DD225445A1

DD225445A1 - Verfahren zur gewinnung von gaerungsethanol

Info

Publication number: DD225445A1
Application number: DD84262991A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Repp; Volker Tenckhoff; Ulrich Becker; Horst Bruchertseifer; Klaus Richter
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1984-05-14
Publication date: 1985-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Gaerungsethanol mittels Mikroorganismen aus vergaerbaren Kohlenhydraten und kann auf Fermentationsprozesse angewandt werden, die diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich gefuehrt werden. Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das die Produktsyntheserate gegenueber bisher bekannten Verfahren erhoeht. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das durch Erhoehung der Konzentration an gaerfaehigen Mikroorganismen sowie deren groessere Gaeraktivitaet und Einsatzdauer gekennzeichnet ist. Erfindungsgemaess wird im bypass durch Membranmodule mit Membranfiltern unterschiedlicher Porengroesse sowohl eine Fraktionierung der Biomasse in kleine und grosse Zellen vorgenommen, als auch ein biomassearmes bis -freies produkthaltiges Filtrat gewonnen. Die aus kleinen Zellen bestehende Fraktion wird in den Fermentor zurueckgefuehrt.

Description

Titel der Erfindung;

Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi mittels Mikroorganismen aus vergärbaren Kohlenstoffsubstraten, Die Erfindung kann angewandt werden auf Fermentationsprozesse, die diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich, steril oder insteril mit Bioinasserückführung oder -rückhaltung geführt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren zur Gewinnung von Gärprodukten mittels Mikroorganismen aus vergärbaren KohlenstoffSubstraten sind in großer Zahl bekannt. Charakteristisch für diskontinuierliche Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi ist, daß vorzugsweise mit Hefen bei Konzentrationen unter 15 g Hefetrockensubstanz / 1 Permenterinhalt (g HTS/1 FI) und bei relativ langen Gärzeiten von 20 bis 72 h gearbeitet wird. Dabei werden Ethanolkonzentrationen zwischen 70 bis 85 g/l erreicht. Diese Gürzeiten und Ethanolkonzentrationen sind die Folge des inhibierenden Einflusses des Ethanols auf das Wachstum der Gärorganismen und auf die Ethanolsyntheserate,

Es ist weiterhin bekannt, daß eine Erhöhung der gärfähigen Biomasse die Gärzeit verkürzt und Möglichkeiten zur kontinuierlichen Ethanolsynthese bietet. Dem tragen eine Reihe jüngster Verfahrensentwicklungen Rechnung, bei denen Biomassen von 50 bis 120 g TS/1 eingesetzt werden, (Gysewski, G.R. und Wilke, CR.: Biotechnol. Bioeng. J_9 (1977) 1125 - 1143; Wilke, CR. und Maiorella, B.: Adv. Biotechnol. χ (1981) 539 - 545; DE - OS 29 17 411; GB - PS 20 21 639; GB - PS 20 65 699).

Der Einsatz derart großer Biomassen setzt die Bereitstellung und den Verbrauch entsprechend großer Substratmengen für ihre Anzucht voraus. Die ständige Anwesenheit der Biomasse im Gärreaktor wird in der Praxis mittels der Verfahrensschritte Separation des Fermentorablaufs und Rückführung der separierten Biomasse in den Reaktor oder durch Biomasserückhaltung mittels der Membrantechnologie realisiert.

Die Membrantrenntechnologie hat auf Grund verschiedener Vorteile, wie des geringen Energiebedarfs sowie vieler Einsatzmöglichkeiten, verstärkt das Interesse der Verfahrensingenieure gefunden. Der Rotorfermentor von A. Margaritis und CR. Wilke (Biotechnol, Bioeng. 2_0 (1973) 727) erlaubt eine Verringerung der Anzahl der Verfahrensschritte bei der ethanolischen Gärung. Weitere Einsatz- möglichkeiten wurden gefunden in

- der Plattenfiltration zur Aufkonzentrierung biologischer Lebendstoffe (DE - AS 16 58 062),

- der Ultrafiltration zur Behandlung von Maisquellwasser (DE - OS 22 28 038),

- der Dialyse bzw. Umkehrosmose zur Herstellung ethanolreduzierter Getränke (DS - OS 30 09 828),

- zur Fest-Flüssig-Trennung (US - PS 30 85 687).

