Synopse 1203

Kontinuierliche Verhefung von Molke in einem Airlift-Schlaufenreaktor

Peter Weiland, Thomas Jostmann und Ulfert Onken*

Bei der Herstellung von Kase fallen je nach Kasetyp und Herstel- lungsweg pro kg Produkt 4 bis 12 kg Molke an, die neben Wasser im wesentlichen 3,s bis 5,O % Lactose,0,6 bis 1,0% Proteine und 0,5 bis 0,8% Mineralsalze enthalt. Die Verwertung der anfallenden Molke- mengen bereitet aufgrund der expansiven Kaseproduktion zuneh- mend Schwierigkeiten, da Frischmolke und Molkepulver trotz des hohen Nahrwertes wegen ihrer Zusammensetzung nur beschrankt fur Nahrungs- und Futterzwecke eingesetzt werden konnen, und da ferner fur die aus der Molke isolierbaren Stoffe (z.B. Lactose) ebenfalls nur ein begrenzter Bedarf vorhanden ist. Weil Molke aufgrund der komplexen Zusammensetzung ein sehr gutes Substrat fur Lactose metabolisierende Organismen darstellt, bestehen gunsti- ge Voraussetzungen fur eine mikrobielle Verwertung. Erwahnt seien hier insbesondere die aerobe Verhefung zu Biomasse (weitere Anwendungen s. [I]) und die Moglichkeit der anaeroben Vergiirung zu Biogas oder Ethanol.

Luf t

Abb.

Fur die kontinuierliche Verhefung zu Biomasse wurden bisher vorwiegend Ruhrfermenter eingesetzt [2], die jedoch aus okonomi- schen und technischen Grunden fur die Kultivierung von Einzellern weniger geeignet sind. Gunstige Bedingungen fur die direkte Molkeverhefung sind vor allem von Airlift-Schlaufenreaktoren zu erwarten, da dieser Reaktortyp aufgrund der geordneten Stromungs- fiihrung zu einer gleichmaRigen Verteilung der in der Molke enthaltenen Feststoffe fuhrt, hinsichtlich der Fluiddynamik unemp- findlich auf schwankende Rohstoffzusammensetzung reagiert und relativ wenig zur Schaumbildung neigt [3]. Zusatzlich kommt die Eigenschaft von Schlaufenreaktoren, auch bei sehr unterschiedlichen Betriebsgroijen ahnliche reaktionstechnische Bedingungen zu lie- fern, der Forderung nach einer direkten Verarbeitung der Molke am Ort des Produktanfalls entgegen. Ziel der Arbeit war es, die Eignung des Airlift-Schlaufenreaktors zur Molkeverhefung am Beispiel eines geeigneten Hefestammes zu untersuchen und Daten uber das Betriebsverhalten zu ermitteln. Hierzu wurden mit der Hefe Candida blankii unter sterilen Bedingungen Untersuchungen an einem kontinuierlich betriebenen 4,5-l-Airlift-Schlaufenreaktor (Naheres s. [4]) durchgefuhrt. Fur das Durchmesserverhaltnis von Leitrohr zu Reaktor wurde ein Wert von 0,s gewahlt , der sich hinsichtlich Stoffaustausch und Vermischung als optimal herausgestellt hat IS]. Als Begaser wurde eine Sinterplatte (mittlere Porenweite 40 bis 90 pm) benutzt. Die Fernientationsversu-

Srhaum

1 Air l i f t reaktor 2 Vor loge INiihrmedium)

che wurden sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich mit SiiRmolke unterschiedlicher Verdunnung (Lactose-Gehalt 0,6 bis 4,5 Gew.- YO) durchgefuhrt. Zum Vergleich erfolgten Versuche mit einem

1 . Schematische Darstellung der Versuchsanlage.

- synthetischen Medium. In Abb. 1 ist die Versuchsanlage schematisch dargestellt. I

Zum Auffinden eines geeigneten Hefestammes wurden zu Beginn der Untersuchungen die Hefen C. blankii (CSB 1898), C. humicola (DSM 70 067) und s. fragilis (DSM 70 292) im Hinblick auf die erzielbare Generationszeit und Ausbeute an Biomasse vergleichenden Wachs- tumsversuchen bei 30 und 35 "C in Schuttelkulturen unterzogen. Als Substrat wurden reine Molke, Molke unter Zusatz von Nahrsalzen

* Dr.-Ing. P. Weilnnd (jetzt : Institut fur Technologie der Bundesfor- schungsanstalt fur Landwirtschaft, Bundesallee 50, 3300 Braun- schweig), ~ i ~ l , - ~ ~ ~ , n, jostmann und prof. D ~ , u. onken, Lehrstuhl Technische Chemie B der Abteilung Chemietechnik, Univ. Dortmund, Postfach 5005 00,4600 Dortmund 50.

244 Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) Nr. 3, S. 244-245 0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1984 0009-286X/84/0303-0244$02.50/0

Tabelle 1. EinfluB der Lactose-Konzentration auf das Wachstum von C. blankii auf Molke.

DXln,, hl

Kis [g TS/g Lactose] x [s/ll

yo, [g TS/g 0 2 1

Tabelle 2. EinfluB der Lactose-Konzentration auf die biologischen ProzeBpara- meter bei maximaler Produktivitat.

