DD141390A3

DD141390A3 - Verfahren zur abtrennung von mikroorganismen aus fermentorablaeufen

Info

Publication number: DD141390A3
Application number: DD18538075A
Authority: DD
Inventors: Benno Konieczny; Dieter Beck; Henning Pickert; Manfred Ringpfeil; Wolfram Goehler
Original assignee: Benno Konieczny; Dieter Beck; Henning Pickert; Manfred Ringpfeil; Wolfram Goehler
Priority date: 1975-04-11
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1980-04-30
Also published as: SU619507A1

Description

WP C 12 b/ 185 380

Titel der Erfindung '

Verfahren zur Abtrennung von Mikroorganismen aus'Fermentorabläufen _t

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Mikroorganismen aus nährsalzhaltigen Fermentorabläufen, die in einem aeroben Fermentationsprozeß auf der Basis Erdöldestillat kultiviert wurden. .......

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die Abtrennung von Mikroorganismen aus Fermentorabläufen der Erdöldestillat-Fermentation erfordert eine besondere Verfahrenstechnik, die die Vorgänge an den Grenzflächen und die Milieuspezifik zu berücksichtigen hat.

Dazu sind eine Reihe von Verfahren bekannt, wonach Mikroorganismen, die durch kontinuierliche aerobe Züchtung auf flüssigen Kohlenwasserstoffen als einziger Kohlenstoffquelle in Gegenwart eines wäßrigen Nährmediums gewonnen wurden, aus dem erhaltenen Fermentorablauf mit Hilfe von Tensiden durch Zentrifugieren abgetrennt werden. Dabei handelt es sich um anionische, kationische bzw. nichtionogene Tenside (DD~WP 59 762, DE-OS 1 417 559).

Weiterhin sind zur Verbesserung des Trenneffektes noch solche Maßnahmen bekannt, wie die Erhöhung der Temperatur oder die

Zwischenschaltung von Y/aschprozessen (DD-WP 59 762, DD-WP 74 751).

Alle diese bekannten Verfahren und Maßnahmen haben jedoch den Nachteil, daß sie einen hohen Bedarf an Tensiden sowie durch die unumgängliche Anwendung von Zentrifugalkräften einen hohen energetischen und technischen Aufwand erfordern. So führt der hohe Verbrauch an Tensiden oftmals zu unerwünschter Anreicherung im Endprodukt, Die beim Trennprozeß anfallende wäßrige Phase, die gegebenenfalls vor Einleitung in den Vorfluter einer mechanischen und/oder chemisch/biologischen Behandlung unterworfen werden muß, enthält oftmals Tenside in solchen Mengen, daß die o, g. Prozesse erschwert • oder unmöglich gemacht werden.

Der bei den bisher angewandten Trennprozessen in vielen Fällen notwendige Zusatz größerer Tcnsidmengen beeinträchtigt die Qualität der abgetrennten Kohlenwasserstoffe durch Bildung von Emulsionen, Außerdem wird durch Anwendung dieser Maßnahmen nicht immer der gewünschte Trenneffekt erzielt. Es besteht eine starke Abhängigkeit der Trennung von den Fermentationsparametern, Heben der Phasentrennung unter Benutzung von Zentrifugen bzw, Separatoren sind auch andere Verfahren bekannt, viie z, B. der Einsatz organischer Lösungsmittel bzw, Kombination zwischen diesen, die Behandlung des Fermentorablaufes mit wäßrigen lösungen von Quartärammoniumsalzen oder mit ammoniakalischer Sodalösung bei erhöhter Temperatur und anschließende Sedimentation (DD-WP 96 728, DE-OS 1 923 021, FR-P 1 509 351).

Obwohl bei diesen Verfahren die aufwendige Zentrifugation bzw_c Separation eingespart' wird, bestehen eine Reihe Nachteile. Zum Beispiel besteht die Notwendigkeit, die verbrauchten organischen Lösungsmittel wenigstens zum Teil zurückzugewinnen und ständig einen nicht unerheblichen Anteil zu' ersetzen, was neben dazu notwendigen Anlagen einen erheblichen' ökonomischen Aufwand erfordert,

Die Trennung des Fermentorablaufes durch wäßrige Lösungen von Quartärammoniumsalzen hat den Nachteil,' daß neben einer mög-