Voraussetzung für einen langen Einsatz der Gärorganismen in den Gärprozeß ist, daß sie eine hinreichend hohe Gäraktivität besitzen. In der Regel verringert sich diese mit zunehmender Einsatzdauer der Gärorganismen, Die Gäraktivität hängt von verschiedenen Parametern ab. So wird sie z, B, von der nährstoffversorgung und der Ethanolkonzentration beeinflußt. Die Forschung hat zahlreiche Verfahrensentv/icklungen hervorgebracht, die das -Problem auf verschiedene V/eise und mit unterschiedlichem Erfolg zu lösen versuchen. So z, B,

- durch die Versorgung der Gärorganismen mit Wuchsstoffen und/oder Sauerstoff,

- durch den Einsatz ethanoltoleranter oder -resistenter Mikroorganismen,

- durch den Einsatz physikalisch-chemischer Hilfsmittel,

Zum größten Teil sind diese Methoden mehr oder minder material- oder energieaufwändig und belasten je höher die gewünschte Biomasse im Reaktor ist um so mehr die Ökonomie des Gesamtverfahrens,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi, das die Produktsyntheserate gegenüber bisher bekannten Verfahren erhöht,

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Verfahrensweise für einen ethanolischen Gärprozeß bei

großen Biomassekonzentrationen zu finden, die durch eine hohe Gäraktivität und Einsatzdauer und gleichzeitig durch die Erhöhung der Konzentration der gärfähigen Mikroorganismen gekennzeichnet ist

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe so gelöst, daß im bypass durch Membranmodule mit Membranfiltern unterschiedlicher Porengröße sowohl eine Fraktionierung der Biomasse in kleine und große Zellen vorgenommen, als auch ein biomassearmes bis -freies produkthaltiges Piltrat gewonnen wird. Die aus kleinen Zellen bestehende Fraktion wird in den Fermentor zurückgeführt und mit bekannten Methoden, beispielsweise durch Substrat- und Sauerstoffzuführung aktiviert

Die Membranfiltration kann diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Für die Fraktionierung der Zellen werden ihrer Größe entsprechend Membranen mit einer Porengröße von 2 bis 10 um und für die Gewinnung des produkthaltigen biomassefreien Filtrates solche mit einer Porengröße von 0,2 bis 3 /-πη eingesetzt. Durch die Anreicherung an kleinen, jedoch aktivierten Zellen im Fermentor werden die Zellanzahl und damit die Menge der anwesenden Multienzymsysteme, die Gesamtoberfläche der substratwandelnden Biomasse und folglich ihre Stoffwandlungsaktivität erhöht, ohne daß die Gesamtbiomasse gesteigert werden muß. Die Biomassekonzentration wird photometrisch im Fermentor und in den Kreisläufen verfolgt und auf dieser Basis erfolgt die Regelung und das Ausschleusen der Biomasse aus den Kreisläufen bzw, ihrer Rückführung in den Fermentor zur Aufrechterhaltung einer konstanten Biomassekonzentration, Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren besteht darin, daß die Biomasse in einem separaten Kreislauf zur Gewinnung kleiner Zellen energiesparsam mittels Membranmodulen mit geeigneten Mikrofiltern fraktioniert und die kleinen Zellen sowohl bevorzugt in

den Gärreaktor zurückgeführt, als auch mit an sich bekannten Methoden aktiviert werden, so daß die Gäraktivität der anwesenden Biomasse erhöht wird, ohne daß die Gesamtbiomasse gesteigert zu werden braucht« Die Erfindung wird durch folgendes Beispiel näher erläutert:

Beispiel

Es wurden Versuche zur kontinuierlichen Gärung in einem Laborfermentor mit einem Arbeitsvolumen von 1,5 1 durchgeführt. Der Reaktor war mit einer Meß- und Regelungstechnik ausgerüstet, die es ,erlaubte, sowohl die Hefekonzentration zu messen und konstant zu halten, als auch auf der Basis einer vorgegebenen konstanten Sthanolkonzentration im Reaktorauslauf die Dosierung des Gärmediums und somit der Durchflußrate zu regeln. Am Reaktor befanden sich 2 Außenkreisläufe mit 2 Plattenmodulen mit kommerziellen Membranfilter^ und unterschiedlichen Porengrößen von 3-4 um bzw. 0,5 um Durchmesser. Die Membranfilter mit den größeren Poren dienten hierbei zur ZeIlfraktionierung, die mit den kleinen zur Gewinnung der hefefreien ethanolhaltigen wäßrigen Phase. Der Reaktor wurde mit einer sterilen Nährlösung aus mineralischen Nährsalzen, Hefeextrakt und einer Saccharose-Melassemischung beschickt und mit frischer Hefe (Saccharomyces cerevisiae) beimpft. Die Zusammensetzung der Nährlösung war folgende (bezogen auf 1 g Hefetrockensubstanz (HTS)): K₂SO₄ 76,00 mg