1,50 1,84 1,20 3,42 4,47 3,51 0,70 0,51 0 , s 3,17 134 0,70

~

Lactose-Konzentration PL,,, K , s [Gew.-%] [h-'1 [g TS/g Lactose]

0,6 0,39 0,61 1 ,j 0,19 0,62 4,5 0,14 0,49

und Hefeextrakt sowie verschiedene synthetische Medien eingesetzt. C. blankii zeigt auf SuBmolke bei einer im Vergleich zu den ubrigen Hefen um mehr als den Faktor 2 verkurzten Generationszeit und einer wesentlich hoheren Ausbeute an Biomasse keinen Bedarf an weiteren NBhr- und Wuchsstoffen sowie gute Temperatur- und pH- Toleranz. Bis auf die fur Ernahrungszwecke noch ungeklarte Frage der toxikologischen Unbedenklichkeit weist C. blankii in diesem Vergleich die besten Voraussetzungen fur die Molkeverhefung auf und wurde daher fur die Untersuchungen im Airlift-Schlaufenreaktor ausgewahlt. Im Airlift-Schlaufenreaktor bei diskontinuierlichem Betrieb durch- gefuhrte Versuche rnit Molke unterschiedlicher Anfangskonzentra-

X 0 Zelldichte s 0 Lactosekonzentr

pi

7

6

5

1

3

2

1

0 0 0.1 0.2 0.3 0.1 0.5 0.6 0.7

-1 - D [ h - l l

Abb. 2. Lactose.

tion an Lactose zeigen, daB oberhalb einer Lactose-Konzentration von 0,6 Gew.-Yo die maximale spezifische Wachstumsgeschwindig- keit p,,,,, und der Substratertragskoeffizient Kis abnehmen (s. Tab. 1) . Die bei einer Anfangskonzentration von 0,6 Gew.-% Lactose ermittelten biologischen Parameter sind dabei groRenmaBig ver- gleichbar rnit den Ergebnissen anderer Arbeiten bei Anzucht von S. fragilis und T. cutaneum im Ruhrfermenter. Die rnit der Molkekonzentration zunehmende Verschlechterung des Zellwachstums macht sich auch bei kontinuierlicher Betriebsweise bemerkbar. Die hochste Produktivitat an Biomasse wird bei einer Lactose-Konzentrationim Zulaufvon 0,6 bis 1,5 Gew.- % erzielt. Fur den Zustand maximaler Produktivitat (DX,,,) sind in Tab.2 die wichtigsten Prozeodaten dargestellt ( X Zelldichte). Bei einer Lacto- se-Konzentration von 0,6 Gew.-Yo ist der Ertrag an Biomasse hinsichtlich des Verbrauchs an Lactose und Sauerstoff am gunstig- sten. Bei dieser Zulaufkonzentration und einer Verdunnungsrate von

Kontinuierliche Fermentation auf Molke mit 0,6 Gew.-%

ProzeBgroBe Lactose-Konzentration [Gew.-YO] 1,5 4,5

0,15 h-' <D <0,35 h-' wird die Lactose praktisch vollstandig aufgezehrt, so daB nach Abtrennung der Biomasse ein ProzeBabwas- ser rnit nur geringem BSB vorliegt. Wie Abb. 2 zeigt, liegt das Produktivitatsoptimum allerdings auBerhalb des Bereichs der Substratlimitierung, so daB die vollstandi- ge Aufzehrung der Lactose nur durch einen ca. 10proz. Verlust an Produktivitat erreicht werden kann. Grundsatzlich tritt oberhalb einer Begasungsintensitat von 2 vvm keine Sauerstoff-Limitierung auf. Eine Erhohungder Lactose-Zulaufkonzentration auf 13 Gew.-% fuhrt zu einer Verbesserung der Produktivitat um mehr als 20%, gleichzeitig verschlechtern sich jedoch der Substrat- und Sauerstoff- Ertrag. Auch im Hinblick auf den nur unvollstandigen Substratab- bau ist diese Zulaufkonzentration daher weniger geeignet. Ein Vergleich der bei kontinuierlicher Anzucht von C. blankii im Schlaufenfermenter erzielten Ergebnisse (Lactose-Zulaufkonzentra- tion < 1,5 Gew.-YO) mit Daten aus Arbeiten an Riihrreaktoren unter Verwendung anderer Hefestamme zeigt, da8 im Schlaufenreaktor trotz eines wesentlich geringeren Energieeintrages hinsichtlich Produktivitat, Substratertrag und Substratumsatz annahernd die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Der Airlift-Schlaufenreaktor kann daher sowohl in biotechnologischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht zur Verhefung verdunnter Molke empfohlen werden. Der Reaktor ist im Vergleich zum Riihrfermenter weniger geeignet fur die Verhefung unverdunnter Molke und den Einsatz mycelbildender Hefen (z. B. T. cutaneum), da unter diesen Bedingungen Sauerstoff- Limitierung bzw. Wandbewuchs durch Organismen zu unerwunsch- ten Betriebsbedingungen fiihren.

Die Autoren danken Herrn Dipl.-Ing. Th. Deist und Frau B. Breidenstein fur die Durchfuhrung eines Teils der experimentellen Arbeiten und der Molkerei-Union Bad Wildungen fur deren hilfreiche Unterstutzung. Der AIF, die aus Mitteln des BMWi die Arbeit finanziell gefordert hat, sei an dieser Stelle ebenfalls gedankt . Eingegangen am 7. September 1983

[l] Teuber, M . : Proc. COST-Workshop on Production and Feeding

[2] Wasserman, A . E.; Hampson, J . W.; Alvare, N . F. : Sewage Ind.

[3] Onken, U . ; Weiland, P.: Adv. Biotechnol. Proc. 1 (1983) S.67. [4] Kzese, S.; Ebner, H. G . ; Onken, U.: Biotechnol. Let. 2 (1980)

[5] Weiland, P.: Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) S. 64.

Schliisselworte: Molkeverhefung, Airlift-Schlaufenreaktor, Einzel- ler-Protein, Cnndida blankii, Lactose.

of Single Cell Protein, Julich 1979.

Wastes 33 (1961) S. 1090.

s. 345.

Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) Nr. 3, S. 244-245 245