DD239608A1

DD239608A1 - Verfahren zur kontinuierlichen aeroben kultivierung von hefen

Info

Publication number: DD239608A1
Application number: DD27876885A
Authority: DD
Inventors: Lidija I Kozlova; Olga I Velikoslavinskaja; Joachim Bauch; Herbert Gentzsch; Klaus Kammel; Guenter Heidenreich
Original assignee: Petrolchemisches Kombinat; Wnii Sintesbelok Moskau
Priority date: 1985-07-19
Filing date: 1985-07-19
Publication date: 1986-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivierung von Hefen auf Kohlenwasserstoffen fuer die Biomasseerzeugung. Das Ziel der Erfindung, den spezifischen Sauerstoffverbrauch und die spezifische Waermeentwicklung zu senken, wird erreicht, wenn die Geschwindigkeit der Luftzufuhr nach der Stoermungsgeschwindigkeit des fluessigen Mediums reguliert wird, wobei ein Verhaeltnis von Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Stroemungsgeschwindigkeit in den Grenzen von 250-600 Nm3 auf 1 t Fluessigkeit, ein Sauerstoffgehalt in der Abluft in den Grenzen von 13,5-17,0% und ein Grad der Sauerstoffausnutzung in den Grenzen von 20-35% eingehalten wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivierung von Hefen und Kohlenwasserstoffen für die Biomasseerzeugung und gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoff- und Energiequelle bei der Biomasseproduktion gestattet es, in einem Prozeß zwei wertvolle Produkte, Eiweiß und Lipide, zu gewinnen.

Eiweiß dient als Futtermittelzusatz und Lipide werden für technische Zwecke als Äquivalent für Speisefette verwendet.

Bei der Kultivierung von Mikroorganismen auf Kohlenwasserstoffen, die in ihrer Zuammensetzung keinen Sauerstoff enthalten, ist der Verbrauch an Belüftungsgas als Sauerstoff quelle sehr hoch. Der Sauerstoffverbrauch für die Bildung von 1 kg Biomasse beträgt 2;5-4,0 kg.

Für die Versorgung des Prozesses mit einer solchen Sauerstoffmenge werden für einen intensiven Massenaustausch komplizierte Fermentorkonstruktioneh benötigt, was den Kultivierungsprozeß bedeutend verteuert.

Außerdem wird der hohe Sauerstoffverbrauch für die Biomasseerzeugung von einer hohen Wärmebildung begleitet, für deren Ableitung spezielle Kühlvorrichtungen, die große Mengen Kühlwasser umpumpen, notwendig sind.

Dieses Kühlwasser muß, nachdem es seinen Zweck erfüllt hat, in Kühltürmen rückgekühlt werden, was während der Sommerzeit nur u nter erschwerten Bedingungen möglich ist. Es gibt eine Reihe von Verfahren zur Senkung des Sauerstoffverbrauches für die Belüftung des Kulturmediums. Gemäß US-Patent Nr.3986932 ist ein Verfahren zur aeroben Kultivierung von Mikroorganismen bekannt, dessen Regulierung über die Ermittlung der Atmungsgeschwindigkeit der Zellen unmittelbar im Kultivierungsprozeß und in der aus dem Apparat abgeführten Zellsuspension erfolgt. Nach dem Verhältnis der kontinuierlich ermittelten Atmungsgeschwindigkeiten werden der biochemische Sauerstoffbedarf festgestellt und die Nährstoffe präzise dosiert.

Um SU-Patent Nr. 662018 ist ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen auf Kohlenwasserstoffen beschrieben, bei dem die Belüftung nach der Erreichung einer Dichte des Mediums von 0,1-0,3kg/l reguliert wird. Eine Aufrechterhaltung der Belüftung auf dem gegebenen Niveau gestattet zwar eine Erhöhung der Biomasseausbeute, verringert jedoch nicht den Sauerstoffverbrauch.

Nach SU-Urheberschein Nr. 413183 ist ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen bekannt, nach dem mit dem Ziel der Verbesserung der Kultivierungsbedingungen die Belüftung des Mediums durch Rühren reguliert wird. Die Rührgeschwindigkeit wird zuerst so verändert, daß die Menge der zugeführten Luft 0,3-3,OV · V"¹ · min"¹ beträgt.

Danach wird die Intensität des Rührens bis zum Erreichen einer CO₂-Konzentration in der Abluft von 3,0-11,0% erhöht.

Anschließend wird die Rührintensität verringert und die Menge der zugeführten Luft erhöht.

Das Verfahren ist in der Ausführung kompliziert und kann nur für eine konkrete Fermentorkonstruktion verwendet werden.

