DD140150A1 - Verfahren zur gewinnung von biomasse - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Gewinnung von Biomasse aus verschiedenen KohlenstoffSubstraten eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße technische Lösung wird eine Senkung des Rohstoffeinsatzes in günstigen Fällen um ca. 30%, eine Verbesserung der Qualität der Biomasse und im Falle der Erdöldestillatkonvertierung eine Verbesserung der Qualität des Dieselkraftstoffes durch eine Senkung des Stockpunktes erreicht. Die Neuheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der alternierenden allmählichen Änderung der Konzentration der Kohlenstoff- und Energiequelle in einem der Dauer der Phasen des Zellzyklus angepaßten Rhythmus bei Konstanthaltung der Durchflußgeschwindigkeit der kontinuierlichen phosphatlimitierten Kultivierung von Mikroorganismen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise bei der Erdöldestillatkonvertierung eingesetzt werden, •Es kann ebenfalls überall dort angewandt werden, wo mit einem Überschuß der Kohlenstoff- und Energiequelle gearbeitet wird

Description

Titel;

Verfahren zur Gewinnung von Biomasse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mikrobieller Biomasse,, Die erfindungsgemäße Lösung kann überall dort eingesetzt werden, wo bei der kontinuierlichen Kultivierung von Mikroorganismen eine Begrenzung des Mikroorganismenwachstums durch die Kohlenstoff- rind Energiequelle unmöglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls auf einstufige kontinuierliche Produkt Synthesen,, bei denen in der Produktbildungsphase ein Überschuß der Kohlenstoff- und Energiequelle not wendig ist, übertragen werden«

Die Erfindung ist in die IPK C 12 D einzuordnen«.

Es ist ein Verfahren zur Gewinnung von Futterhefe bekannt (DD-WP 105 825), bei welchem in zwei Stufen gearbeitet .wird» In der ersten Stufe wird eine Hefe der Art Candida guilliermondii auf Erdöldestillat mit einer Verweilzeit von ca» 5 Stunden aerob kultivierte Anschließend wird der Fermentorablauf in einen zweiter Fermentor geleitet und die Kultivierung unter den gleichen Bedingungen wie in der ersten Stufe v/eitergeführt_β Folgende Ergebnisse werden mit diesem Verfahren erzielt;·

1* Produktivität (g/kg.h): 2,6 2₆ spezifischer ED~Verbrauch: 1_?3 ' e£ £ (g/S)

3* ED-Anteil am Fermentations-- 10 medium (Ma%)

. 4* η-Paraffin im ED (Ma%): 38 5β Ver-weilzeit (li): 10

6* Rohproteingehalt der 54

Hefe ·(%) : 7* Stockpunkt des ED nach -30

der 2_β Fermentation (⁰C):

In einem weiteren bekannten Verfahren zur -Gewinnung von Biomasse (DD-WP 129 804) wird durch Phosphat- bzw* Zinkionenlimitation bei der kontinuierlichen Kultivierung von Mikroorganismen auf ' Erdöldestillat, Paraffinen bzw_e Methanol in Umlaufreaktoren mit unbegasten Kreislaufsystemen gegenüber den anderen bekannten Verfahren eine Senkung des Verbrauchs der spezifischen Nährstoffe um ca_s 40% erzielt« Der spezifische -Nährstoffbedarf liegt ;je~ doch nicht unter den in Rührkesselreaktoren erzielbaren Werten* Nachfolgend die Ergebnisse, die mit diesem Verfahren erzielt werden:

1* Produktivität (g/i^h): 3*5

2_e ED-Anteil im Fermentations·» 20

medium {%):

3_e Paraffine im ED (Ma%): 18

4o Verweilzeit (h): 4

5. <£ ^2 (g 0₂/g HTS): 2,75

Ziel der Erfindung ist die Senkung des Rohstoffeinsatzes, die Erhöhung des Rohproteingehaltes in der Biomasse und die Senkung des Stockpunktes von Dieselkraftstoff bei dessen Verwendung als Kohlenstoffquelle»

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe .zugrunde, durch eine gezielte Prozeßführung, die in den bekannten Verfahren relativ hohen Rohstoffeinsätze zu senken, die Qualität der Biomasse durch die Erhöhung des Rohproteingehaltes zu verbessern sowie die Qualität des Dieselkraftstoffs durch Erniedrigung des Stockpunktes zu erhöhen«

-.JS- SL V W ί. ti # . .

