Fermentersysteme für Lebens- und Futtermittelzusatzsstoffe
Übersicht
Produzenten von Lebensmittel- und Futterzusätzen, wie Aminosäuren, organische Säuren und Vitamine, nutzen Fermentationsprozesse als Grundlage ihrer Produktion. Biotechnologische Prozesse in der modernen Industrie verwenden sorgfältig ausgewählte und gereinigte mikrobielle Zellkulturen, um immer vielfältigere Zusatzstoffe herzustellen und die Produktivität zu steigern.
Bei der Fermentation vermehren sich die Mikroorganismen in industriellen Bioreaktoren. Kohlenhydrate dienen dabei oftmals als Energiequelle. Die Bedingungen für das mikrobielle Wachstum werden genau kontrolliert, z. B. die Belüftung, die Umwälzgeschwindigkeit, die Temperatur, der pH-Wert und andere Parameter. Die Gärung kann wenige Stunden oder mehrere Tage dauern. Die metabolischen Endprodukte der Mikroorganismen sind die Grundlage für viele der heute verwendeten Zusatzstoffe.
Auf die Gärung folgen wichtige Schritte zur Extraktion und Aufreinigung der gewünschten Metaboliten aus der Zellmasse. Der erste Schritt ist die Klärung der Fermenterbrühe, um abgestorbene Zellen und andere Schwebstoffe aus der Fermenterflüssigkeit zu entfernen. Für die Klärung von Fermenterbrühe stehen verschiedene Verfahren wie z.B. Zentrifugation oder der Einsatz von Filtrationstechnologien unterschiedlicher Ausführung zur Verfügung. Heute suchen Hersteller von Zusatzstoffen die kostengünstigsten Klärungslösungen, die neben bestmöglicher Produktqualität und Ertrag auch die Prozesssicherheit gewährleisten und möglichst wenig Abfall verursachen.
Die Herausforderung
Ein großer Hersteller von Futtermittelzusätzen und Vitaminen benötigte eine Technologie zur Fertigung einer Vielzahl von Produkten in einem geschlossenen System. Aufgrund sich ändernder Marktbedingungen wünschte sich dieser Hersteller einen hohen Grad an Flexibilität im Betrieb, der auf den jeweilig produzierten Produkttyp abgestimmt ist. Die Fermenterbrühe lag im Durchschnitt im Bereich von 20 bis 25 % sedimentierbaren Feststoffen, was eine relativ hohe Feststofflast darstellt. Schwankende Produkteigenschaften und damit einhergehend variierende Durchsatzbedingungen erforderten eine zusätzliche Systemflexibilität.
Zur Erzielung einer sehr hohen und konstante Produktqualität war der Einsatz eines Systems mit maximaler Festsoffabscheideeffizienz bei gleichzeitig maximalem Erhalt der wertgebenden Komponenten der Fermenterbrühe erforderlich. Die ausgewählte Klärungstechnologie sollte zudem sehr hohe Volumenkonzentrierungsfaktoren (VCF) erzielen, um den Ertrag im Prozess zu maximieren. Das System der Wahl sollte automatisiert, zuverlässig, einfach zu bedienen und äußerst robust gegen Strom- und Anlagenausfälle sein.
Die Lösung
Membralox® Keramik-Crossflow-Technologie wurde für die neue, hochmoderne Produktionsanlage ausgewählt, da sie zuverlässig die höchstmögliche Filtratqualität unabhängig von den Eigenschaften der Fermenterbrühe liefert. Anders als bei der Zentrifugation, wo der Erfolg der Separation unter anderem von Zellgröße der Biomasse sowie Dichte und Viskosität der Flüssigkeit abhängt, stellen Membranen eine absolute physische Barriere für die abzutrennende Biomasse dar und garantieren damit einen sicheren Prozess mit optimalen Abtrenneigenschaften.
Zudem bot die Keramiktechnologie eine Lösung, bei der es keine Probleme mit Lagerung, Handhabung und Entsorgung von Filterhilfsstoffen gibt, die üblicherweise in installierten Anschwemmfiltersystemen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der Membralox Keramik-Crossflow Technologie ist die Nutzung der aufkonzentrierten Biomasse im Retentat zum Beispiel durch Trocknung und Nutzung als Tierfutter.
Für die Anlage wurden Membranmodule mit großem Kanaldurchmesser ausgewählt, da sich diese besonders gut für die Abtrennung von hohen Biomasse- und Feststofffrachten eignen. Dies ermöglichte den höchstmöglichen VCF und eine Retentatkonzentration von über 45 %. Um die Ausbeute weiter zu erhöhen, wurde Diafiltration eingesetzt, die zu einem zusätzlichen Anstieg des Endertrags um über 25 % führte. Über einen ersten Pilottest mit einer Testanlage wurden die optimale Membran-Porengröße und die Prozessparameter für den Scale-Up ermittelt. Während dieser ersten Phase arbeiteten die Mitarbeiter des Pall® Wissenschafts- und Laborservices mit dem Kunden zusammen, um die Prozessparameter zu optimieren und einen maximal möglichen technischen Support zu bieten. Seit der Inbetriebnahme des Membralox Anlage im Prozess wird die Pilotanlage weiterhin zum Testen neuer Bakterienstämme und neuer Fermentationsmethoden beim Kunden verwendet und ermöglicht damit eine kontinuierliche Produktentwicklung und prozessoptimierung.
