Der Unterschied zwischen Feststoff- und Flüssigfermentation und die Anforderungen an den Fermenter

Die Fermentationstechnologie zählt zu den Kerntechnologien der Bioingenieurwissenschaften und findet breite Anwendung in der Lebensmittel-, Pharma-, Landwirtschafts-, Umweltschutz- und anderen Branchen. Je nach Zustand des Mediums im Fermentationsprozess wird die Fermentationstechnologie hauptsächlich in Feststoff- und Flüssigfermentation unterteilt. Diese beiden Fermentationsverfahren unterscheiden sich signifikant in ihren Prozesseigenschaften, Anwendungsbereichen und Anlagenanforderungen. Dieser Artikel beginnt mit der Erläuterung der Unterschiede zwischen Feststoff- und Flüssigfermentation und diskutiert anschließend deren unterschiedliche Anlagenanforderungen. GärbehälterDie

Der Unterschied zwischen Feststoff- und Flüssigfermentation

1. Zustand des Mediums

Feststoffgärung: Das Medium ist fest oder halbfest und besteht üblicherweise aus natürlichen Substraten wie Getreide, Stroh, Kleie usw. mit einem geringen Wassergehalt (üblicherweise zwischen 30 % und 70 %). Mikroorganismen wachsen auf festen Oberflächen und bilden Myzelien oder Biofilme.

Flüssigfermentation: Das Medium ist flüssig und besteht üblicherweise aus Wasser, Nährstoffen und gelöstem Sauerstoff mit einem Wassergehalt von nahezu 100 %. Die Mikroorganismen sind gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt und werden durch Rühren oder Belüften vermischt.

2. Mikrobielles Wachstumsmilieu

Feststofffermentation: Mikroorganismen wachsen auf festen Oberflächen und bilden komplexe Myzelnetzwerke. Da der Transport von Sauerstoff und Nährstoffen hauptsächlich von Diffusion abhängt, besteht im Wachstumsmilieu der Mikroorganismen ein bestimmter Gradient (z. B. Sauerstoffkonzentration, pH-Wert usw.).

Flüssigfermentation: Die Mikroorganismen sind gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt, Sauerstoff und Nährstoffe werden durch Bewegung und Belüftung gleichmäßig verteilt, und die Wachstumsbedingungen sind relativ einheitlich.

3. Prozessmerkmale

Feststofffermentation:

•  Die Ausrüstung ist einfach und die Investitionskosten sind gering.
•  Geringer Energieverbrauch, geeignet für kleine oder ressourcenarme Gebiete.
•  Die Produktkonzentration ist hoch und die Nachbehandlung ist relativ einfach.
•  Allerdings ist die Effizienz des Stoff- und Wärmeaustauschs gering, und die Prozesssteuerung gestaltet sich schwierig.

Flüssigfermentation:

•  Die Ausrüstung ist komplex und die Investitionskosten sind hoch.
•  Hohe Effizienz des Stoff- und Wärmeaustauschs, geeignet für die industrielle Großproduktion.
•  Präzise Prozesssteuerung und einfache Automatisierung.
•  Allerdings ist der Energieverbrauch höher, die Produktkonzentration niedriger und die Nachbehandlung komplex.

4. Anwendungsgebiet

Feststofffermentation:

•  Traditionelle Lebensmittel: wie Sojasauce, Essig, schwarze Bohnen, fermentierter Tofu usw.
•  Landwirtschaft: wie z. B. Futtermittelfermentation, Herstellung von organischem Dünger.
•  Biokraftstoffe wie die Herstellung von Zellulose-Ethanol.

Flüssigfermentation:

•  Pharmazeutische Industrie: beispielsweise die Herstellung von Antibiotika, Impfstoffen und Enzympräparaten.
•  Nahrungsmittel: wie z. B. Bier, Joghurt, Aminosäureproduktion.
•  Biokraftstoffe: wie z. B. Ethanol- und Butanolproduktion.