Darlegung des Wesens der Erfindung: ·

Das Ziel wird durch eine alternierende allmähliche Änderung der Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermentationsmedium in einem der Dauer der Phasen des Zellzyklus angepaßten Rhythmus (Heinritz B_e, Dissertation zur Promotion A, Leipzig 1978) bei Konstanthaltung der Durchflußgeschwindigkeit der kontinuierlichen Kultivierung unter Phosphationenlimitation oder unter Sauerstofflimitation mit sehr geringem Phosphatüberschuß erreicht* Der Fermentationsprozeß kann ebenfalls durch solche Bestandteile des Mhrmediums limitiert werden, die eine geringe Reaktion des Fermentationsprozesses auf eine alternierende Änderung der KohlenstoffSubstratdosierung gewährleisten« Durch die allmähliche Senkung der Konzentration der Kohlenstoff- und Energiequelle in der Einzelzellphase wird die Reservestoffbildung in dieser Phase vermieden«

Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt realisiert werden* Zunächst wird ein kontinuierlicher Fermentationsprozeß unter Phosphatlimitation oder unter Sauerstofflimitation mit' geringem Phosphatüberschuß realisiert, so daß sich im Fennentationsmedium ständig eine Konzentration von kleiner 50 mg Phosphor/l einstellt Danach wird der Fermentationsprozeß einer plötzlichen Änderung eines Fermentationsparameters, z^B« der Drosselung der Luftzufuhr oder der Erniedrigung des pH-Wertes, im Zeitraum von ca«. 15 min unterzogene

Dies führt zu einer partiellen Synchronisation der Funktionen der Zellen der Mikroorganismenpopulation. Dies hat eine periodiscl Änderung der Prozeßkennziffern zur Folge_β Die Periode der Änderungen liegt im Bereich von mehreren Stunden und beträgt etwa das 21/2-fache der Verweilzeit der kontinuierlichen Kultivierung«" In einer Wachstumsphase konstanter Dauer, die beispielsweise bei der Kultivierung von Candida guilliermondii auf Erdöldestillat ca« fünf Stunden dauert, steigt die Biomassekonzentration im Fermentationsmedium 'über den stationären Wert« In dieser· Wachstumsphase -wird eine vorgegebene Menge Kohlenstoffsubstrat dosierte

O^ Bei der Erdöldestillatkonvertierung richtet sich die vorgegebene Substratdosierung nach dem Paraffingehalt des Erdöldestillats,.

Jn der sich an die Wachstumsphase anschließenden Einzelzellphase, die bei der Kultivierung von Candida guilliermondii auf Erdöl-

— 4 ™

destillat bei einer konstanten Verweilzeit von 4,6 Stunden ca* sieben Stunden dauert, sinkt die aktuelle Biomassekonzentration allmählich. Die KohlenstoffSubstratdosierung wird deshalb um die Hälfte reduziert, um eine Reservestoffbildung der Mikroorganismen zu vermeiden.

Zur Konstanthaltung der Yerweilzeit in dieser Phase wird die Wasserdosierung erhöhte Anschließend wird die Kohlenstoffsubstratdosierung in einem der Dauer der Phasen des Zellzyklus angepaßten Rhythmus verändert« Die plötzliche Änderung eines Fermentationsparameters wird zur Erhaltung der partiellen Synchronisation der Punktion der Zellen der Population mehrmals wiederholt« Im Ergebnis der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt man eine Senkung des spezifischen Verbrauchs der Rohstoff- und Energiequelle von ca_e 30%, einen um ca«, 10% höheren Rohproteingehalt in der Biomasse und eine signifikante Senkung des Stockpunktes des verwendeten Dieselkraftstoffes gegenüber den bisher bekannten Verfahren»

