Fermentationstechnik

 

Die AVT.BioVT verfügt über eine große Expertise auf dem Gebiet der Fermentationstechnik. Zu dem Portfolio gehören neben zahlreichen 1-2 L Laborfermentern auch vier Stahlfermenter mit Gesamtvolumen zwischen 7,5 L und 150 L, mit denen ein Scale-up bis in den Technikumsmaßstab möglich ist. Diese Fermenter ermöglichen einzigartige Fermentationsversuche.

7,5 L Fermenter zur Fermentation von Synthesegas

Die AVT.BioVT betreibt zwei vollautomatisierte Bioreaktoren mit einem Gesamtvolumen von jeweils 7,5 L, zu denen jeweils eine 50 L fassende Vorlage gehört. Die beiden Fermenter können so verschaltet werden, dass sie als kontinuierliche Fermenterkaskade betrieben werden können. Bei einem Kaskadenbetrieb wird der Auslass eines Reaktors mit dem Einlass eines zweiten Reaktors verbunden. So können überschüssiges Substrat, oder zwischenzeitlich gebildete Produkte, aus dem ersten Fermenter im zweiten Fermenter weiterverwertet werden. Dadurch können höhere Ausbeuten erreicht werden. Es ist auch möglich den ersten Reaktor zur Bildung von Zellmasse (Biokatalysator) zu verwenden und den zweiten zur Produktbildung. Das wirkt sich bei mikrobiellen Systemen, bei denen die Produktbildung einer Katabolitrepression unterliegt, besonders vorteilhaft aus. Einer der beiden Fermenter ist ATEX-zertifiziert und erlaubt daher unter anderem die anaerobe Fermentation mit Synthesegas (CO, CO₂, H₂) oder die aerobe Fermentation von CH₄. Mit dieser Anlage ist, wie in allen Stahlfermentern der AVT.BioVT, ein Überdruckbetrieb von bis zu 10 bar möglich. Durch den steigenden Sauerstofftransfer in die Kulturbrühe mit zunehmenden Reaktordruck können Fermentationen mit extrem hohem Sauerstoffbedarf, wie beispielsweise Hochzelldichtefermentationen, überhaupt erst durchgeführt werden. Die Betriebsweise (Batch, Extended Batch, Fed-Batch und kontinuierliche Fahrweise) kann je nach Bedarf flexibel ausgewählt werden. Eine Abgasanalytik für O₂, CO, CO₂, CH₄ und H₂, sowie diverse Mess- und Regelungstechnik sind ebenfalls in die Anlage integriert.

50 L Druckfermenter

Die AVT.BioVT besitzt außerdem einen Druckfermenter mit einem Gesamtvolumen von 50 L, welcher ebenfalls mit einem Überdruck von bis zu 10 bar betrieben werden kann. Der Fermenter besitzt ein dreistufiges Rührsystem, welches geometrisch nach der Standardisierungsempfehlung der DECHEMA ausgelegt ist. Der Fermenteraufbau ist mit einem umfassenden Mess- und Regelsystem ausgestattet. So sind Messung und Regelung von Temperatur, pH-Wert, Rührerdrehzahl, Gelöstsauerstoff, Reaktordruck und Leistungseintrag (Drehmoment, gemessen zwischen Gleitringdichtung und Rührer) möglich. Zudem verfügt das System über eine Abgasanalytik zur Messung der Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdrücke in der Gasphase. Eine integrierte, sich selbst über Heizpatronen regelmäßig im Betrieb kalibrierende, Reaktorkalorimetrie ermöglicht eine Überwachung der Fermentation durch Aufzeichnung der von den Mikroorganismen erzeugten Wärme¹.

150 L Druckfermenter

Im Verbund des Kompetenzzentrums NGP² Bioraffinerie steht der AVT.BioVT ein Druckfermenter im Technikumsmaßstab zur Verfügung. Dieser ist ebenfalls für den Betrieb bei bis zu 10 bar Überdruck ausgelegt und weist ein Gesamtvolumen von 150 L auf. Neben einer Abgasanalytik verfügt der Fermenter auch über die Möglichkeit einer Kalorimetrie-Messung. Zudem können über einen externen Membrankreislauf kontinuierlich Zellen zurückgehalten und Permeat abgeführt werden. Da der Reaktor ATEX-zertifiziert ist, kann z.B. auch eine in-situ Extraktion mit Lösungsmitteln im Reaktor umgesetzt werden. Im Verbund des Kompetenzzentrums NGP² Bioraffinerie bieten sich vielfältige Möglichkeiten integrierte Bioprozesse im Technikumsmaßstab mit den Mitarbeitenden der anderen AVT-Lehrstühle zu realisieren. Sowohl der Biomasseaufschluss (enzymatisch, chemisch, thermisch) sowie diverse Downstream Processing Einheiten wie Filtration, Zentrifugation, Kristallisation, Extraktion und Rektifikation stehen in der Bioraffinerie zur Verfügung.

Bei Fragen zu den genannten Themengebieten erreichen Sie uns über die angegebene Ansprechperson.

Wir bieten fortlaufend Abschlussarbeiten zu den genannten Themengebieten an. Ausschreibungen finden Sie im Angebot der Studien- und Abschlussarbeiten der AVT (Zugriff nur aus dem RWTH-Netz). Zudem können Sie uns jederzeit gerne eine Initiativbewerbung über unser Sekretariat zukommen lassen.

 

Quellen

¹ Regestein, L., Maskow, T., Tack, A., Knabben, I., Wunderlich, M., Lerchner, J. and Büchs, J. (2013), Non‐invasive online detection of microbial lysine formation in stirred tank bioreactors by using calorespirometry. Biotechnol. Bioeng., 110: 1386-1395. https://doi.org/10.1002/bit.24815