DD151575A3 - Verfahren zur gewinnung von biomasse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung von Biomasse durch Kultivierung von Mikroorganismen auf fluessigen Kohlenwasserstoffen. D. Erfindung verfolgt das Ziel, nachteilige Faktoren, wie oekonomische Belastung des Gesamtverfahrens durch die Hilfsmittelkosten und die notwendigerweise vorzunehmende Erwaermung des Produktes und besonders d. Belastg. d. End- u. Nebenprodukte des Gesamtverfahrens mit systemfremden Hilfsmitteln, auszuschliessen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass dem Fermentationsprozess ein grenzflaechenaktiv wirkender Stoff, der auch im Prozess selbst gebildet werden kann, zugefuehrt wird. Solche Stoffe sind insbesondere Phosphatide. Solche Phosphatide sind u.a. auch in dem bei der Mikroorganismenreinigung anfallenden Lipid-Kohlenwasserstoffextrakt enthalten. Dabei ist die Erreichung maximaler Stoffuebergangsraten und damit maximaler Ausbeuten in der Fermentation und die problemlose Primaertrennung bei Fermentationstemperatur durch einmalige Zugabe eines systemeigenen grenzflaechenaktiven Stoffes in Form reiner Phosphatide bzw. Lipid-Kohlenwasserstoffextrakte bzw. der daraus ausgefaellten Phosphatide zum Fermentationsprozess gewaehrleistet. Dabei stechen die Vorteile des grenzflaechenaktiven Stoffes, wie staendige Wieder- bzw. Neugewinnung des systemeigenen grenzflaechenaktiv wirkenden Stoffes, Nichtbelastung der waessrigen Prozeszstroeme und die toxikologische und physiologische Unbedenklichkeit hervor.

Description

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Titel der^Erfindung

Verfahren zur Gewinnung von Biomasse

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vermutliche Erfindung betrifft ein verbessertes Ver~ fahren zur Gewinnung von Biomasse durch Kultivierung von Mikroorganismen auf flüssigen Kohlenwasserstoffen« Die Erfindung gehört in die IPK C 12 C.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Verfahren zur Fermentation von Mikroorganismen auf einer sich zum Teil aus geradkettigen Paraffinen des Kettenlängenbereiches C,q bis Cpp zusammensetzenden Kohlenwasserstofffraktion in Gegenwart eines salzhaltigen wäßrigen Nährmediums und eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases bekannt. Im Ergebnis dieser Fermentation wird eine die Biomasse enthaltende Öl-Wasser-Dispersion, die sich aus dem nichtutilisierten Kohlenwasserstoffanteil und dem an Mhrsalzen verarmten Prozeßv/asser zusammensetzt, aus dem ^Fermentor abgeführt« Aus diesem Fermentationsmedium werden die Mikroorganismen durch Aufarbeitungsverfahren abgetrennt, einem Trocknungsprozeß unterworfen und durch Lösungsmittelextraktion von den Kohlenwasserstoffanteilen gereinigt«

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Zur Verbesserung der sov/ohl im Fermentationsprozeß zu erzielenden Stoffaustauschraten als Voraussetzung für die kontinuierliche und ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit den notwendigen Nährstoffkomponenten als auch der nach erfolgter Fermentation durchzuführenden Trennung der die Biomasse enthaltenden, aus Erdöldestillat und Prozeßwasser bestehenden Dispersionen werden ober- bzw· grenzflächenaktive Substanzen, im weiteren als Fermentations- bzw· Trennhilfsmittel bezeichnet, zugegeben·

Es sind eine Anzahl von Verfahren bekannt, bei denen als Fermentationshilfsmittel nichtionogene oder ionogene und davon sov/ohl anionen- als auch kationenaktive Substanzen zur Anwendung kommen (DD-PS 96727, DD-PS 105827, DD-PS 104099, FR-PS 1445857).