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert:

In einem kontinuierlich arbeitenden Rührkesselreaktor werden Hefen der Art Candida guilliermondii auf Erdöldestillat (ED) als einziger Kohlenstoffquelle gezüchtete Die Fermentationsparameter sind:

Verv^eilzeit: , 4>6 h

Substratangebot: 5 h 20 Ma% ED = 190 ml/h

7 h 10 Ma% ED = 100 ml/h

n-Paraffingehalt des ED: 12 Ma% (gaschromatographisch) Wasser— und Laugendosierung:

Temperatur: pH-Wert: Masseinhalt des Permentors:

In den Permentor werden neben dem Substrat Erdöldestillat ₉ dem Y/asser und der Lauge zur pH-Regelung stündlich 300 ml Nährlösung zugeführt«

5	h	2	300	ml/h
7	h	0	400	ml/h
32	O	C
4,
4,

mm» *»*

Die Nährlösung enthält je Liter:

20 g (BH₄)₂S0₄ .1,8 g K₂SO₄

0,75g MgSO₄ ζ 7 H₂O OJg H₃PO₄ (80#)

sov/ie die Spurenelemente Eisen, Zink, Kupfer, Mangan in ausreicher den Mengen*

Durch die Anwendung des erfindungegemäßen Verfahrens stellten, siel: die in'der Tabelle angegebenen Prozeßkennziffern ein:

1» Produktivität (g/lsg.h): 2,45

2« Rohproteingehalt der 57

Hefe (%): 3ο ED-Anteil im Fermentations- 13,5 medium (lKa%):

4» Paraffin im ED (Ma%): 12

. 5. Durchflußrate (h"¹): 0,22

6_β d °2 (g 0₂/g HTS): 2,71 7* ^ x°2 (g C0₂/g HTS): 2_S12 8_{e 6}C I (g Paraffin/g HTS): 1,0

9. Ji ζ (mg P/g HTS): 9,1 10· ED nach Fermentation (⁰C): »32

In einein Vergleichsbeispiel wurde unter den gleichen Bedingungen gearbeitet, jedoch mit der bisher bekannten Methode einer gleichbleibenden Substratzufuhr von 20 Ma% ED und einer gleichbleiben« den Wasser- und Laugendosierung von 300 ml/tu Dabei wurden zum Vergleich folgende Ergebnisse erzielt:

— ΟΙ. Produktivität (g/feg.h): 2,37 2c Rohproteingehalt der Hefe 50

3. ED-Anteil im Fermentations« 20

medium (Ma%):

4* Paraffin im ED (Ma%): 12

5, Durchflußrate (h~¹): 0,22

6« / °2 (g 0₂/g HTS): 2,63

7. «£ x°2 (g.. CO₂/g HTS): 2,23

^8e d χ (g Paraffin/g HTS):. 1,07

9« ^Cx (^1ÜS ^p/s ^HTS)·· 9,1

10* ED nach Fermentation (⁰C): -20

In einem kontinuierlich arbeitenden Rührkesselreaktor wurden 15 Hefen der Art Candida guilliermondii D auf Erdöldestillat (ED) als einziger Kohlenstoffquelle gezüchtet* Die partielle Synchronisation des Organismenwachstums wurde durch ein viertelstündiges Abstellen der Luftzufuhr, das in Zeitabßtänden von etwa 40 Stunden wiederholt wurde, hergestellte 20 Die Erdöldestillatdosierung sowie die Wasser- und Laugendosierung wurden im Rhythmus, der der Dauer der Phasen des Zellzyklus angepaßt wurde, alternierend verändert,

20 Ma% ED = 240 ml/h 10 Ma% ED = 120 ml/h

400 ml/h

500 ml/h . -

Bei der Fermentation wurden folgende Parameter eingestellt:

alternierende Erdöl	5.h
destillatdosierung:	7 h
25 Wasser- und Laugen	5 h
dosierung:	7 h

