Fermentation mit Niederdruck-Kompressoren: Aerobe Prozesse und zentralisiertes vs. dezentralisiertes Luftversorgungssystem

Druckluft spielt eine zentrale Rolle in Fermentationsprozessen. Sie unterstützt nicht nur das Wachstum von Mikroorganismen, sondern trägt auch zur Prozesssicherheit, Effizienz und Produktqualität bei. Die Fermentation ist ein biologischer Prozess, bei dem Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Pilze organische Stoffe in wertvolle Produkte umwandeln. Sie ist bedeutend in der Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie und Umwelttechnik. Während klassische Fermentationsprozesse unter atmosphärischem Druck stattfinden, bietet die Fermentation mit Niederdruck, besonders bei aeroben Anwendungen, neue Möglichkeiten zur Prozessoptimierung, Energieeinsparung und Produktqualität. 

Wofür wird Druckluft in Fermentationsprozessen verwendet?

Belüftung: Druckluft versorgt Gärtanks mit Sauerstoff für aerobe Mikroorganismen. Dies ist notwendig für Prozesse wie Brauen oder Biokraftstoffherstellung. Ölfreie Luft verbessert die Qualität und den Ertrag.

Druckregelung: Druckluftsysteme halten stabile Bedingungen im Tank aufrecht. Ölfreie Kompressoren verhindern Kontamination und sichern die Produktreinheit.

Pneumatische Steuerung: Ventile und Pumpen werden über die Druckluft gesteuert. Saubere Druckluft sorgt für zuverlässigen Betrieb und effiziente Prozesse.

Reinigung und Sterilisation: Druckluft unterstützt die hygienische Reinigung von Anlagenkomponenten. Ölfreie Luft schützt vor Verunreinigungen und Chargenverlusten.

Was ist aerobe Fermentation und warum ist sie wichtig?

Bei der aeroben Fermentation benötigen die Mikroorganismen Sauerstoff, um Energie zu gewinnen. Der Prozess ist besonders effizient, da die Atmungskette mehr Energie liefert als bei der anaeroben Gärung. Das macht aerobe Fermentation ideal für folgende Herstellungen:

• Enzyme (z. B. Amylase für die Lebensmittelindustrie)
• Biomasse (z. B. Hefeextrakt)
• Organische Säure (z. B. Citronensäure)
• Aromastoffe (z. B. bei fermentierten Getränken)

Ein Beispiel ist die Hefefermentation mit Saccharomyces cerevisiae bei der unter Sauerstoffzufuhr, je nach Prozessführung, Zellwachstum und Stoffwechselprodukte entstehen.

Vorteile von aerober Fermentation:

• Hohe Produktivität: Mikroorganismen wachsen schneller und produzieren mehr
• Vielfältige Produkte: Von Enzymen bis zu Aromastoffen
• Kontrollierbare Prozesse: Gezielte Steuerung der Sauerstoffzufuhr
• Weniger Nebenprodukte: Es entstehen weniger unerwünschte Stoffe im Vergleich zur anaeroben Gärung 

Wie beeinflusst Niederdruck den Fermentationsprozess? 

Niederdruck bezeichnet einen leicht erhöhten Betriebsdruck von etwa 1 bis 4 bar über dem Umgebungsdruck. Also einen absoluten Druckbereich von ca. 2,013 bis 5,013 bar. Dieser moderate Überdruck hat positive Effekte auf den aeroben Fermentationsprozess:

• Verbesserte Sauerstoffaufnahme: Durch den erhöhten Gesamtdruck steigt der Partialdruck des Sauerstoffs, was die Diffusion von O₂ in das Fermentationsmedium erleichtert. Dies ist besonders vorteilhaft für Mikroorganismen mit hohem Sauerstoffbedarf.
• Effizientere Temperaturregelung: Der kontrollierte Druckaufbau unterstützt eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Reaktor. In Kombination mit Verdunstungskühlung kann dies helfen, temperatursensitive Enzyme zu schützen.
• Reduzierter mechanischer Stress: Die Luftzufuhr erfolgt bei höherem Druck mit geringerem Volumenstrom, was die Blasenbildung und Turbulenz im Medium reduziert. Das führt dazu, dass empfindliche Mikroorganismen geschont und die Prozessstabilität verbessert werden.
• Geringerer Energieeinsatz bei Luftzufuhr: Da die Luft bereits durch Kompressoren auf den gewünschten Druck gebracht wird, kann sie zielgerichteter und mit weniger Widerstand in das System eingebracht werden, besonders bei Verwendung ölfreier Gebläse und Kompressoren.