Gemäß SU-Urheberschein Nr. 334240 ist ein Verfahren zur Regulierung eines Kultivierungsprozesses für Mikroorganismen nach der Menge der zugeführten Luft bekannt. Die Intensität der Belüftung wird nach der Menge des mit der Abluft abgeführten CO₂ geregelt. Dabei wird die Menge des abgeführten CO₂ aus dem Luftdurchsatz und der CO₂-Konzentration in der Abluft ermittelt.

Das Verfahren gestattet einen optimalen Luftdurchsatz. '

Der Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß die Belüftung des Mediums nach der CO₂-Konzentration in der Abluft

geregelt wird.

Bekanntlich hängt die (^-Konzentration in der Abluft von vielen beeinflussenden Parametern ab und nicht nur von der Menge der zugeführten Luft. So führt beispielsweise die Limitation eines der Nährstoffe im Kulturmedium zur Erhöhung des CO₂-Austrages.

Eine Verringerung oder Erhöhung der Luftmenge ergibt dabei keinen positiven Effekt, weil die Konzentration des limitierten Stoffes im Nährmedium verändert werden muß. Eine Senkung des Sauerstoffverbrauchs ist mit dem Verfahren nicht möglich.

Ziel der Erfindung

DasZiel der Erfindung besteht in der Senkung des spezifischen Sauerstoffverbrauches und der spezifischen Wärmeentwicklung bei der kontinuierlichen Kultivierung von Hefen auf Erdöldestillaten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung ist es, durch Regelung der Belüftung den Prozeß der kontinuierlichen Kultivierung von Hefen dahingehend zu beeinflussen, daß eine Senkung des spezifischen Sauerstoffverbrauches und der spezifischen Wärmeentwicklung erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe durch Regelung der Geschwindigkeit der Luftzufuhr nach der Höhe der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums durch den Fermentor gelöst. Dabei wird das Verhältnis der zugeführten Luft in den Grenzen von 250-600Nm³ · h"¹ je 11 Flüssigkeitsstrom pro Stunde, der Sauerstoffgehalt in der Abluft in den Grenzen von 13,5-17,0% und der Grad der Sauerstoffausnutzung in den Grenzen von 20-35% reguliert.

Das Verfahren wird folgendermaßen ausgeführt.

Hefen der Gattung Candida, Torulopsis, die Kohlenwasserstoffe utilisieren und andere werden in einem Rührfermentor mit Belüftung auf einem Nährmedium kultiviert, das als Kohlenstoffquelle Erdöldestillate und die notwendigen Mineralstoffquellen enthält.

Als Kohlenstoffquelle werden Erdöldestillatfraktionen mit einem Siedebereich von 300—400⁰C verwendet.

Sie enthalten 8-50% n-Alkane im Bereich C₈-C₃₀. Als Sauerstoffquelle wird Luft eingesetzt, die unter Normalbedingungen 21 Vol.-% Sauerstoffenthält.

Die Intensität der Belüftung beträgt 50-150Nm³ · h~¹ · t~¹. Als Quellen für Stickstoff, Phosphor, Kalium, Magnesium und Spurenelemente werden beliebige anorganische Verbindungen verwendet, die keine das System schädigende Beimengungen enthalten.

Die Kultivierung der Hefen erfolgt im kontinuierlichen Verfahren mit einer Durchflußrate des Mediums von 0,1-0,35rT¹, einem pH-Wert des Mediums von 3,0-4,5 und einer Temperatur von 29-40°C.

Im Prozeß der Kultivierung wird die Geschwindigkeit der Luftzufuhr zum Fermentor (y) und die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes durch den Fermentor (F) so reguliert, daß das Verhältnis ' 250- 600 Nm³WlT¹ , Nl . lf\ _± .

ν kg _# h ^lJ

Die Geschwindigkeit der Luftzufuhr zum Fermentor und die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes durch den Fermentor

hängen vom Fermentorvolumen ab. \

So ist beispielsweise in einem Fermentor mit einer Betriebsfüllmenge von M = 500t, y = 25000-75000Nm³ h"¹ bei einer Intensität der Belüftung von v/m = 50-150Nm³ · r¹ · h~¹

F = 50-143t · h~¹ (bei einer Durohflußrate von D = ^f/m = 0,1-0,35IT¹). In einem Fermentor mit einer Betriebsfüllmenge von M = 10kg sind

y = 500-1500Nl · h"¹

F = 1,0-2,86kg · h"¹

(bei v/m = 50-150Nm³ · r¹ · h"¹ und

D = 0,1-0,35 h"V Auf diese Weise ist unter den genannten Bedingungen das Verhältnis

_ _a £2S22£Z5222₌ 500-1500 . 175-1500

P 50 - 143 1 - 2,8b ' 1

*' (.*f -V. j n .ir¹ V

Dabei schwankt der Sauerstoffgehalt in der Abluft von 10-20% und der Grad der Sauerstoffutilisierung von 5-50%.