Basierend auf dem erfolgreichen Pilottest bot Pall über 2.200 m2 an Ultrafiltrations-Membranfläche im HCB-Moduldesign an. Die Membralox HCB-Modulreihe nutzt den Vorteil der einzigartigen hexagonalen Form der Membranen, um eine extrem hohe Packungsdichte von bis zu 285 m2 / m3 zu erreichen und damit die Filtersystemkosten erheblich zu senken.
Drei Membralox-Systeme wurden in drei verschiedenen Phasen bestellt, um den kontinuierlich steigenden Produktkapazitätsanforderungen dieses Werks gerecht zu werden. Die Systeme wurden darauf ausgelegt, eine maximale Flexibilität, einen hohen Ertrag und eine einfache Prozesssteuerung zu bieten. Der Prozess basiert auf einem Fed-Batch-Konzept mit Batch-Diafiltration mit einem konstanten Volumen. Dieses Konzept ermöglicht einen hohen durchschnittlichen Filtratfluss, eine geringe Membranfilterfläche und eine hocheffiziente Diafiltration. Bediener können Sollwerte anpassen, wie z.B. VCF, Filtrationsgeschwindigkeit und Diafiltrationsverhältnis, um auf verschiedene Fermenterbrühequalitäten und schwankende Durchsätze zu reagieren. Einzelne Membranblöcke können unabhängig voneinander betrieben werden, im Fall von mechanischen Ausfällen kann damit die Produktion eingeschränkt weitergeführt werden. Die keramischen Filtermodule bestehen aus porösen keramischen Membranelementen, die in mit Polymerdichtungen versiegelten Edelstahlgehäusen sitzen. Zu den wichtigsten Eigenschaften zählen:
- Feedkanäle mit Durchmessern von 3, 4 und 6 mm in verschiedenen Modulkonfigurationen zum Einsatz in einer Vielzahl von Produktströmen, die eine optimale Systemkonfiguration ermöglichen. Extrem robuste Elemente aus hochreinem Aluminiumoxid mit einer Porengröße von 12 µm und 30 % Porosität, hohe chemische Kompatibilität, hohen Fluxraten und sicherer Einsatz bei kontinuierlich hohen Prozesstemperaturen.
- Verschiedene Membranporengrößen zur Mikrofiltration und Ultrafiltration
Bei der Crossflow-Filtration läuft der Produktstrom parallel zur Membranoberfläche, wobei die gereinigte Flüssigkeit die Membran als Permeat passiert. Der parallel zur Filterfläche fließende Produktstrom sorgt zusammen mit den durch die Querstromgeschwindigkeit an der Grenzschicht verursachten Turbulenzen dafür, dass Partikel und andere Stoffe weggeschwemmt werden, die sich andernfalls auf der Membranoberfläche ansammeln würden. Dadurch haben Crossflow-Filter länger eine hohe Durchlässigkeit als dies bei konventionellen Filtersystemen („Dead-End-Filtration“) der Fall ist. Die Crossflow-Filtration ist die ideale Lösung für Anwendungen mit hoher Feststoffbelastung.
Die Vorteile
Dieser Hersteller benötigte ein kostengünstiges und flexibles Filtrationssystem, das eine hohe Permeatqualität und einen zuverlässigen Systembetrieb sicherstellen kann. Mit dem Membralox-System kann der Kunde nun folgende Vorteile im Prozess nutzen:
- Flexible Prozesse durch Chargenkonfiguration der Systeme
- Hohe Produktausbeute dank einer guten Anpassung an hohe Feststoffanteile und Nutzung der Diafiltration Geringere Kosten und höhere Effizienz bei Downstream-Prozessen dank einer hohen Filtratqualität im Vergleich zu Zentrifugations- und Anschwemmtechnologien
- Geringerer Wartungsaufwand und Vermeidung von Abfall durch Verzicht auf Filterhilfsmittel
- Extrem hohe Lebensdauer durch die Bauweise der Keramikelemente
- Weniger Berührungspunkte zwischen Bediener und Produkt sowie maximale Produktsicherheit dank vollständig geschlossener Konstruktion
- Einfache, zuverlässige und sichere Prozesse dank Automatisierung
- Platzeinsparungen dank kompakter Bauweise und kleiner Stellfläche
Über Pall Corporation
Pall Corporation ist der größte und diversifizierteste Anbieter von Filtrations-, Separations- und Reinigungstechnologien weltweit. Pall bietet fortschrittliche Membranfiltrationstechnologie und für Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz entwickelte Systeme für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Dank leichter Installier- und Bedienbarkeit erfüllen unsere Systeme ein breites Spektrum an Filtrationsanforderungen. Unser Total Fluid ManagementSM-Programm bietet unseren Kunden Lösungen für alle Prozessanforderungen, von Filtrationsprodukten über Kundendienst und Systeme bis hin zu Schulungen.