DD248930A3 - Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen, welches zur Gewinnung mikrobieller Biomasse angewandt werden kann. Erfindungsgemaess werden zwei Kultivierungsstufen ueber eine Abtoetungsstufe miteinander verbunden, wodurch man eine Mikroorganismensuspension nach der zweiten Kultivierungsstufe erhaelt, die 6 bis 13 Ma.-% Biomassetrockensubstanz aufweist. Diese Suspension kann anschliessend nach bekannten Verfahren getrocknet werden.

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß bei der Kultivierung von Mikroorganismen Suspensionen entstehen, deren Konzentrierung große Schwierigkeiten bereitet bzw. ökonomisch sehr aufwendig ist. Die Ursache hierfür liegt in den Besonderheiten der Mikroorganismen, wie z. B. geringe Teilchengröße, geringer Dichteunterschied zum Wasser, Absonderung schleimartiger Substanzen und Variation der Morphologie.

So ist ein Verfahren bekannt, DT-OS 27 21 226, bei dem eine Konzentrierung der Mikroorganismen dadurch erreicht wird, daß man die Mikroorganismen zusammen mit einem Filterhilfsmittel kultiviert, anschließend eine Fest-flüssig-Trennung mittels Filtration durchführt und die abgetrennte Biomasse in den Fermentor zurückführt. Das Verfahren hat den Nachteil, daß die Mikroorganismen im Verlauf der Filtration ungünstigen Bedingungen ausgesetzt sind und somit bei der Rückführung in den Fermentor nicht sofort ihre ursprüngliche Aktivität aufweisen. Außerdem ist bekannt, daß sich die Filtration technisch schwer realisieren läßt, da Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, schleimartige Substanzen absondern und so den Durchsatz drastisch reduzieren. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei dieser Verfahrensweise Abwasser entsteht, dessen Beseitigung die Ökonomie des Verfahrens belastet.

Weiter ist ein Verfahren bekannt, GB 1 563392, bei dem eine Konzentrierung von Mikroorganismen dadurch erreicht wird, daß in einem Außenkreislauf des Fermentors ein Teil der Mikroorganismen durch Formaldehyd abgetötet wird und die Suspension, die tote und lebende Zellen η ebenein ander enth alt, einer Trennstufe zugeführt wird, deren Teilströme da η ach die Mikroorganismen in einer Konzentration von 20 Ma.-% bzw. 0 Ma.-% enthalten. Diese Verfahrensweise hat den Nachteil, daß eine derartige Konzentrierung nur mit einem großen apparativen Aufwand erreicht werden kann, was das Verfahren ökonomisch belastet. Außerdem ist eine Konzentrierung von Mikroorganismen dann wesentlich schwieriger, wenn sich diese in ihren Eigenschaften (tot/lebendig) drastisch unterscheiden. Das Verfahren hat weiter den Nachteil, daß die zur Konzentrierung der Mikroorganismen eingesetzten Hilfsmittel nicht im gesamten Umfang anschließend in der Kultivierung genutzt werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Verringerung des Aufwandes an Apparatur und Energie zur Konzentrierung von Mikroorganismen, eine Reduzierung der Volumenströme und Vermeidung von Abwasser.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine spezielle Verknüpfung von Kultivierungsstufen eine Konzentrierung von Mikroorganismen zu bewirken.

.,•Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Kultivierungsstufen über eine Abtötungsstufe verbunden werden. Die Verfahrensweise ist im einzelnen folgende. Man kultiviert Mikroorganismen in bekannter Art und Weise und erhält eine Mikroorganismensuspension S₁ mit einer Konzentration X₁ (erste Kultivierungsstufe). Der Begriff Stufe soll bedeuten, daß es sich um eine Kultivierung mit einem Fermentor oder mehreren Fermentoren handeln kann. Die erhaltene Mikroprganismensuspension wird anschließend einer Abtötungsstufe zugeführt. In dieser werden die Mikroorganismen mit Hilfe üblicher Verfahren, beispielsweise durch Behandlung mit chemischen Substanzen, thermischer Energie oder elektromagnetischer Strahlung abgetötet. Danach dosiert man die so behandelte Suspension in eine zweite Kultivierungsstufe und kultiviert Mikroorganismen in bekannter Art und Weise, so daß eine Mikroorganismensuspension S₂ erhalten wird, deren mikrobielle Biomasse sich aus den abgetöteten Mikroorganismen der ersten Kultivierungsstufe und den in der zweiten Kultivierungsstufe gezüchteten lebenden Mikroorganismen zusammensetzt. Die Konzentration dieser Mikroorganismensuspension sollte im Bereich von 6 bis 13 Ma.-% liegen (X₂). Die auf diese Art und Weise erhaltene Suspension wird anschließend direkt einer Trocknungsstufe (Verdampfer, Sprühtrockner, Wirbelschichttrockner) zugeführt und getrocknet. In speziellen Fällen kann vor derTrochnungsstufe noch Wasser abgetrennt werden, das dann jedoch in die Kultivierung zurückgeführt wird.

