen Wert eingestellt.

Die Kenntnis der Stoffübergangskorrelation ist entscheidend, um den Stofftransport in einem bestimmten System zu optimieren. In industriellen Fermentationsprozessen kann ein besseres Verständnis der Stoffübergangskorrelation dabei helfen, 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 dafür die kLa-Korrelation üblicherweise genutzt wird:

Die Exponenten α, β, und γ und die Konstante c hängen unter anderem von der Geometrie des Bioreaktors, dem gewählten Rührsystem, dem Koaleszenzverhalten und der Fermentationsbrühe ab.

P steht für den Leistungseintrag durch das Rührsystem, V für das Füllvolumen im Bioreaktor und η für die Viskosität der Fermentationsbrühe.

Die Leerrohrgeschwindigkeit vsg wird als Quotient des Gasvolumenstroms q ̇gas (oder Begasungsrate) durch die Querschnittsfläche A des Fermenters definiert:

Der kLa-Wert lässt sich durch Rührtechnik beeinflussen. Daher ist die Bestimmung dieser Korrelation von großer Bedeutung für die Prozessoptimierung und das Hochskalieren von Fermentern.

Wenn der kLa-Wert durch Rührtechnik optimiert werden soll, fällt auf, dass das Rührsystem normalerweise nur eine messbare Variable beeinflussen kann, nämlich den Leistungseintrag P. Je höher der Leistungseintrag P des Rührsystems ist, desto höher ist auch der kLa-Wert und damit der OTR.

Alternativ kann die Erhöhung des Luft-Gasstroms q ̇gas dazu führen, dass die Leerrohrgeschwindigkeit vsg erhöht wird, um den Stoffübergang zu optimieren. In der Praxis wird dies durch die Verwendung eines leistungsfähigeren Kompressors erreicht.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine Erhöhung des Luft-Gasstroms q ̇gas die Leistungsfähigkeit von Rührsystemen verringern kann.

Dies liegt daran, dass mit einer höheren Begasungsrate größere Gasblasen am Rührflügel gebildet werden, was zu einem verringerten Strömungswiderstand führt und somit dazu, dass weniger Leistung vom Rührsystem in das Medium eingebracht werden kann. Aufgrund der Blattgeometrie des Scheibenrührers ist dieser besonders anfällig für Leistungsverluste unter Begasung, wie nachfolgende Abbildung zeigt:

Das bedeutet, dass das Rührsystem aufgrund seiner Geometrie und der vorhandenen Gasmenge die Rührleistung nicht immer in das Rührmedium einbringen kann.

Beim EKATO-Rührsystem ist der Leistungsabfall unter Begasung sehr gering, was an der optimierten Blattgeometrie der jeweiligen Rührorgane liegt.

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