. Durchflußgeschwindigkeit Temperatur pH-Wert

5 Luftmenge Masseinhalt des Fermentors Paraffinkonzentration im ED

0,26 h~¹ · 32 ⁰C 4,2 (pH-Regelung mit 3%~iger

Natronlauge) 105 1 Luft/ta»h 3,8 kg 18 Ma%

In den Permentor wurden neben dem Erdöldestillat, dem Wasser und der Lauge zur pH~Regelung stündlich 400 ml nährlösung zu geführt«. Die nährlösung enthält je Liter:

20 g (HH₄)₂SO₄ O_s75 g MgSO, x 7 H₉O

1,8 g K₂SO₄ 0,78 g H₃PO₄ (80%)

sowie die Spurenelemente Eisen, Zink, Kupfer und Mangan in ausreichenden Mengen*

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine mittlere Produktivität von 2,6 g HTS/kg«.h, ein mittlerer spezifischer Substratverbrauchskoeff.lz.ient von 0,96 g Paraffin/g HTS, ein mittlerer Sauerstoffverbrauch von 2,55 g Sauerstoff/g HTS sowie ein mittlerer spezifischer Phosphorverbrauch von 9,9 mg Phosphor/g HTS erzielte

Die Hefetrockensubstanz hatte dabei einen mittleren Eiweißgehalt von 62 Prozent»

In einem kontinuierlich arbeitenden Rührkessereaktor wurden Hefen der Art Candida guilliermondii D auf Glukose als einziger Kohlenstoff quelle gezüchtet *, Die partielle Synchronisation des Organismenwachstums wurde durch ein viertelstündiges Abstellen der Luftzufuhr, das in Abständen von ca, 40 Stunden wiederholt wurde_s hergestellt» Die .Fermentationsparamter waren:

8 -

Durchf lußge schwindigkej-t:	0,19	h	C	400 ml/h
Temperatur:	32 °	(pH-Regelung mit 15%-iger	200 ml/h
pH-Wert:	4,2	NaOH)	0 ml/h
		1 Luft/kg· h	200 ml/h
Luftmenge	100	kg
Masseinhält des Permentors:	4.25
alternierende Dosierung	6 h
der GlukoseIosung:	6 h
alternierende Wasser	6 h
dosierung:	6 h

In den Permentor wurden neben der Glukoselösung, Lauge und • Wasser stündlich 400 ml Nährlösung zugeführt« Die Nährlösung enthielt je Liter:

20 g (EH₄)₂SO₄ 0,75 g MgSO₄ x 7 H₂O 1,8 g K₂SO₄ 0,78 g H₃PO₄ (80%)

sowie die Spurenelemente Eisen, Kupfer, Zink und Mangan in ausreichenden Mengen«

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung stellte sich eine mittlere Produktivität von 2,7g HTS/kj„h, ein mittlerer Glukoseverbrauch von 2506 g Glukose/g HTS, ein mittlerer Sauerstoffverbrauch von 1,17 g Sauerstoff/g HTS sowie ein mittlerer Phosphorverbrauch von 9,78 mg Phosphor/g HTS ein«, Ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden vergleichsweise folgende Prozeßkennziffern erreicht:

Produktivität: 2,8 g HTS/kg.h

spezifischer Glukoseverbrauch: 2,62 g Glukose/g HTS spezifischer Sauerstoff- 1,28 g 0_p/g HTS verbrauch:

spezifischer Phosphor« 9,43 mg Phosphor/g HTS verbrauch:

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde, eine Verbesserung des spezifischen Kohlenstoffsubstratverbrauchs um 23 Prozent erreicht« Dabei bleiben die Produktivität, der spezifische Sauerstoffverbrauch und der spezifische Phosphorverbrauch annähernd konstant

Beispiel 4;