MIKEBIO 300T Fermentationssystem-Projekt

Anforderungen an Fermenter für die Feststoff- und Flüssigfermentation

Aufgrund der Unterschiede zwischen Feststofffermentation und Flüssigfermentation hinsichtlich Mediumzustand, mikrobieller Wachstumsumgebung und Prozesscharakteristika werden unterschiedliche Anforderungen an die Konstruktion und Funktion von Fermentern gestellt.

1. Anforderungen an Fermenter für die Feststofffermentation

Der Feststofffermenter muss sich an die Eigenschaften des festen Mediums anpassen, um ein gleichmäßiges Wachstum der Mikroorganismen auf der festen Oberfläche zu gewährleisten und gleichzeitig das Problem des Stoff- und Wärmetransports zu lösen.

(1) Tragwerksplanung

•  Flacher Fermenter: Geeignet für die Produktion im kleinen Maßstab; das Medium wird in dünnen Schichten verteilt, um die Sauerstoffdiffusion und die Wärmeabfuhr zu erleichtern.
•  Tieffermenter: Geeignet für die Massenproduktion, üblicherweise ausgestattet mit Rührwerken oder Rotationseinheiten zur Verbesserung der Stoff- und Wärmeübertragungseffizienz.
•  Tablettfermenter: Das Kulturmedium wird in ein mehrschichtiges Tablett gegeben, um die Sauerstoffzufuhr und Temperaturkontrolle durch Luftzirkulation zu gewährleisten.

(2) Belüftung und Feuchtigkeitskontrolle

Für die Feststofffermentation ist eine ausreichende Sauerstoffzufuhr erforderlich, daher sind Fermenter häufig mit Belüftungssystemen ausgestattet, die Sauerstoff durch Zwangslüftung oder natürliche Belüftung zuführen.

Aufgrund des geringen Wassergehalts des festen Mediums muss der Fermenter über eine Feuchtigkeitsregulierung verfügen, um zu verhindern, dass das Medium zu trocken oder zu nass wird.

(3) Temperaturregelung

Bei der Feststofffermentation lässt sich die durch den mikrobiellen Stoffwechsel erzeugte Wärme nur schwer schnell abführen, wodurch leicht lokale Temperaturspitzen entstehen können. Daher müssen Fermenter mit effektiven Temperaturregelungssystemen wie Mantelkühlung, internen Kühlregistern oder Belüftungskühlung ausgestattet sein.

(4) Umrühren und vermischen

Um die Effizienz des Stoffaustauschs zu verbessern, sind einige Feststofffermenter mit Rühr- oder Rotationsvorrichtungen ausgestattet, damit das Medium gleichmäßig Sauerstoff und Mikroorganismen ausgesetzt wird.

Die Mischvorrichtung sollte so konstruiert sein, dass die Struktur des mikrobiellen Myzels nicht beschädigt wird, und wird üblicherweise mit niedriger Geschwindigkeit oder intermittierend gerührt.

(5) Sterilisation und Reinigung

Die Sterilisation von Feststofffermentern erfolgt üblicherweise mit Hochtemperaturdampf oder chemischen Desinfektionsmitteln, aber aufgrund der Komplexität des festen Mediums ist die Sterilisation schwieriger.

Bei der Reinigung ist es notwendig, feste Rückstände gründlich zu entfernen, um Verunreinigungen zu vermeiden.

2. Anforderungen an Fermenter für die Flüssigfermentation

Flüssigfermenter müssen an die Eigenschaften flüssiger Medien angepasst werden, um sicherzustellen, dass Mikroorganismen in einer einheitlichen Umgebung wachsen und gleichzeitig ein effizienter Stoff- und Wärmeaustausch erreicht wird.

(1) Tragwerksplanung

•  Rührfermenter: Die gebräuchlichste Art von Flüssigkeitsfermentern; Mischen und Stoffaustausch erfolgen durch mechanisches Rühren.
•  Airlift-Fermenter: Flüssigkeitszirkulation durch Gaseinleitung, geeignet für scherempfindliche Mikroorganismen.
•  Membranbioreaktor: kombiniert mit Membrantrennungstechnologie, geeignet für Hochdichtekultur und kontinuierliche Fermentation.