Außer der Trocknung kann die Mikroorganismensuspension auch einer direkten Verwertung, beispielsweise einer Flüssigverfütterung zugeführt werden

In den nachfolgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Bezeichnung MB 58 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 201 eingesetzt wurden (Fig. 1). Durch Regelung wurde in Fermentor 1 und Fermentor 2 die Temperatur bei 33⁰C und der pH-Wert auf 4,1 gehalten. Über die Zuleitungen 5, 6 und 7 erfolgte eine Dosierung von Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser, während die Luft über die Zuleitung 8 eingetragen wurde. Der Gesamtzulauf zu Fermentor 1 betrug 1,33kg/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,133h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen erhielt man eine Produktivität von 8g Bakterienbiomasse/ kg h, wobei der Fermentorablauf des Fermentors 1 eine Bakterienkonzentration von 6,0 Ma.-% aufwies. Dieser Fermentorablauf wurde anschließend über Zuleitung 9 der Abtötungsstufe 3 zugeführt, wo die Bakterien bei einer Temperatur von 85⁰C abgetötet wurden. Die Abtötungsstufe bestand aus zwei Wärmetauschern. Danach wurde die so behandelte Bakteriensuspension über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2 dosiert, zusammen mit Methanol und Nährsalzlösung über die Zuleitungen 5 und 6. Der Gesamtzulauf für den Fermentor 2 betrug 1,6 kg/h, was einer Verdünnungsrate vonD = 0,16h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 7,1 g Bakterienbiomasse / kg h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf des Fermentors 2 auf 9,45 Ma.-% erhöhte. Über die Zuleitung 11 gelangte der Fermentorablauf in die Trockenstufe 4, wo eine Trocknung bei 11O⁰C durchgeführt wurde. Das Trockenprodukt 12 hatte danach einen Feuchtigkeitsgehalt von 9,6Ma.-%. Der Gesamtausstoß betrug 151 g Bakterientrockenmasse/h. Über die Leitung 13 wurde Wasserdampf abgeführt. Im Vergleichsversuch wurden die zwei Fermentoren unter gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß von 151 g Bakterientrockenmasse/h wies die Bakteriensuspension nur eine Konzentration von 5,1 Ma.-%auf, so daß der Trockenstufe ein wesentlich größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte bzw. Trennstufen zur Konzentrationserhöhung dazwischen geschaltet werden mußten.

Beispiel 2

Es wurden kontinuierlich Hefen der Art C. utilis auf der Basis von Melasse in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 2Ol und einem Füllvolumen von je 10kg eingesetzt wurden. Durch Regelung wurde in den Fermentoren die Temperatur bei 34°C und der pH-Wert bei 4,5 gehalten (s. Fig. 4). Über die Zuleitungen 7,15 und 22 erfolgte eine Dosierung von Frischwasser, Nährsalzlösung und Melasselösung, während die Luft über die Zuleitung 8 eingetragen wurde. Der Gesamtzulauf zu Fermentor 1 betrug 2,2 kg/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,22 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen erhielt man eine Produktivität von 6,6g Hefebiomasse / kg h, wobei der Fermentorablauf eine Biomassekonzentration von 3 Ma.-% aufwies.

Dieser Fermentorablauf wurde anschließend über die Zuleitung 9 der Abtötungsstufe 3 zugeführt, wo die Hefezellen bei einer Temperatur von 75°C abgetötet wurden. Danach wurde die so behandelte Hefesuspension über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2 dosiert. Gleichzeitig erfolgte eine Dosierung von Melasse- und Nährsalzlösung über die Zuleitungen 22 und 15. Der Gesamtzulauf zum Fermentor 2 betrug 2,7 kg/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,27 h~¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 4,1 g Hefebiomasse / kg h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf auf 4Ma.-% erhöhte.