Für die sich anschließende Trennung, meist eine ein- bzw· mehrstufige in der Regel kontinuierliche Zentrifugation, werden der Öl-V/asser-Emulsion ebenfalls nichtionogene und ionogene Hilfsmittel zugesetzt· Bei einigen Verfahren erfolgt eine Erwärmung des aus dem Fermentor abgeführten Mediums vor bzw· nach der Hilfsmittelzugabe sowie eine Trennung bei erhöhter Temperatur· Die verwendeten Fermentations- und Trennhilfsmittel stellen dabei in der Regel ober- bzw· grenzflächenaktive Substanzen dar, wodurch ungünstige Beeinflussungen der Verfahren resultieren, zum einen durch eine Belastung der Ökonomie und zum anderen durch negative Auswirkungen auf die Prozeßführung und die Qualität der End- und nebenprodukte· Es wurde bereits ein verbessertes Verfahren vorgeschlagen (WP C 12 C/181 849), bei dem nur ein Hilfsmittel, sowohl für die Fermentation als auch für die Trennung, eingesetzt wird« Es handelt sich bei diesem Hilfsmittel um ein Polymerisationsprodukt aus Athylenoxid und Propylenoxid mit einem mittleren Molekulargewicht von 1750 bis 2250 (Ferman)·

Hierbei wird im Fermentationsprozeß mit einer Hilfsmittelkonzentration von 0,02 bis 0,15 Gewichtprozent gearbeitet und vor der Trennung die noch für die Phasentrennung notwendige zusätzliche Hilfsmittelmenge dem aus dem Permentor abgeführten Produkt zugesetzt· Dieses wird dann auf vorzugsweise 80 bis 85⁰C erwärmt, da das Hilfsmittel erst in diesem Temperaturbereich eine für die Trennung genügend hohe grenzflächenaktive Wirkung hat« Dieses Verfahren weist eine Reihe nachteiliger Paktoren aufβ Zum einen ist das die ökonomische Belastung des Gesamtverfahrens durch die Hilfsmittelkosten, da selbst bei Rückführung von Prozeßwasseranteilen mit den darin enthaltenen Hilfsmittelmengen in die Fermentation ein erheblicher Anteil des Hilfsmittels mit den aus dem Gesamtprozeß abgeführten Prozeßströmen verlorengeht* Zum anderen resultiert eine Belastung der Ökonomie des Gesamtverfahrens durch die bei Einsatz des erfindungsgemäß beschriebenen Fermentations- und Trennhilfsmittels notwendigerweise vorzunehmende Erwärmung des Produktes und die damit verbundenen Energieaufwendungen.

Y/eit wichtiger sind die Nachteile des Verfahrens, die in der Belastung der End- und Nebenprodukte des Gesamtverfahrens mit Hilfsmittelanteilen bestehen* Zusätzliche Aufwendungen in den Reinigungs- und Regenerierungsstufen und eine aufwendige Hilfsmittelkontrolle zur Einstellung der jeweils erforderlichen bzw« zuzusetzenden Hilfsstoffkonzentration in den Verfahrensstufen Fermentation und Primärtrennung zur Gewährleistung der Prozeßstabilität resultieren daraus«

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die aufgeführten Nachteile unter der Zielstellung der Verbesserung der Ökonomie und der Qualität der End- und Nebenprodukte auszuschließen«

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Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das unter Berücksichtigung der Problematik der Rückführung der fluiden Phasen den Einsatz einer grenzflächenaktiven Substanz sowohl als Fermentations- al3 auch als Trennhilfsmittel möglich macht und diese keine der o_eg· nachteiligen Beeinflussungen bewirkt«

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man dem Fermentationsprozeß einen grenzflächenaktiv wirkenden Stoff, der auch im Prozeß selbst gebildet v/erden kann, zuführt· Solche Stoffe sind insbesondere Phosphate der allgemeinen Formel:

CH₀-CO-X₁ X₁ a -0Ε_ο^,_Λ

CHO-CO-X₂ ""^Cn^H2n-1

~^CmH2m-1

"^Cm^H2rn-3 X₃ = -CH₂-Ch₂-K(CH₃)₃-0H

"CH₂-CH₂-IiH₂

lipid-Kohlenwasserstoffextrakte, die bei der extraktiven Reinigung von auf flüssigen KY/ kultivierten Mikroorganismen erhalten \vurden und die als eine Komponente Phosphatide, entsprechend der oben angegebenen allgemeinen Formel, enthalten, können als Ganzes bzw· die daraus isolierten Phosphatide die Aufgabe lösen· Die Lipid-KW-Extrakt-Zusammensetzung variiert je nach der angewendeten Extraktionsvariante in folgenden Grenzen: KW 30 bis 55 % Phosphatide 10 bis 45 % Glyceride 10 bis 30 % Fettsäuren 5 bis 15 % sowie. Sterine und Vitamine

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Me Phosphatidfraktion wird in einer Gesamtmenge von 0,01 bis 1,0 Ma.%, vorzugsweise jedoch zwischen 0,02 bis 0,5 Ma./S, dem Fermentationsprozeß zugeführt; der Lipid-Kohlenwasserstoffextrakt jedoch, entsprechend seines Phosphatidgehaltes, in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 3*0 Ma.%, vorzugsweise jedoch zwischen 0,1 bis 1,0 Ma«$, bezogen auf den Fermentorinhalt. Dabei wird der systemeigene grenzflächenaktive Stoff bzw. der Lipid-KW-Extrakt in den angegebenen Mengen in der sich zum Teil aus geradkettigen Paraffinen des Kettenlängenbereiches C.q bis Cp₂ zusammensetzenden KW-Fraktion gelöst und so in den Permentor dosierte Die Konvertierung des Erdöldestillats kann mit Hefen bzw» Bakterien erfolgen. Das Verfahren wird bei einer Temperatur von 29 bis 4O⁰C, vorzugsweise für Hefen bei 32 bis 34⁰C und für Bakterien bei 36 bis 38⁰C, einem pH-Wert von 3,5 bis 7,0 unter Normaldruck durchgeführt«, Als Verweilzeit werden 2 bis 5 Stunden eingestellt. Die Begasung des Permentationsmediums erfolgt mit luft bei bevorzugten spezifischen Belüft,ungsraten von 50 bis 100 1/kg.h. Die Kohlenwasserstoffkonzentration wird vorzugsv/eise auf einen Wert zwischen 10 und 20 Ma.% festgelegt. ' . . Das Fermentationsprodukt wird kontinuierlich aus dem Fermentor abgeführt« In diesem Fermentationsprodukt sind die als Fermentationshilfsmittel zugesetzten Phosphatide, bzw. der die Phosphatide enthaltende Biolipidextrakt, noch in der vollen Konzentration enthalten, da sie im Fermentationsprozeß nicht verbraucht werden und wirken nun gleichzeitig noch als Trennhilfsmittel in den nabhfolgenden Aufarbeitungsstufen.

Zunächst wird das Fermentationsprodukt einer Aufrahmung unterzogen, wobei bis zu 80% der wäßrigen Phase abgetrennt und in den Fermentationsprozeß zurückgeführt wird.

Von der so erhaltenen leichten Phase wird anschließend bei Uormaltemperatur in mehreren Separationsstufen das nicht utilisierte Erdöldestillat und weitere Teile der wäßrigen Phase abgetrennte

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Die anfallende Biomassesuspension wird danach nach bekannten Verfahren getrocknet.

Anschließend wird die Biomasse-Trockensubstanz extrahiert. Dabei werden 25% Biolipidextrakt, bezogen auf in der Extraktion eingesetzte Biomasse-Trockensubstanz, gewonnen, der wiederum erfindungsgemäß als Fermentations- und Trennhilfsmittel eingesetzt werden kann

Dieses Verfahren bietet dabei:

1. den Vorteil, daß gegenüber den bisher bekannten Verfahren bei vergleichbaren maximalen StoffÜbergangsraten und damit maximalen Ausbeuten in der Fermentation die Notwendigkeit der Verwendung systemfremder Hilfsmittel, die in der Regel zudem Beeinträchtigungen der Qualitätskennziffern zur Folge haben, entfällt.