MgSO. . 7 H₂O 28,00 mg ZnSO₄ , 7 H₂O 0,88 mg FeSO₄ . 7 H₂O 2,59 mg CuSO₄ . 5 H₂O 0,1b mg MnSO₄ . 7 H₂O 0,88 mg H₃PO₄ (85 %) 135,00 mg (TTH₄)₂SO₄ 367,00 mg

Hefeextrakt 150,00 mg

Die Versuche erfolgten bis pH = 4,5 und 33 ⁰C. Der Reaktor wurde partiell belüftet. Die Gelöst-Op-Konzentration betrug 15 %« Der kontinuierliche Gärbetrieb wurde mit einer Hefekonzentration von 21 g HTS/1 begonnen und zwar mit einem Anteil an lebenden Zellen von 95 %» Davon hatten 43 % der Zellen einen Durchmesser von 2 bis 3»5 um, 57 % der Zellen über 3,5 bis 5,5 um. Entsprechend einer Ethanolkonzentration von ρ = ca, 65 g Ethanol/1 und einer Durchflußrate von D = 0,2 h wurde eine Ethanolproduktivität von ρ = 13 g Ethanol/1,h erhalten. Die Sthanolausbeute lag bei y = 0,46 g Ethanol/g Saccharose, JJach einer Versuchsdauer von 36 h wurde auf Grund der erfindungsgemäßen Fraktionierung der anwesenden Hefebioinasse nach der Zellgröße und eines bevorzugten Anschleusens der über 3,5 um großen Zellen und der Akkumulation kleiner Zellen im Gärreaktor eine Ethanolproduktivität von ρ = 16 g Ethanol/l,h erreicht. Die übrigen Parameter waren: χ = 21 g HTS/1 ρ =65,6 g Ethanol/1

D= 0,25 IT¹

y = 0,47 g Ethanol/g Saccharose

Die Zellanzahl hatte sich erhöht, während die Gesamthefemasse unverändert blieb. Der Anteil an lebenden Zellen betrug 90 %, Das Verhältnis von kleinen Zellen gegenüber den großen Zellen war 60 % zu 40 %. Die Ethanolproduktivität stieg im Gärverlauf weiterhin an, JJach einer Versuchsdauer von 60 h wurden ρ = 21,7 g Ethanol/1,h erreicht. Die Zellanzahl hatte sich weiterhin erhöht, dagegen konnte die gärfähige Biomasse konstant gehalten werden. Die Parameter waren:

χ = 22 g HTS/1 Anteil an lebenden Zellen = 86 % ρ = 64,8 g Ethanol/1 Anteil an kleinen Zellen = 80 %

D = 0,33 h"¹ Anteil an großen Zellen = 20

y = 0,45 g Ethanol/g Saccharose

Insgesamt konnte durch die erfindungsgemäß angewandte Fraktionierung der Hefemasse nach der Zellgröße mittels der Membranfiltration und Akkumulation der kleinen Zellen im Gärreaktor eine Erhöhung der Gäraktivität der Hefe bei unveränderter Gesamthefemasse sowie einer Steigerung der Ethanolproduktivität um das 1,6-fache erreicht werden.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi mittels Hefen und/oder Bakterien aus vergärbaren Kohlenhydraten durch eine Methode der Biomasserückführung bzw. -rückhaltung, bevorzugt mit Membranmodulen, gekennzeichnet dadurch, daß im bypass mit Hilfe von Membranmodulen mit Membranfiltern unterschiedlicher Porengröße diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich sowohl eine Fraktionierung der Biomasse in kleine und große Zellen vorgenommen wird, wobei bevorzugt die aus kleinen Zellen bestehende Fraktion in den Permentor zurückgeführt und mit bekannten Methoden durch Substrat- und Sauerstoffzufuhr aktiviert wird, als auch ein biomassearmes bis -freies produkthaltiges Piltrat gewonnen wird.

2„ Membranfilter zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Porengröße der Membranfilter für die Fraktionierung 1 bis 1.0 /am und für die Gewinnung des Filtrates 0,2 bis 3/Um beträgt.