(2) Belüftung und Kontrolle des gelösten Sauerstoffs

Für die Flüssigfermentation ist eine ausreichende Sauerstoffzufuhr erforderlich, und Fermenter sind häufig mit Belüftungssystemen wie Sprudlern oder Ejektoren ausgestattet, um den Gehalt an gelöstem Sauerstoff zu erhöhen.

Sensoren und Steuerungssysteme für gelösten Sauerstoff sind die Kernkomponenten von Flüssigfermentern zur Überwachung und Regulierung der Konzentration von gelöstem Sauerstoff in Echtzeit.

(3) Temperaturregelung

Flüssigfermenter sind üblicherweise mit einem Mantel oder einer internen Spirale ausgestattet, um durch Zirkulation von Kühlwasser oder Heizmedien eine präzise Temperaturregelung zu erreichen.

Bei großtechnischen Fermentationsanlagen muss zudem auf eine gleichmäßige Wärmeverteilung geachtet werden, um lokale Überhitzung oder Überhitzung zu vermeiden.

(4) Umrühren und vermischen

Das Rührsystem ist eine Schlüsselkomponente des Flüssigfermenters und verwendet üblicherweise Turbinen-, Paddel- oder Spiralrührwerke, um eine effiziente Durchmischung und einen effizienten Stoffaustausch zu erreichen.

Die Rührgeschwindigkeit sollte entsprechend den Eigenschaften der Mikroorganismen und den Prozessanforderungen angepasst werden, um eine übermäßige Scherkraft zu vermeiden, die zu Schäden an den Mikroorganismen führen könnte.

(5) Sterilisation und Reinigung

Flüssigfermenter werden üblicherweise mit Hochtemperaturdampf sterilisiert (z. B. mit CIP-Systemen), um sicherzustellen, dass Tank und Rohrleitung steril sind.

Verwenden Sie zur Reinigung Hochdruckwasser oder Reinigungsmittel, um flüssige Rückstände und Biofilme gründlich zu entfernen.

(6) Automatische Steuerung

Flüssigfermenter sind üblicherweise mit hochentwickelten automatisierten Steuerungssystemen zur Echtzeitüberwachung und -anpassung von Temperatur, pH-Wert, gelöstem Sauerstoff, Rührgeschwindigkeit und anderen Parametern ausgestattet.

Die Möglichkeiten zur Datenerfassung und -analyse helfen dabei, Fermentationsprozesse zu optimieren und die Produktionseffizienz zu steigern.

MIKEBIO Bioreaktorsystem für Pflanzenernährung

 

Zusammenfassend

Zwischen Feststoff- und Flüssigfermentation bestehen signifikante Unterschiede hinsichtlich Medium, mikrobieller Wachstumsbedingungen, Prozesscharakteristika und Anwendungsgebieten. Daher gelten unterschiedliche Anforderungen an die Konstruktion und Funktion von Fermentern. Feststofffermenter müssen die geringe Stoff- und Wärmeübertragungseffizienz optimieren und sind üblicherweise mit Belüftungs-, Temperaturregelungs- und Rührvorrichtungen ausgestattet. Flüssigfermenter hingegen konzentrieren sich auf effizientes Mischen, Stofftransport und automatisierte Steuerung und verfügen in der Regel über Rühr-, Belüftungs- und fortschrittliche Überwachungs- und Steuerungssysteme.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Biotechnologie streben Feststoff- und Flüssigfermentation zunehmend nach höherer Effizienz, Energieeinsparung und intelligenteren Prozessen. Zukünftig wird bei der Konstruktion von Fermentern der Fokus verstärkt auf Prozessoptimierung und Ressourcennutzung liegen, was einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung der biotechnologischen Industrie leisten wird.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.

Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.