Loading…
Optimierung der biologischen Lösungsmittelproduktion mit C. acetobutylicum in einem mehrstufigen kontinuierlichen Bioreaktorsystem
Trippel, Sergej
Die kontinuierliche Fermentation von Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) in einer Rührkesselkaskade ergab einen stabilen, mehr als 1000 Stunden andauernden Fermentationsprozess mit konstanter Lösungsmittelproduktion. Die zwei Phasen des Stoffwechsels von Clostridium acetobutylicum wurden dabei in den sechs Reaktoren der Rührkesselkaskade räumlich voneinander getrennt. Durch die Regelung unterschiedlicher pH-Werte im ersten Bioreaktor (pH1) zwischen 5,6 und 4,3 und durch die Änderung der kaskadenbezogenen Verdünnungsraten von D = 0,042 h-1 auf D = 0,092 h-1 wurden Beobachtungen des Fermentationsprozesses in der Rührkesselkaskade durchgeführt und Daten für die Erstellung eines mathematischen Modells für die Beschreibung von Fermentationsprozessen in der Rührkesselkaskade generiert. In Fermentationen mit pH1 4,3 wurden höhere kaskadenbezogene Butanol- und Lösungsmittelkonzentrationen cBut bzw. cLM erreicht. Bei der Betrachtung der Rührkesselkaskade mit sechs Bioreaktoren führte eine Erhöhung der Verdünnungsrate D zur Steigerung der Butanol- und Lösungsmittelbildungsraten qBut bzw. qLM. Die Zugabe von Acetat in das Medium und die Rückführung der Fermentationsbrühe aus dem vierten in den zweiten Bioreaktor zeigten einen positiven Effekt des Acetats auf die Lösungsmittelbildung, aber keine Vorteile der Rückführung in Bezug auf die Lösungsmittelproduktivität in der Rührkesselkaskade. Die höchsten kaskadenbezogenen Konzentrationen und Bildungsraten wurden bei pH1 4,3 h-1 und D = 0,042 h-1 bei der Betrachtung der drei ersten Bioreaktoren der Rührkesselkaskade erreicht. Die maximalen Butanol- und Lösungsmittelkonzentrationen betrugen cBut 9,7 gL-1 bzw. cLM 13,6 gL-1 und die Butanol- und Lösungsmittelbildungsraten qBut 0,81 g(Lh)-1 bzw. qLM 1,14 g(Lh)-1 bei vollständigem Substratverbrauch. Die Parametrisierung des mathematischen Modells für die Simulationen von Fermentationsprozessen in der Rührkesselkaskade ermöglichte entsprechende Simulationen, die hohe Übereinstimmungen mit den experimentellen Daten aufwiesen. Die Simulationsergebnisse in Bezug auf eine positive Auswirkung der Acetatzugabe auf die Lösungsmittelbildung und eine Rückführung mit einem vernachlässigbar geringen positiven Effekt auf die Lösungsmittelbildung wurden durch die Fermentationsergebnisse bestätigt.
Continuous acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation in a stirred tank cascade resulted in a stable fermentation process lasting over 1,000 hours with constant solvent production. The two phases of the metabolism of Clostridium acetobutylicum were spatially separated in the six reactors of the stirred tank cascade. By regulating the pH in the first bioreactor (pH1) between 5.6 and 4.3 and changing the cascade-related dilution rates from D = 0.042 h−1 to D = 0.092 h−1, the fermentation process in the stirred tank cascade was observed, and the data for creating a mathematical model for describing fermentation processes in the stirred tank cascade were generated. In fermentations at pH1 4.3, higher cascade-related butanol and solvent concentrations cBut and cLM were achieved. For the stirred tank cascade of six bioreactors, an increase in the dilution rate D led to an increase in the butanol and solvent formation rates, qBut and qLM. Adding acetate to the medium and returning the fermentation broth from the fourth to the second bioreactor showed a positive effect of the acetate on solvent formation and no advantages of returning the fermentation broth in terms of solvent productivity in the stirred tank cascade. The highest cascade-related concentrations and formation rates were achieved at pH1 4.3 h−1 and D = 0.042 h−1 for the first three bioreactors of the stirred tank cascade. The maximum butanol and solvent concentrations were cBut = 9.7 g L−1 and cLM = 13.6 g L−1, and the butanol and solvent formation rates were qBut = 0.81 g (L h)−1 and qLM = 1.14 g (L h)−1 at full substrate consumption. Parameterizing the mathematical model for simulating the fermentation processes in the stirred tank cascade enabled simulations of fermentation processes with high agreement with the experimental data. The fermentation results confirmed simulation results relating to a positive effect of adding acetates on solvent formation and returning the fermentation broth with a negligible positive effect on solvent formation.