In einem kontinuierlich arbeitenden Rührkesselreaktor wurden Hefen der Art Candida guilliermondii D auf Glukose als einziger Kohlenstoffquelle gezüchtet» Die partielle Synchronisation der Funktionen der Zellen in der Population wird durch eine viertelstündige Reduzierung der Luftzufuhr, 'die in Abständen von ca«, vierzig Stunden wiederholt wird, hergestellt«, Die Fermentationsparameter waren:

Durchflußgeschwindigkeit; 0,18 h

15 Temperatur:	32	2	0C
pH-Wert:	4$		(pH-Regelung mit
			WaOH)
Luftmenge:	93	5	1 Luft/kg* h
Masseinhalt des Fermentors:	4,	h
20 alternierende Dosierung der	5	h	120 ml/h
Gluko selö sung:	7	h	60 ml/h
alternierende Wasser	5	h	0 ml/h
dosierung:	7	60 ml/h

In den Permentor wurden neben der Glukoselösung, Lauge und Yi/asser stündlich 680 ml Währlösung zugeführt. Die Nährlösung enthielt je Liter: ·

.11,5 S (MH₄)₂SO₄ .

0,49 g MgSO₄ χ 7 H₂O

1,2 g K₂SO₄

0,39 g H₃PO₄ (80%)

sowie die Spurenelemente Eisen, Kupfer, Zink und Mangan in ausreichenden Mengen«

- 10 -

-iw- 4, U <ül £ O «fr

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung stellte sich eine mittlere Produktivität von 2,14 g HTS/kg_eh, ein mittlerer spe~ zifischer Substratverbrauch von 1,96 g' Glukose/g HTS, ein mittlerer spezifischer Sauerstoffverbrauch von 1,3 g Sauerstoff/g HTS sowie ein mittlerer spezifischer Phosphorverbrauch von 9,54 mg Phosphor/g HTS ein«

Ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der phosphorlimitierte, kontinuierliche Fermentationsprozeß durch folgende Prozeßkennziffem gekennzeichnet: Produktivität: · 2,2 g HTS/kj_eh

spezifischer Subs trat verbrauch 2,76 g G-lukose/g HTS spezifischer Säuerstoffverbrauch 1,29 g Op/g HTS spezifischer Phosphorverbrauch 9,54 mg Phosphor/g HTS Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt somit eine Verbesserung des spezifischen Verbrauches der Kohlenstoffquelle von ca« 30 Prozent bei Konstanz der Produktivität, des spezifischen Sauerstoffverbrauchs sowie des spezifischen Phosphorverbrauchs.

Claims (3)

1. iOB 28

   Patentars.i3pri3.ch

   * Verfahren zur Gewinnung von Biomasse durch kontinuierliche Kultivierung von Mikroorganismen auf flüssigen Kohlenv.'asser-» stoffen, Kohlehydraten oder Alkoholen in .Gegenwart eines wäßrigen Nährmediunis und eines freien Saiierstoff enthaltenden Cc3.bg3 unter Phosphatlimtation oder Sauerstoffliraitation mit geringem Phosphatüberschußj dadurch gekennzeichnet, daß nach Einfjteilung einer partiellen Synchronisation der Mikroorganismen die Zuführung dor Kohlenstoff- und Energiequelle, bei Konstanthaltung der Verweilzeit, im Rhythmus der Dauer der.
2. Phasen dee Zellv/achstums periodisch verändert wird, wobei in <5.&T WacbstuTiiöphase die für die Erzielung der gewünschten Zeilkorizontration erforderlichen Menge zugeführt wird und in der l^!;inr.elp;ellphase diese Menge bis auf die Hälfte redusiort wird,

   2ο Verfahren nach Punkt 1_S dadurch gekennzeichnet, daß die partielle Synchronisation des Wachsturas der Mikroorganismen durch Erniedrigung des pH-Wertes, Reduzierung der Luftzufuhr oder Veränderung der Temperatur erreicht wird«.
3. 3« Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet₅ daß die in der Einzelr.ellpahse verringerte) Zuführung der Kohlen·-« stoff» und Energiequelle durch eine erhöhte Zuführung von Wasser zur Konstanthaltung der Durchflußrate ausgeglichen wird«