2. den Vorteil, daß bei Nutzung des gleichen oberflächenaktiven Stoffes in der Fermentation und Primärtrennung die Zugabe des grenzflächenaktiven Stoffes ausschließlich in den Fermentor ausreicht, die auch eine qualitätsgerechte Primärtrennung ermöglicht.

3· den Vorteil, daß keine Erwärmung des Produktes vor der Aufarbeitung notwendig ist, da die optimale Wirkung des erfindungsgemäßen Hilfsmittels bereits im Temperaturbereich ab 20⁰C voll entwickelt wird.

4* den Vorteil der ständigen Wieder- bzw« Heugewinnung des eingesetzten grenzflächenaktiv wirkenden Stoffes. 5· den Vorteil der Nichtbelastung der wäßrigen Prozeßströme mit systemfremden Hilfsstoffen.

6. den Vorteil der toxikologischen und physiologischen Unbedenklichkeit des verwendeten systemeigenen Stoffes und damit der Vermeidung negativer Auswirkungen auf die Qualität und Applikation der erzeugten Biomasse, zumal die erfindungsgemäß verwendete Substanz durch den Extraktionsprozeß ohnehin von der Biomasse entfernt wird, und 7» den Vorteil einer verbesserten Ökonomie infolge der Einsparung gesonderter Hilfskosten und thermischer Energie.

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8_e den Vorteil einer verbesserten Stabilität der Aufarbeitung der Fermentationsinedien durch deren, gegenüber Produkten bekannter Verfahren, günstigeren Systemeigenschaften«.

Me erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird in den folgenden Beispielen näher erläutert»

Beispiel1:

In einem 500 1 Rührkesselferraentor mit einem Arbeitsvolumen von 200 kg wird ein kontinuierlicher Fermentationsprozeß mit der Kultur Candida guilliermondii D BIET H 128 bei einem spezifischen Leistungseintrag des Rührers von 3,9 kW/t und einer spezifischen Belüftungsrate von 60Nnr/th durchgeführt. Die Kultivierung erfolgt bei einer Permentationstemperatur von 33⁰C und einem pH-Y/ert von 4,2 sowie einer Verweilzeit von 5 h* Ein limitationsfreies Wachstum der Mikroorganismen wird durch die Dosierung einer Nährlösung, durch die pro Stunde dem Permentor 66,1 g Η-,ΡΟ-(74,5%~ig), 43,2 g KCl, 15,8 g MgSO₄^H₂O, 0,1 g 0,09 g PeCl₃ (45%-ig), 0,8 g ZnSO₄^H₂O, 0,6 g und 83 g Stickstoff zugeführt werden, gewährleistete Als C-Quelle dienen 20 Ma*% Erdöldestillat, bezogen auf den Permentorinhalt, vom Siedebereich 240 bis 36O⁰C mit einem n-Alkangehalt von 17 bis 19 Ma«%· In diesem Erdöldestillat werden als kombiniertes Fermentations·*- und Trennhilfsmittel 5 kg Phosphatide/t gelöst· Unter diesen Fermentationsbedingungen wird eine Produktivität von 3,6 kg HTS/th bei einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2,45 kg O₂/kg HTS und einem spezifischen n-Alkanverbrauch von 1,18 kg n-Alkan/kg HTS erreicht»

Das Permentationsprodukt wird kontinuierlich in einer Menge von 40 kg/h aus dem Permentor abgeführt« Durch an- . schließende Aufrahmung werden 20 kg wäßrige Phase abgetrennt und in den Fermentationsprozeß zurückgeführt» Von der erhaltenen leichten Phase wird das nichtutilisierte Erdöldestillat, das mit 0,2% HTS und 2,0% Wasser verunreinigt ist, mit Hilfe eines selbstreinigenden Laborsepa-

rators abgetrennt· Die dabei anfallende wäßrige Phase enthält 5,7% HTS und 1,3% ED, Die Abtrennung eines weiteren Teils wäßriger Phase erfolgt mit Hilfe eines Labordüsentellerseparators«