Der auf diese Art und Weise erhaltene Fermentorablauf wurde anschließend in einen Autoklaven dosiert, bei 120⁰C behandelt und nach Abkühlung sofort einer Flüssigverfütterung zugeführt.

Beispiel 3

Es wurden kontinuierlich Hefen der Art C. utilis auf der Basis von Saccharose in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 2Ol und mit einer Füllmasse von je 10 kg eingesetzt wurden (s. Fig. 5). Durch Regelung wurde im Fermentor 1 und 2 die Temperatur bei 34°C und der pH-Wert bei 4,5 gehalten. Über die Zuleitungen 7, 15 und 23 erfolgte eine Dosierung von Frischwasser, Nährsalzlösung und Saccharoselösung, während die Luft über die Zuleitung 8 eingetragen wurde. Der Gesamtzulauf zu Fermentor 1 betrug 1,8 kg/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,18 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 19,5g Hefebiomasse/ kg h erzielt, wobei der Fermentorablauf eine Biomassekonzentration von 10,8Ma.-% aufwies.

Dieser Fermentorablauf wurde anschließend über die Zuleitung 9 der Abtötungsstufe 3 zugeführt, wo die Hefezellen bei einer Temperatur von 75⁰C abgetötet wurden. Danach wurde die so behandelte Hefesuspension über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2 dosiert. Gleichzeitig erfolgte eine Dosierung von Nährsalzlösung und Saccharoselösung über die Zuleitungen 15 und 23. Der Gesamtzulauf zum Fermentor 2 betrug 2,8kg/h, was einer Verdünnungsrate von 0,28 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 19,5g Hefebiomasse / kg h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf auf 13,9 Ma.-% erhöhte. Über die Zuleitung 11 gelangte der Fermentorablauf in die Trockenstufe 4, wo eine Eindampfung und Trocknung erfolgte. Das Trockenprodukt hatte danach einen Feuchtigkeitsgehalt von 9,3Ma.-%. Der Gesamtausstoß betrug 390g Hefetrockenmasse/h. Über die Leitung 13 wurde Wasserdampf abgeführt. Im Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren unter den genannten Bedingungen parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß wies die Hefesuspension nur eine Konzentration von 9,8Ma.-% auf, so daß der Trockenstufe ein größeres Volumen zugeführt werden mußte.

Beispiel 4

In einem zweistufigen Fermentationssystem (s. Fig.6), bestehend aus den Druckfermentoren 1 und 2 mit einem Bruttovolumen von je 121 und 4,5kg Masseinhalt, wurde unter kontinuierlichen Bedingungen die methanutilisierende Kultur der Bezeichnung GB 25 bei einem pH-Wert von 5,7 und einer Temperatur von 37°C kultiviert. In den Fermentor 1 wurden über die Zuleitungen 6 und 7 Nährsalzlösung und Frischwasser dosiert, sowie Luft und Methan über die Leitungen 8 und 24 eingeleitet. Im Fermentor 1 wurde bei einer Verdünnungsrate D = 0,167 h"¹ eine Produktivität von 8 g Bakterienbiomasse / kg h erreicht. Das

Fermentationsmedium, das eine Biomassekonzentration von 4,8 Ma.-% aufwies, wurde über die Leitung 9 der Abtötungsstufe 3 zugeführt und dort bei einer Temperatur von 8O⁰C abgetötet. Die Bakteriensuspension wurde anschließend in den Fermentor2 gepumpt, der unter denselben Bedingungen wie Fermentor 1 betrieben wurde. Durch Zuspeisung von Nährsalzlösung über Zuleitung 6 erhöhte sich die Verdünnungsrate auf D = 0,169rT¹, so daß nach dem Erreichen der Produktivität von 8g Bakterienbiomasse / kg h eine Biomassesuspension mit einer Konzentration von 9,4Ma.-% über die Leitung 11 in die Trockenstufe 4 gelangte. Die Trocknung erfolgte bei 105°C. Über die Leitung 12 konnten 78,7 g Bakterientrockensubstanz/h mit einer Restfeuchte von 8,6Ma.-% abgezogen werden. Das verdampfte Wasser wurde über Leitung 13 abgeleitet. In einem Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren unter den genannten Bedingungen parallel betrieben. Der unter diesen Bedingungen erhaltene Fermentorablauf hatte jedoch nur eine Konzenträtin von 48g Bakterienbiomasse/I.