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lichen toxischen Wirkung solcher Salze der Trennerfolg wesentlich von der gleichbleibenden Qualität des Fermentationsproduktes abhängt. Außerdem ist die ihasentrennung äußerst zeitaufwendig. Gleiches gilt für die Anwendung ammoniakalischer Sodalösungen, Hierbei erfordert eine befriedigende Phasentrennung selbst bei 60 bis 100 ⁰C zwei bis drei Stunden, Der unter diesen Bedingungen entstehende Zellaufschluß führt neben beträchtlichen Produktverlusten zur Qualitätsminderung der zu gewinnenden Bipmasse, Weiterhin ist die Trennung von Emulsionen auf Y/asser und Kohlenwasserstoffen durch Filtration mittels Filterschichten

aus hydrophoben Material bekannt, wobei als spezielles Filtermaterial Polytetrafluoräthylen verwendet wird (DE-AS 1 517923). Diese Verfahren einer flüssig-flüssig-Trennung durch Heterokoaleszenz werden wiederum in ihrer Leistungsfähigkeit bzw. Y/irksamkeit im starken Maße durch Feststoffanteile und Tenside in der Emulsion eingeschränkt. Diese Methode bzw, Verfahren zur Emulsionsbrechung sind auf das System MikroorganismusZNährsalzlösungZErdöldestillatZiuft (Fermentorablauf) nicht anwendbar, da auf Grund der spezifischen Benetzungseigenschaften der Mikroorganismen und ihrer Bindungskräfte zur Ölphase die Stabilität der Emulsion gegenüber Koaleszenz von den Feststoffpartikeln selbst wesentlich bestimmt wird. Die Mikroorganismen bilden eine strukturmechanische Barriere um die Öltropfen, auf Grund dessen eine für den Eintritt der Koaleszenz notwendige Annäherung Tropfen - Poiymeroberflache auf Abstände, bei denen die Dispersionskräfte überwiegen, verhindert wird. Eine Abtrennung der störenden Feststoffpartikel vor dem Prozeß der Emulsionsbrechung ist auf Grund dieser Mechanismen im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Phasentrennung des Fermentorablaufes mit einem möglichst geringen Aufwand an Energie, technischen und chemischen Hilfsmitteln zu reali-

sieren,

Wesen.der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, spezifische Hilfsmittel für die Phasentrennung des Fermentorablaufes auszuwählen und einzusetzen.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß eine sowohl wirksame als auch einfache Abtrennung von Mikroorganismen aus nährsalzhaltigen Fermentorabläufen eines aeroben Fermentati-, onsprozesses auf der Basis Erdöldestillat durch gleichzeitige Behandlung (Kontaktierung) des Fermentorablaufes mit Teflonoberflächen und einem Äthylenoxid-Propylenoxid-Addukt mit 25 bis 30 Molekülen Äthylenoxid und 15 bis 20 Molekülen Propylenoxid erzielt wird

Gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt man den Kontakt der zu trennenden mikroorganismenhaltigen Emulsion mit dem Teflonmaterial und dem Äthylenoxid-Propylenoxid-Addukt beispielsweise in einem geeigneten Behälter unter intensivem Rühren, wobei das Teflonmaterial in Form fester Einbauten, teilweise oder vollkommen beschichteten Flächen oder in Form von Spänen, Kugeln oder ähnlichem im Behälter vorliegt bzw, durch Vermischen des Äthylenoxid-Propylenoxid-Addukt mit der zu trennenden mikroorganismenhaltigen Emulsion und anschließendem Durchleiten durch eine das Teflonmaterial enthaltende. Kontaktstrecke, Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise tritt ein sofortiger Zerfall der mikroorganismenhaltigen Emulsion in zwei scharf voneinander getrennte Phasen unterschiedlicher Dichte auf:

- eine Kohlenwasserstoffphase, die praktisch frei von Wasser und Mikroorganismen ist und einen Teil des Äthylenoxid-Propylenoxid-Adduktes.enthält und

- eine wäßrige· Phase, die die Mikroorganismen, die gelösten Nährsalze, eine Restmenge an Kohlenwasserstoffen und einen Teil des Äthylenoxid-Propylenoxid-Adduktes aufweist und in der nach kürzerer oder längerer Zeit eine weitere Auftren« iiung der Phase durch Sedimentation der Mikroorganismen, entsprechend ihrer Dichte, eintritt,

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Nach erfolgter Trennung der Phasen in entsprechend konstruierten und dimensionierten Behältern kann die leichte Kohlenwasserstoffphase einer nachgeschalteten Regenerierungsstufe zugeführt werden, während die schwere mikroorganismenhaltige Phase einer weiteren Aufkonzentrierung durch an sich bekannte Verfahren unterzogen werden kann. Die Konzentration des eingesetzten Äthylenoxid-Propylenoxid-Adduktes beträgt 0,3 bis 1,0 g/kg, bezogen auf die zu trennende mikroorganismenhaltige Emulsion.

