Fermentatie¶

Samenvatting¶

Fermentatie is een biologisch proces waarbij micro-organismen, zoals bacteriën, gisten of schimmels, stoffen omzetten in andere producten. Dit gebeurt onder gecontroleerde omstandigheden in een fermentor of bioreactor. Fermentatie wordt gebruikt voor de productie van voedingsmiddelen, dranken, medicijnen, enzymen, vaccins, biobrandstoffen en vele andere producten.

Binnen Jongia worden menginstallaties toegepast in fermentatieprocessen om de inhoud van de reactor homogeen te houden, voedingsstoffen gelijkmatig te verdelen en een efficiënte overdracht van zuurstof en warmte mogelijk te maken. Het mengproces moet hierbij zorgvuldig worden ontworpen, omdat micro-organismen gevoelig kunnen zijn voor mechanische belasting.

Een goed ontworpen mengsysteem draagt bij aan een hoge opbrengst, een constante productkwaliteit en een stabiel fermentatieproces.

Theorie¶

Wat is fermentatie?¶

Fermentatie is een biologisch omzettingsproces.

Tijdens dit proces gebruiken micro-organismen voedingsstoffen om:

te groeien;
energie vrij te maken;
gewenste producten te vormen.

Afhankelijk van het proces kunnen onder andere de volgende producten ontstaan:

alcohol;
melkzuur;
enzymen;
antibiotica;
eiwitten;
organische zuren.

Micro-organismen¶

Verschillende soorten micro-organismen worden gebruikt.

Bijvoorbeeld:

bacteriën;
gisten;
schimmels;
algen.

Iedere soort stelt eigen eisen aan:

temperatuur;
pH;
zuurstof;
voedingsstoffen;
menging.

Fermentor¶

Fermentatie vindt meestal plaats in een fermentor of bioreactor.

Een fermentor bestaat vaak uit:

een tank;
een menginstallatie;
baffles;
sparger(s) voor lucht of zuurstof;
temperatuurregeling;
sensoren;
regelsystemen.

Alle procescondities worden continu bewaakt en geregeld.

Waarom mengen tijdens fermentatie?¶

Mengen is essentieel om:

voedingsstoffen gelijkmatig te verdelen;
temperatuurverschillen te voorkomen;
zuurstof efficiënt op te lossen;
bezinking van cellen te voorkomen;
een homogeen proces te creëren.

Zonder voldoende menging ontstaan lokale verschillen die de groei van micro-organismen kunnen verstoren.

Belang van zuurstof¶

Veel fermentatieprocessen zijn aeroob.

Dit betekent dat de micro-organismen zuurstof nodig hebben.

Lucht of zuivere zuurstof wordt via een sparger in kleine bellen ingebracht.

De menginstallatie verdeelt deze bellen door de tank, waardoor zuurstof kan oplossen in de vloeistof.

De efficiëntie van deze zuurstofoverdracht is een belangrijke ontwerpparameter.

Shear¶

Tijdens het mengen ontstaan afschuifkrachten (shear).

Niet alle micro-organismen verdragen hoge shear.

Bijvoorbeeld:

dierlijke cellen zijn zeer gevoelig;
sommige schimmels beschadigen gemakkelijk;
veel bacteriën zijn robuuster.

Daarom wordt de impeller zorgvuldig gekozen om voldoende menging te realiseren zonder de organismen te beschadigen.

Warmteoverdracht¶

Tijdens fermentatie komt warmte vrij.

Om de gewenste procestemperatuur te behouden moet deze warmte worden afgevoerd.

Een goede menging zorgt ervoor dat:

warmte gelijkmatig wordt verdeeld;
lokale oververhitting wordt voorkomen;
de warmtewisselaar efficiënt kan werken.

pH-regeling¶

De zuurgraad van het product verandert vaak tijdens fermentatie.

Daarom wordt de pH continu gemeten.

Indien nodig worden automatisch:

zuur;
base;

toegevoegd.

Door de menging worden deze toevoegingen snel door de volledige reactor verspreid.

Steriliteit¶

Veel fermentatieprocessen vereisen steriele omstandigheden.

Daarom zijn fermentoren vaak voorzien van:

CIP (Cleaning In Place);
SIP (Sterilization In Place);
steriele afdichtingen;
hygiënische oppervlakken;
elektropolijste onderdelen.

Hiermee wordt besmetting door ongewenste micro-organismen voorkomen.

Geschikte impellers¶

Voor fermentatie worden vaak impellers gebruikt die een goede menging combineren met een beperkte shear.

Veel voorkomende typen zijn:

Hydrofoil;
Pitched Blade;
Propeller;
Rushton Turbine.

De keuze hangt af van:

het type micro-organisme;
de benodigde zuurstofoverdracht;
de viscositeit van het medium;
de gewenste mengintensiteit.

Procesparameters¶

Tijdens fermentatie worden verschillende procesvariabelen continu bewaakt.

Belangrijke parameters zijn:

temperatuur;
pH;
opgeloste zuurstof (DO);
toerental;
luchthoeveelheid;
druk;
schuimvorming.

Samen bepalen deze parameters de prestaties van het fermentatieproces.

Praktijk bij Jongia¶

Binnen Jongia worden menginstallaties ontwikkeld voor fermentatieprocessen in onder andere de voedingsmiddelen-, farmaceutische en biotechnologische industrie. Hierbij staat een balans centraal tussen voldoende menging en het beschermen van gevoelige micro-organismen.

Tijdens de engineering wordt gekeken naar factoren zoals de zuurstofbehoefte, viscositeit van het medium, warmteontwikkeling en de gevoeligheid van de cellen voor shear. Ook worden de positie van de impellers, de plaatsing van baffles en de locatie van de sparger zorgvuldig bepaald om een optimale circulatie en gasverdeling te realiseren.

Voor hygiënische toepassingen worden installaties ontworpen volgens strenge eisen op het gebied van reinigbaarheid, materiaalkeuze en sterilisatie, zodat het risico op contaminatie tot een minimum wordt beperkt.

Veelgemaakte fouten¶

Fermentatie verwarren met eenvoudig mengen. Mengen ondersteunt het proces, maar de omzetting wordt uitgevoerd door levende micro-organismen.
Denken dat meer toerental altijd beter is. Een te hoge shear kan gevoelige cellen beschadigen en de opbrengst verlagen.
Alle aandacht richten op zuurstof. Ook temperatuur, pH, voedingsstoffen en schuimvorming zijn essentieel voor een succesvol fermentatieproces.
Steriliteit onderschatten. Een kleine besmetting kan een volledige batch onbruikbaar maken.
Eén impeller voor alle fermentatieprocessen kiezen. De optimale impeller hangt af van het type organisme, de viscositeit, de benodigde zuurstofoverdracht en de gewenste shear.