Die anfallende Biomassesuspension wird in einem Zerstäubungstrockner getrocknet·

Anschließend wird die HTS mit einem Lösungsmittelgemisch . Benzin/Äthanol/Wasser (80/19/1) extrahiert· Dabei werden 25% Lipid-Kohlenwasserstoff, bezogen auf in der Extraktion eingesetzte HTS, gewonnen. Der wasser- und lösungsmittelfreie Extrakt enthält:

47% Kohlenwasserstoffe

24,7% Phosphatide

19,3% Glyceride -

8,2% Fettsäuren

0,8% Sterine, Vitamine u.a·

Die erfindungsgemäß im Fermentationsprozeß eingesetzten Phosphatide können auch durch Acetonfällung aus dem bei der Extraktion der erzeugten Biomasse anfallenden Extrakt gewonnen werden«

Beispiel 2:

Der Prozeß der Biomassegewinnung wird analog Beispiel 1 geführt« Als wirksame grenzflächenaktive Substanz v/erden die durch Acetonfällung aus dem Extrakt gewonnenen prozeßeigenen Phosphatide eingesetzt. Im Erdöldestillat werden 7»5 kg prozeßeigene Phosphatide/t gelöst« Unter diesen Fermentationsbedingungen wird eine Produktivität von 3,92 kg HTS/th bei einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2,51 kg ©₂/kg HTS und einem spezifischen n~Alkanver-

brauch von 1,21 kg n~Alkan/kg HTS erreicht· Die nach der Abtrennung des nichtutilisierten Erdöldestillats anfallende wäßrige Phase enthält 6,12% HTS und 1,2% ED_e

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Beispiel 3?

Der Prozeß der Biomassegewinnung wird analog Beispiel 1 geführ.t. Auch hier werden die im Beispiel 2 angeführten ' prozeßeigenen Phosphatide als grenzflächenaktive Substanzen genutzt· Auf ihre Abtrennung aus dem Lipid-Kohlenwasserstoffextrakt wird jedoch verzichtet. Im Erdöldestillat werden 30 kg/t wasser- und lösungsmittelfreier Extrakt gelöst, der die prozeßeigenen Phosphatide enthält· Unter diesen Permentationsbedingungen wird eine Produktivität von 3»88 kg/th bei einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2,47 kg/ O_?/kg HTS und einem spezifischen n-Alkanverbrauch von 1,15 kg n-Alkan/kg HTS erreicht· Die nach der Abtrennung des Erdöldestillats anfallende wäßrige Phase enthält 6,06% HTS und 1,12% ED.

Beispiel 4:

Bakterien der Art Mycoccocus lactis wurden in einem Fermentor mit einem Volumen von 30 1 (Betriebsfüllung 12 kg), der mit einem Schaufelrührwerk ausgerüstet ist, kontinuierlich gezüchtet· Die Drehzahl betrug 100 U/min, die Luftzufuhr 2,5 bis 3,0 1/1 min· Als Kohlenstoffquelle wurde Erdöldestillat verwendet, das im Bereich von 240 bis 36O⁰C siedet und 16 Gew.% n-Alkane enthält» Die Konzentration des Erdöldestillates im Medium betrug 25% oder auf n-Alkane bezogen 4,0 Gew«%« Der kontinuierliche Prozeß wurde bei einer Verweilzeit von 3 Stunden, bei einer Temperatur von 36 bis 38 C und bei einem pH-Wert des Mediums von 6,0 bis 6,5 durchgeführt» Die Uährsalzlösung wurde kontinuierlich dem Permentor zugeführt· Sie wurde für 1 g BTS wie folgt bilanziert:

Ortho-Phosphorsäure 91 mg

Kaliumchlorid 68 mg

Magnesiumsulfat 18 mg

Eisensulfat 14 mg

Mangansulfat · 8 mg

Zinksulfat 9 mg

Kupfersulfat 0,4 mg

- 10 - ^ I ti DO

Als Stickstoffquelle wurde eine dreiprozentige Ammoniaklösung zugegeben· Durch diese Lösung wird gleichzeitig der pH-Wert des Mediums im vorgegebenen Bereich konstant gehalten. Der nach der Extraktion .der Biomasse erhaltene Lipid-Kohlenwasserstoff-Extrakt wurde dem Permentor in einer Menge von 0,8 Gew.%, bezogen auf den Fernientorinhalt, zugegeben· Unter diesen Bedingungen betrug die Produktivität des Permentors 8,8 g/kgh· Aus dem Permentor wurden kontinuierlich 4,0 kg/h Medium entnommen· Nach der Aufrahmung wurden 1,6 kg der wäßrigen Phase (schwere Phase) pro Stunde in den Permentor zurückgeführt· Der pH-Wert der leichten Phase, in der das Erdöldestillat, die Bakterien und das restliche Wasser enthalten waren, wurde mit Phosphorsäure auf einen pH-Wert von 2,5 bis 3,0 eingestellt· Das erhaltene Gemisch wurde dem Laborseparator S AON zwecks Trennung zugeführt· In der abgetrennten leichten Fraktion war das Erdöldestillat enthalten. Die Konzentration der Bakterien in diesem Destillat betrug bis 0,4% und die des Wassers bis 5,0%. Die v/eitere Reinigung des Destillates erfolgte im gleichen Separator. Die abgetrennte schwere Phase, die aus Bakterien, Wasser und einer Restmenge von Erdölde stillat bestand, wurde in einem Labor-Düsenseparator der Fa· Alfa-Laval aufkonzentriert. Die eingedickte Suspension mit einem Trockensubstanzgehalt bis 8,0% und einem Restöldestillatgehalt bis 1% wurde in einem Sprühtrockner getrocknet, Die getrocknete Bakterienbiomasse wurde mit einem Alkohol-Wasser-Gemisch (60 : 40) behandelt und mit einem Lösungsmittelgemisch Benzin-Alkohol-Y/asser im Verhältnis 80 : 19 : 1 extrahiert. Der nach der Bakterienextraktion erhaltene Lipid-Kohlenwasserstoff-Extrakt enthielt bis 35% unverseifbare Substanzen, 25 bis 30% Phospholipide, 10 bis 15% freie Fettsäuren, 15 bis 20% Triglyzeride.

Aus den aufgeführten Ergebnissen ist ersichtlich, daß die . auf der Grundlage des erfindungsgemäß beschriebenen Gesamt-Verfahrens erreichten Leistungskennziffern den in den bisher bekannten Verfahren erzielten Werten entsprechen und somit die in der Verfahrensbeschreibung dargestellten Vorteile, der Erfindung wirksam werden.

Claims (1)

1. -ΛΑErfindung

   Verfahren zur Gewinnung von Biomasse durch Kultivierung vori Mikroorganismen auf flüssigen Kohlemvasserstoffen •unter Anwesenheit eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und eines Uährsalzmediums und deren anschließende Abtrennung aus dem Permentationsmedium unter Verwendung von grenzflächenaktiven Stoffen, insbesondere Phosphatiden als Trennhilfsmittel, gekennzeichnet dadurch, daß die genannten Phosphatide der allgemeinen Formel

   "•L/U—X.. X.* ss *™v

   CHO-CO-X₂

   CHg-O-P -O-Xj

   ^{0H X}2 -^Cm^H _2m+1

   -v»

   - CH₂-CH₂-ITH₂

   gleichzeitig als Fermentationshilfsmittel in einer Konzentration von 0,01 bis 1,0 Ma*%, vorzugsweise,0,02 bis 0,5 Ma«%, bezogen auf das Permentationmedium, bei einer Temperatur von 29 bis 40⁰C, vorzugsweise für Hefen von 32 bis 34⁰C und für Bakterien von 36 bis 38°C, dem Fermentationsprozeß zugeführt werden«

   _₁₂ - 2 1 4 1 b ö

   Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatide in Form von Lipid-Kohlenwasserstoffextrakt in einer Konzentration von 0,05 bis 3_t0 ¥&.%, vorzugsweise 0,1 bis 1,0 Ma»%, bezogen auf das Permentati onsmedium, dem Pennentationsprozeß zugeführt werden«