Die Behandlungstemperatur liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen 20 und 80 ⁰C, bevorzugt zwischen 70 und 80 ⁰CJ, Gleicherweise ist es vorteilhaft, eine Erhitzung der mikroorganismenha^tigen Emulsion bis auf 120 bis I50 ⁰C in · einem Druckgefäß bei einem Druck von 2 bis 5 atü vorzunehmen und das derartig erhitzte Produkt durch ein im Druckbehälter angeordnetes, mit Teflonmaterial gefülltes Kontaktrohr zu leiten.

Die Phasentrennung erfolgt vorteilhafterweise in einem als Ruhezone ausgebildeten Teil des Druckbehälters.

Die getrennten Phasen werden beispielsweise über geeignet angeordnete Entspannungsventile abgeführt und in einem Wärmeaustauscher abgekühlt.

Der pH-Y/ert der mikroorganismenhaltigen Emulsion wird auf einen Wert zwischen 4 und 5 eingestellt. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann auf Gemische, die direkt aus dem Fermentor stammen oder auch auf Cremes, die durch eine Abtrennung eines Teiles der nährsalzhaltigen wäßrigen Phase entstanden sind, angewendet werden

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl auf Emulsionen, die Hefen enthalten, als auch auf solche Emulsionen, die andere Mikroorganismen, beispielsweise Bakterien, enthalten, anwendbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt es einen besonderen Portschritt dar, daß die Abtrennung der Mikroorganismen aus dem Fermentorablauf erreicht wird, ohne daß für die Ab-

trennung der Kohlenwasserstoffphase eine Zentrifugation bzw, Separation notwendig ist, was eine bedeutende Verbesserung der Ökonomie,des Verfahrens mit sich bringt. Es ist weiterhin ein Vorteil, daß zur Abtrennung der Kohlenwasserstoffphase oberflächenaktive Mittel nur noch in Konzentrationen von 0,3 bis 1,0 g/fcj Fermentorablauf benötigt werden, gegenüber bis 5 g/feg Fermentorablauf bei Anwendung der bekannten Verfahren,

Neben einer geringen Belastung der Mikroorganismen mit oberflächenaktiven Mitteln wirken sich diese geringen Konzentrationen auch vorteilhaft auf die Abwasserbelastung und die Ökonomie des GesamtVerfahrens aus.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß das erfindungsgemäße Verfah-

ren wenig zeitaufwendig ist, der Verfahrensweg kontinuierlieh realisiert werden kann, wobei keinerlei Regenerierung der Teflonoberfläche notwendig ist und bei einer entsprechenden Gestaltung der für den Prozeß angewendeten Behälter und Kontaktstrecken eine Trennung der mikroorganismenhaltigen Emulsion unter sterilen Bedingungen möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist es, daß nach der Trennung eine Kohlenwasserstoffphase erhalten wird, die auf Grund ihrer Reinheit keiner nachfolgenden Klarifikationsstufe bedarf. Darüber hinaus ist es möglich, durch Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise schon gealterte bzw, gelagerte mikroorganismenhaltige Emulsionen, die nach den bisher bekannten bzw, angewandten Trenntechnologien nur unvollständig oder nicht getrennt werden können, ohne Schwierigkeiten in eine leichte und eine schwere Phase zu trennen.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes. Die Beispiele 1 a und 1 b sind Vergleichsbeispiele und fallen nicht unter den Umfang der vorliegenden Erfindung,

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Beispiel 1

10 ig Fermentorablauf der Kohlenwasserstoff verhefung, bestehend aus 3,3.%. Hefetrockeninasse, 49,3 % Erdöldestillat und 47,4 % wäßriger A^Tährsalzlösung werden in einem Rührbehälter auf 80. ⁰C erwärmt. Nach Zugabe von 5 g eines Äthylenoxid-Propylenoxid-Adduktes in 10 ^iger wäßriger lösung wird das erwärmte Gemisch mit einem teflonbeschichteten Rührer vermischt. Der Zerfall der Emulsion tritt sofort ein und ist nach einer Rührzeit von V2 Minute beendet. Äfech Überführung der getrennten Emulsion in ein Sedimentationsgefäß ist nach 1 Minute die Phasentrennung beendet. Die leichte Kohlenwasserst off phase ist nach Analyse frei von Hefe und Wasser. Die schwere wäßrige Phase besteht zu 6,4 ^ aus Hefetrocken-•masse, 1,7 % aus Kohlenwasserstoffen und 91,9 % aus wäßriger Uährsalzlösung. * . .