Diese Bedingungen sind ideal bei empfindlichen Mikroorganismen, bei langlaufenden Prozessen oder in sterilen Produktionsumgebungen wie der Pharma- oder Lebensmittelindustrie. Ein kontrollierter Niederdruckbetrieb kann die Produktqualität steigern, die Ausbeute erhöhen und gleichzeitig die Prozesssicherheit verbessern.

Wie kommt Sauerstoff in den Fermenter?

Aerobe Mikroorganismen benötigen Sauerstoff, weshalb aktiv Luft in den Fermenter eingebracht werden muss. Das geschieht über Gebläse oder Kompressoren, die die Luft in das Medium drücken. Die verwendete Luft ist zwingend ölfrei bereitzustellen, um eine Kontamination zu vermeiden. Außerdem muss die Luftmenge entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Mikroorganismus und der Rezeptur exakt dosiert werden.

Traditionelles vs. Dezentralisiertes Luftversorgungssystem

Je nach Produktionsumgebung und Prozessanforderungen gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten, wie die Luftzufuhr organisiert werden kann: Das traditionelle (zentralisierte) Setup und das dezentralisierte Setup.

Bei dem zentralisierten Setup wird die Luftversorgung über eine zentrale Kompressoranlage geregelt. Ein leistungsstarker Kompressor erzeugt Druckluft, die über ein Verteilnetz zu mehreren Fermentern geleitet wird. Dieses Konzept kommt vor allem in großtechnischen Anlagen zum Einsatz, in denen viele Fermenter gleichzeitig betrieben werden und ähnliche Prozessbedingungen vorliegen. Es muss ein großer, leistungsstarker Kompressor angeschafft werden. Um Produktionsausfälle zu vermeiden, ist zusätzlich die Investition in einen zweiten, ebenso leistungsstarken Kompressor als Redundanz erforderlich, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Das dezentrale Setup hingegen setzt auf individuelle Luftversorgung pro Fermenter. Jeder Reaktor wird von mehreren kleinen ölfrei verdichtenden Kompressoren oder Gebläsen versorgt. Ein solches System wir häufig in Fertigungsbereichen eingesetzt, in denen variable Rezepturen, unterschiedlichen Mikroorganismen oder wechselnde Prozessparameter vorliegen. Die gezielte Steuerung ermöglicht so eine optimale Anpassung an verschiedene Mikroorganismen und Rezepturen. Im Hinblick auf die Redundanz reicht ein kleiner Ersatzkompressor aus, um einen Ausfall abzufangen.

Die Wahl zwischen einem zentralisierten und dezentralisierten Luftversorgungssystem ist abhängig von der Größe der Produktion, der Vielfalt der Produkte und den Qualitätsanforderungen.

*Durch den Atlas Copco Optimizer können Sie den Wartungsplan für alle Maschinen effizient gestalten, sodass die Auslastung der Kompressoren ausgeglichen ist und Wartungsintervalle optimal aufeinander abgestimmt sind.

Anwendungsbeispiel

Enzymproduktion: Bacillus subtilis

Ziel: Herstellung von Enzymen für Waschmittel oder Lebensmittel

Vorteil: Durch optimierten Sauerstofftransfer höhere Ausbeute

Setup: Zentraler Kompressor für parallele Fermenter mit ähnlichen Anforderungen.

Getränkeindustrie: Hefefermentation

Ziel: Herstellung von alkoholfreien oder aromatisch differenzierten Getränken

Vorteil: Es entstehen feinere Aromaprofile unter Niederdruck

Setup: Dezentralisierte Gebläse für individuelle Steuerung je nach Rezeptur

Fazit

Die Fermentation mit Niederdruck-Kompressoren bietet für aerobe Prozesse eine effizientere Sauerstoffversorgung, schonendere Bedingungen für Mikroorganismen, eine höhere Produktqualität und Ausbeute sowie Flexibilität durch moderne Luftversorgungs-Strategien. Für moderne Produktionsumgebungen mit variablen Rezepturen und hohen Qualitätsanforderungen ist das dezentrale Luftversorgungssystem häufig die bevorzugte Lösung, vor allem in Kombination mit ölfrei verdichtenden Gebläsen und präziser Druckregelung.