Der spezifische Sauerstoffverbrauch erreicht 2,5-4,0kg 0₂/kg Hefetrockensubstanz und die spezifische Wärmebildung 6000-12 000 kcal/kg Hefetrockensubstanz.

Bei der Kultivierung von Hefen nach dem vorgeschlagenen Verfahren und insbesondere bei der Regulierung des Verhältnisses

i/ 250 - 600

1 ' . ·

und der gleichzeitigen Regulierung des O₂-Gehaltes in der Abluft (CO₂ laufend) in den Grenzen 13,5-17,0 Vol.-% und des Grades des Sauerstoffverbrauches von _____

r 21 - C°2 laufend . 100 - 20 - 35 %

_c ₂₁ . .

wird ein stabiler spezifischer Sauerstoffverbrauch in den Grenzen von 1,7-2,0 kg O₂/kg Hefetrockensubstanz und eine spezifische Wärmebildung in den Grenzen von 4000-5 500 kcal/kg Hefetrockensubstanz erreicht.

Ausführungsbeispiele

> ' ' ·' ". ' ' ' ·

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Beispielen näher erläutert werden. ,

Beispiel 1

Hefen, Candida guilliermondii, wurden in einem Fermentor mit einer Betriebsfüllung von M = 20kg kultiviert, der mit einem System zum Rühren und Belüften des Mediums ausgerüstet ist.

Als Kohlenstoffquelle wurde ein Erdöldestillat mit einem Siedebereich von 280-360⁰C verwendet, das 17% n-Alkane enthielt.

Das Nährmedium hatte folgende Zusammensetzung:

Erdöldestillat 20%

Phosphorsäure (70%ig) 2 090 mg/l

Kaliumchlorid 1570 mg/l

Magnesiumsulfat 500mg/l

Eisensulfat 25 mg/l ι

Zinksulfat 50mg/l

Mangansulfat 38mg/l

Kupfersulfat 11 mg/l ,

Wasser bis 1 kg

Stickstoff wurde dem Medium in Form eines 10%igen Ammoniumhydroxids zum Alkalisieren des Mediums zugeführt.

Die Hefen wurden in einem kontinuierlichen Verfahren mit folgenden Parametern kultiviert:

Temperatur 32-34⁰C

pH-Wert 4,0-4,5

Geschwindigkeit der Luftzufuhry = 2640NI-h"¹ Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes durch den Fermentor F = 4,4kg · JT¹ Durchflußrate D = 0,22 h"¹

Dabei ist das Verhältnis der Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes * . 2S42 ."^T⁷I

Im Kultivierungsprozeß lag der O₂-Gehalt in der Abluft CO₂ laufend bei 16,8%. Der Grad der Sauerstoffverwertung betrug

η" » ²¹ "* '^" . 100 = 2Jt^ . 100 «20 $ ⁶ 21 21 -ν

Die Ergebnisse waren: · >

Produktivität nach der Biomasse 4,8 kg · t"¹ · h"¹ Spezifischer Sauerstoffverbrauch 1,68kg O₂/kg HTS Spezifische Wärmebildung 4050 kcal/kg HTS

Beispiel 2

Hefen, Candida guilliermondii, wurden in einem Fermentor mit einer Betriebsfüllung von M = 75t kultiviert.

Unter Rühren und Belüften wurden die Hefen auf einem Erdöldestillat kultiviert, das 21 % n-Alkane enthielt.

Die Zusammensetzung des Nährmediums betrug:

Erdöldestillat 13,7%

Phosphorsäure (74%ig) 1870 mg/l

Kaliumchlorid 1450 mg/l

Magnesiumsulfat 460 mg/l

Eisensulfat 23 mg/l

Zinksulfat 46 mg/l

Mangansulfat 35 mg/l

Kupfersulfat 10,8 mg/l

Wasser bis 1 kg

Stickstoff wurde dem Kulturmedium in Form einer 25%igen Ammoniumhydroxidlösung zum Alkalisieren des Mediums zugeführt. Die Hefen wurden in einem kontinuierlichen Verfahren nach folgenden Parametern kultiviert:

Temperatur 32-34 ⁰C

pH-Wert 4,0-4,2

Geschwindigkeit der Luftzufuhr y = 6500Nm³ · h~¹ Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes durch den Fermentor

Durchflußrate

Dabei betrug das Verhältnis der Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes

6500

der,O₂-Gehalt in der Abluft C0₂,_auIolld = 13,7% und der Grad der Sauerstoffverwertung

?£. » H^JIaZ. 100=1^2. =34,7^

Die Ergebnisse waren: ·

Produktivität nach der Biomasse 4,9kgt~¹-h~¹

Spezifischer Sauerstoffverbrauch 1,84kg O₂/kg HTS

Spezifische Wärmebildung 4800 kcal/kg HTS

Beispiel 3

Hefen, Candida guilliermondii, wurden analog zu Beispiel 1 kultiviert.