Beispiel 1 a

Man verfährt wie nach Beispiel 1, wobei diesmal der teflonbeschichtete Rührer durch einen unbeschichteten Metallrührer ersetzt wird. Trotz einer Rührzeit von 30 Minuten tritt keine Trennung der erwärmten mikroorganismenhaltigen Emulsion in zwei Phasen ein,

Beispiel 1 b

Man verfährt wie nach Beispiel 1, wobei diesmal der mikroorganismenhaltigen Emulsion kein oberflächenaktives Mittel zugesetzt wird. Trotz einer Rührzeit von 30 Minuten tritt keine Trennung in zwei Phasen ein,

Beispiel 2

1OJg Permentorablauf der Kohlenwasserstoffverhefung, bestehend aus 3,1 % Hefetrockenmasse, 48,2 % Dieselkraftstoff und 48,7.% wäßriger, jffährsalzlösung werden auf 70 ⁰C erwärmt. Wach Zugabe von 3 g eines-Äthylenoxid-Propylenoxid-Adduktes in 10 %iger wäßriger lösung wird das erwärmte Gemisch durch ein mit Teflonspänen gefülltes Kontaktrohr geleitet. Die Kontaktzeit beträgt 25 Sekundeii. Die Kontaktierung führt zu einem

sofortigen Zerfall der Emulsion. Nach Überführung der getrennten Emulsion in ein Sedimentationsgefäß ist die Phasentrennung nach 2 Minuten beendet« Man erhält eine nach Analyse von Wasser und Hefe freie Kohlenwasserstoffphase sowie eine schwere Phase, die zu 5,9 % aus Hefetrockenmasse, 1,6 % Kohlenwasserstoffen und 92,5 % aus wäßriger Nährlösung besteht,

Beispiel 3

10 kg Fermentorablauf der Kohlenwasserstoffverhefung, bestehend aus 3,5 % Hefetrockenmasse, 51,3 % Erdöldestillat und 45,2 % wäßriger Itfährsalzlösung werden mit 4 g eines Äthylenoxid- Propylenoxid-Adduktes in 10 %iger wäßriger Lösung vermischt und in einen Druckbehälter geleitet, wobei die Emulsion bei einem Druck von 3 atü auf 120 ⁰C erhitzt und durch ein im Behälter angeordnetes, mit Teflonkugeln eines mittleren Durchmessers von 2 mm gefülltes Kontaktrohr geleitet wird. Dabei tritt ein sofortiger Zerfall der Emulsion ein. Die Phasentrennung, die in dem als Ruhezone ausgebildeten Druckbehälterteil erfolgt, ist nach 1 Minute abgeschlossen. Die Phasen werden einzeln abgeführt und in einem Wärmeaustauscher abgekühlt.

Man erhält eine nach Analyse von Wasser und Hefe freie Kohlenwasserstoffphase sowie eine schwere Phase, die zu 7,1 % aus Hefetrockenmasse, 1,1 % aus Kohlenwasserstoffen und 91,8 % aus wäßriger Mährsalzlösung besteht,

Beispiel 4

10 kg Permentationsprodukt .(pH 7,2) der bakteriellen Erdöldestillatutilisation, bestehend aus 3,4 % Bakterientrockenmasse, 30,5 % Erdöldestillat und 66,1 % wäßriger Mahrsalzlösung werden mit 1 η Schwefelsäure auf den pH-Wert von 4,0 eingestellt und nach Zugabe von 10g eines Äthylenoxid-Propylenoxid-Adduktes als 10 %ige wäßrige Lösung im Rührbehälter auf 80 ⁰G erhitzt. Es wird anschließend mit einem teflonbeschichteten Rührer über 1 Minute gerührt. Innerhalb dieser Zeit tritt der Zerfall, der Emulsion ein. Nach Über-

führung der gebrochenen Emulsion in ein Sedimentationsgefäß ist nach 2 Minuten die Phasentrennung beendet. Nach Analyse ist die leichte Kohlenwasserstoffphase frei von Bakterien und Y/asser, Die schwere wäßrige Phase besteht zu 4,8 % aus Bakterientrockenmasse, 2,5 % Erdöldestillat und 2u 92,7 % aus Nährsalzlösung.

Claims

-./10-

,Pfitentansprueh

Verfahren zur Abtrennung von Mikroorganismen aus nährsalzhaltigen Permentorabläufen eines aeroben Fermentationsprozesses in Gegenwart einer oberflächenaktiven Substanz und auf der Basis flüssiger Kohlenwasserstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß man den mit einem Äthylenoxid-Propylenoxid-Äddukt mit 25 bis 30 Molekülen Äthylenoxid und 15 bis 20 Molekülen Propylenoxid in einer Konzentration von 0,3 bis vermischten Fermentorablauf bei einer Temperatur

von 70 bis 80 ⁰C bei Normaldruck bzw, der entsprechenden Temperatur bei 2 bis 5 atü bei einem pH-Wert von 4 bis 5 mit einer Teflonoberfläche in Kontakt bringt.