Was ist zu tun, wenn die geringe Ausbeute durch eine unzureichende Gaszufuhr während des biologischen Gärungsprozesses verursacht wird?

Einführung

Die biologische Fermentation ist ein wichtiger Prozess, bei dem Mikroorganismen industriell eingesetzt werden und der in zahlreichen Bereichen wie Medizin, Lebensmittelindustrie, Chemie und Energiewirtschaft breite Anwendung findet. Während der Fermentation ist die Gaszufuhr (insbesondere von Sauerstoff oder anderen essenziellen Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid) entscheidend für den normalen Stoffwechsel der Mikroorganismen, die Zellvermehrung und die Synthese der Zielprodukte. Eine unzureichende Gaszufuhr kann im besten Fall zu Ertragseinbußen und im schlimmsten Fall zum Absterben der Bakterien und zum Scheitern der Fermentation führen. Daher ist die Sicherstellung einer ausreichenden Gaszufuhr während der Fermentation eine der Kerntechnologien, um die Stabilität des Prozesses und eine hohe Produktausbeute zu gewährleisten.

I. Die Rolle der Gase bei der Gärung

1. Sauerstoff (O₂)

Bei der aeroben Gärung ist Sauerstoff ein unverzichtbarer Elektronenakzeptor für den mikrobiellen Stoffwechsel. Eine unzureichende Sauerstoffversorgung führt zu Folgendem:

• Mikroorganismen treten in den anaeroben Stoffwechselweg ein, und die Bildung von Nebenprodukten wie Säuren und Gasen nimmt zu;
• Eine unzureichende Energieversorgung führt zu einer Verringerung der Zellwachstumsrate;
• Der Produktsyntheseweg ist gestört, was zu einer verminderten oder gar unmöglichen Synthese des Zielprodukts führt.

2. Kohlendioxid (CO₂)

Bei der Fermentation einiger photosynthetischer Bakterien oder autotropher Mikroorganismen dient Kohlendioxid als eine ihrer Kohlenstoffquellen. Ein Mangel an CO₂ schränkt ihre Kohlenstofffixierungskapazität ein und beeinträchtigt ihr Wachstum.

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3. Wasserstoff (H₂) und andere Spezialgase

Einige anaerobe oder spezielle Stoffwechselorganismen, wie beispielsweise Methanogene, benötigen Wasserstoff oder andere reduzierende Gase für ihren Stoffwechsel. Eine instabile Gasversorgung beeinträchtigt direkt die Gasproduktionsrate und die Umwandlungseffizienz.

II. Analyse der Ursachen unzureichender Gasversorgung

1. Der Stofftransport ist begrenzt

Gas strömt aus der Gasphase in die Flüssigphase und dann aus der Flüssigphase in das Innere der Zelle, wobei der Stofftransportwiderstand mehrerer Schichten beeinflusst wird:

• Geringe Löslichkeit: Beispielsweise ist die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser von Natur aus gering;
• Unzureichendes Rühren: Während der Konstruktion des GärtankDie unzweckmäßige Konstruktion der Rührflügel führt dazu, dass die Blasen nicht vollständig zerstäubt werden können, wodurch die Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche verringert wird.
• Hohe Viskosität: Manche Fermentationsflüssigkeiten weisen eine hohe Viskosität auf, die der Gasdiffusion nicht förderlich ist;
• Übermäßiger Schaum: Übermäßiger Schaum beeinträchtigt die Kontaktfläche, an der Gas in die Flüssigkeit eintritt.

2. Das Belüftungssystem ist schlecht konstruiert.

• Die Konstruktion der Entlüftungsöffnung ist unzweckmäßig;
• Unzureichende Luftpumpe oder unzureichende Druckluftmenge;
• Der Gasverteiler ist verstopft oder alt;
• Es liegt ein Luftleck oder ein instabiler Druck in der Rohrleitung vor.

3. Unangemessene Kontrollstrategie

Die Beatmungsrate wurde nicht in Echtzeit angepasst;

Der Fermentationskontrollsystem ist nicht mit der Sonde für gelösten Sauerstoff verbunden.

Der Anstieg des Sauerstoffbedarfs in der mittleren und späten Phase der Gärung wird vernachlässigt.

III. Der Einfluss unzureichender Gaszufuhr auf die Fermentationsausbeute

Wenn die Gasversorgung den Stoffwechselbedarf der Mikroorganismen nicht deckt, hat dies folgende Konsequenzen:

• Das Zielprodukt nimmt ab: Am Beispiel der Aminosäurefermentation lässt sich zeigen, dass Sauerstoffmangel die Syntheserate begrenzt und einen raschen Rückgang der Ausbeute verursacht.
• Erhöhte Nebenprodukte: Es entstehen Stoffwechselnebenprodukte wie Milchsäure und Ethanol, was die Reinheit beeinträchtigt.
• Bakterientod oder Stagnation: In schweren Fällen werden die Mikroorganismen inaktiv und die Gärung wird unterbrochen.
• Verlängerter Fermentationszyklus: Dies führt zu einer Verringerung des Ertrags pro Zeiteinheit und zu einem Anstieg der Produktionskosten.