Der Unterschied bestand darin, daß die Geschwindigkeit der Luftzufuhr y = 1200Nl³ · h~\ die Geschwindigkeit des Fiüssigkeitsstromes F = 4,0kg · h"¹ und die DurchflUßrate D = 0,25h~¹ betrugen.

Dabei war das Verhältnis der Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes

«300

Der O₂-Gehalt der Abluft CO_2111111001, lag bei 15,2% und der Grad der Sauerstoffverwertung betrug

— ^ '" AÖÖ

27,6 *

21 21

Die Ergebnisse waren:

Produktivität nach der Biomasse 3,8kgt~¹ · h~¹

Spezifischer Sauerstoffverbrauch 1,83kgO₂/kgHTS

Spezifische Wärmebildung 5000kcal/kgHTS

Beispiel 4 <

Hefen, Candida salmonicola, wurden analog zu Beispiel 3 kultiviert.

Der Unterschied bestand darin, daß die Geschwindigkeit der Luftzufuhr y = 1000 Nl · h~¹ betrug.

F 4,0

O₂-Gehalt der Abluft CO_2toteld = 15,7% Grad der Sauerstoffverwertung

	loo - ^l .	100	β 25
	21
21	i[95kgO₂/kgHTS 5300kcal/kgJHTS
Die Ergebnisse wären: Produktivität nach der Biomasse Spezifischer Sauerstoffverbrauch Spezifische Wärmebildung

Hefen Candida salmonicola, wurden analog zum Beispiel 4 kultiviert.

Der Unterschied bestand darin, daß die Geschwindigkeit der Luftzufuhr γ = 720Nl · h"~¹ betrug.

Dabei war das Verhältnis der Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Geschwindigkeit des Fiüssigkeitsstromes

•^y . 720 _ .ο

der O₂-Gehalt der Abluft CO₂„_uftnJ = 13,1 % und der Grad des Sauerstoffverbrauches

21 21

ιοο a-Ial _β too β 37_$5

-5- £49 OUO

Die Ergebnisse waren: ,

Produktivität nach der Biomasse 2,05kgt~¹-h"¹

Spezifischer Sauerstoffverbrauch 2,48 kg O₂/kg HTS ' · · .

Spezfische Wärmebildung 6000 kcal/kg HTS

Beispiel 6

Hefen, Candida guilliermondii, wurden analog zu Beispiel 1 kultiviert.

Der Unterschied bestand darin, daß die Geschwindigkeit der Luftzufuhr y = 2600 Nl h"¹ betrug, die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes durch den Fermentor F = 4,0kg · h"¹, die Durchflußrate D = 0,25h"¹.

Dabei war das Verhältnis der Geschwindigkeit der Luftzufuhr und der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes

	2600	- 650	21 - Vi	'τ¹	% und der Grad des Sauerstoffverbrauches
	as IH..I-I.» i		- 21		100 β £*2 „ 100 « 18,5 21
ρ	4	der 0₂-Gehalt in der Abluft C0₂,„_taa = 17,1

V

Die Ergebnisse waren:

Produktivität nach der Biomasse 3,5kg-t~¹-h"¹ , *

Spezifischer Sauerstoffverbrauch 2,58 kg O₂/kg HTS

Spezifische Wärmebildung 6 500 kcal/kg.

Auf diese Weise verringert sich nach dem vorgeschlagenen Verfahren der spezifische Sauerstoffverbrauch bis auf einen Wert kleiner 2,0 kg/kg HTS, das bedeutet, daß der Sauerstoffverbrauch reichlich 20% niedriger liegt als bei bekannten Verfahren. Die spezifische Wärmebildung überschreitet 5 500 kcal/kg HTS nicht; damit liegt der Wert 10-15% unter dem der bekannten Verfahren.

Claims

Erfindungsanspruch:

Verfahren zur kontinuierlichen aeroben Kultivierung von Hefen auf Erdöldestillaten und einem Nährmedium, das die notwendigen mineralischen Nährstoffquellen enthält, gekennzeichnet dadurch, daß die Geschwindigkeit der Luftzufuhr nach der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums durch den Fermentor reguliert wird, wobei ein Verhältnis von Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Strömungsgeschwindigkeit in den Grenzen von 250-600Nm³ auf 11 Flüssigkeit, ein Sauerstoffgehalt in der Abluft in den Grenzen von 13,5-17,0% und ein Grad der Sauerstoffausnutzung in den Grenzen von 20-35% eingehalten wird.