IV. Reaktionsstrategien und Optimierungspläne

1. Verbesserung der Effizienz der Gasauflösung

• Erhöhung der Rührgeschwindigkeit: Verbesserung der Flüssigkeitszirkulation, Beschleunigung des Blasenzerfalls und Steigerung der Gas-Flüssigkeits-Kontakteffizienz;
• Verwenden Sie mikroporöse Belüftungsköpfe oder Wirbelbelüfter: Verbessern Sie die Blasenverfeinerung und vergrößern Sie die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche;
• Zugabe von Tensiden, wie z. B. Polyethylenglykol (PEG), etc., um die Gasdiffusion zu verbessern;
• Erhöhung des Tankdrucks im Gärtank (Druckgärung): Durch die Druckbeaufschlagung kann die Löslichkeit von Gas in der flüssigen Phase verbessert werden, jedoch ist eine Sicherheitsbewertung erforderlich;
• Die Verwendung von reinem Sauerstoff anstelle von Luft: Dadurch kann der Sauerstoffgehalt bei der aeroben Gärung deutlich erhöht werden, allerdings sind die Kosten relativ hoch.

2. Optimieren Sie die Auslegung des Lüftungssystems.

• Die Rohrleitungen und das Gasverteilungssystem müssen regelmäßig überprüft werden, um Verstopfungen und Gaslecks zu vermeiden.
• Die Mehrpunktbelüftung verbessert die Gleichmäßigkeit der Gasverteilung;
• Das automatische Belüftungssteuerungssystem (z. B. in Verbindung mit einer Sonde zur Messung des gelösten Sauerstoffs) regelt die Gasdurchflussrate.
• Um zu verhindern, dass vorübergehende Störungen den Gärungsprozess beeinträchtigen, sollte eine alternative Gasversorgung eingerichtet werden.

3. Optimierung der Fermentationsprozessparameter

• Passen Sie die Belüftungs- und Rührgeschwindigkeit schrittweise an: Der Sauerstoffbedarf variiert in den verschiedenen Fermentationsstadien und sollte dynamisch angepasst werden.
• Flüssigkeitsstand senken: Senken Sie den Flüssigkeitsstand der Fermentationsflüssigkeit entsprechend ab und vergrößern Sie den Gasphasenraum, was die Sauerstoffaufnahme begünstigt.
• Anpassung der Fütterungsstrategie: Reduzierung der Fütterungsrate von schnell verstoffwechselnden Substraten, um einen übermäßigen Sauerstoffverbrauch in kurzer Zeit zu vermeiden;
• Modellierung und Vorhersage mittels Bioreaktoren: Simulation und Optimierung wurden auf Basis der mikrobiellen Sauerstoffverbrauchsrate (OUR) und der Sauerstoffzufuhrrate (OTR) durchgeführt.

4. Modifizierung durch mikrobielles Stamm-Engineering

• Stämme auswählen oder konstruieren, die toleranter gegenüber Hypoxie sind;
• Modifizieren Sie den Stoffwechselweg, um den Bakterien zu ermöglichen, auch unter hypoxischen Bedingungen hohe Erträge zu erzielen;
• Expression heterologer, hocheffizienter Elektronentransportproteine ​​zur Steigerung der Stoffwechseleffizienz.

V. Fallanalyse: Optimierung der Sauerstoffversorgung bei der Glutaminsäuregärung

Während der Glutaminsäureproduktion hat Corynebacterium glutamicum einen extrem hohen Sauerstoffbedarf. Die Produktion eines bestimmten Werks sank in der mittleren und späten Phase der Fermentation deutlich. Eine Überprüfung ergab, dass der Gehalt an gelöstem Sauerstoff konstant unter 10 % lag. Nach Ergreifung der folgenden Maßnahmen konnte die Produktion um 15 % gesteigert werden:

• Die Rührgeschwindigkeit von 350 U/min auf 600 U/min erhöhen;
• Durch Hinzufügen mikroporöser Belüftungsplatten wird die Effizienz der Blasendispersion verbessert;
• Zur Verbesserung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche sollte in der mittleren Phase eine geringe Konzentration Polyoxyethylenether hinzugefügt werden.
• Das Ventilationsvolumen wird in Echtzeit über das PID-Regelsystem angepasst.

VI. Zusammenfassung

Unzureichende Gasversorgung ist ein häufiges und weitreichendes Problem bei der biologischen Fermentation. Durch die systematische Analyse der Ursachen und die Anwendung gezielter Optimierungsstrategien lässt sich die Stoffwechselumgebung der Mikroorganismen effektiv verbessern und somit die Fermentationseffizienz und die Produktausbeute steigern.

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Mit der Weiterentwicklung der Biotechnologie werden zukünftig intelligentere Sensoren, Prozessmodellierung und KI-optimierte Steuerungssysteme für eine präzise Gasversorgung unerlässlich sein. Darüber hinaus werden neue Fermentationsanlagen, Blasenmembranreaktoren, Sauerstoffträgermedien etc. die Sauerstoffversorgungseffizienz voraussichtlich weiter steigern und so neue Impulse für intelligentere und ertragreichere industrielle Fermentationsprozesse liefern.

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