Beispiel 5

In einem zweistufigen Fermentationssystem, bestehend aus den Druckfermentoren 1 und 2, wurden auf der Basis von Kohlehydraten Hefen der Art C. utilis bzw. Bakterien der Gattung Brevibakterium gezüchtet. Der Fermentor 1 hatte ein Bruttovolumen von 10l und eine Füllmasse von 5kg. Die Kultivierung der Hefe C. utilis wurde bei einer Temperatur von 34°C und einem pH-Wert von 4,5 durchgeführt. Über die Zuleitungen 7,15 und 22 wurden kontinuierlich Frischwasser, Nährsalzlösung und Melasse dosiert, während Luft über die Zuleitung 8 eingetragen wurde. Der Gesamtzulauf zu Fermentor 1 betrug 1,0 kg/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,2 h~¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen erhielt man eine Produktivität von 10g Hefebiomasse/ kg h. Der Fermentorablauf aus Fermentor 1, dereine Hefekonzentration von 5 Ma.-% aufwies, wurde anschließend über die Leitung 9 der Abtötungsstufe 3 zugeführt, die aus einem Autoklaven bestand. Die thermische Abtötung der Hefezellen erfolgte bei einer Temperatur von 125°C. Der so behandelte Fermentorablauf wurde nach einer Abkühlung über die Leitung 10 der zweiten Fermentationsstufe zugeführt, die aus drei diskontinuierlich betriebenen Sterilfermentoren 2 von je 5Ol Bruttovolumen bestand. Die Sterilfermentoren 2 wurden alternierend in Zeitabständen von je 24 Stunden mit jeweils 24kg Ablauf aus der Abtötungsstufe 3 befüllt, wobei gleichzeitig über die Leitungen 6 und 23 Nährsalzlösung und Saccharose dosiert wurde. Die zugefügte Saccharosemenge betrug jeweils 1,5kg. Danach wurde mit einer Bakterienkultur der Gattung Brevibakterium beimpft, die in einer 24stündigen Vorkultivierung hergestellt worden war. Die Kultivierung in den Fermentoren 2 erfolgte bei einer Temperatur von 30°C und einem pH-Wert von 6,9. Belüftet wurde über die Zuleitung 8. Unter diesen Bedingungen erhielt man nach einer Kultivierungsdauer von 64 bis 70 Stunden eine Konzentration von 1,5Ma.-% Bakterienbiomasse. Die Gesamtkonzentration an mikrobieller Biomasse erhöhte sich damit auf 5,6Ma.-%. Der Fermentorinhalt der Fermentoren 2 wurde da nach über die Leitung 11 der Trockenstufe 4 zu geführt und bei.110°C getrocknet. Das Trockenprodukt enthielt neben der mikrowellen Biomasse noch aus der wäßrigen Phase aufgetrocknetes Lysin.

Beispiel 6

In einem zweistufigen Fermentationssystem/bestehend aus den Druckfermentoren 1 und 2, wurden auf der Basis von Kohlehydraten Hefen der Art C. utilis bzw. Bakterien der Gattung Corynebacterium gezüchtet. Der Fermentor 1 hatte ein Bruttovolumen von 101 und eine Füllmasse von 5 kg. Die Kultivierung der Hefe C. utilis wurde bei einer Temperatur von 34°C und einem pH-Wert von 4,5 durchgeführt. Über die Zuleitungen 15 und 22 wurden kontinuierlich Nährsalzlösung und Melasse dosiert, während die Luft über die Leitung 8 eingetragen wurde. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 18 Rückführwasser aus der Trennstufe 17 zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 1 kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von 0,2 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 10g Hefebiomasse / kg h erzielt. Der Fermentorablauf des Fermentors 1 wurde über die Zuleitung 16 in die Trennstufe 17 dosiert und mittels Separation in zwei Masseströme getrennt. Die mit Hefe angereicherte Phase wurde in einer Menge von 0,6kg/h bei einer Hefekonzentration von 8,3 Ma.-% über die Zuleitung 19 der Abtötungsstufe 3 zugeführt. In der Abtötungsstufe, die aus einem Autoklaven bestand, wurde der gesammelte Fermentorablauf von 40 Stunden bei einer Temperatur von 125°C behandelt. Dieser Fermentorablauf wurde nach Abkühlung auf 30⁰C über Leitung 10 der zweiten Fermentationsstufe zugeführt, die aus zwei diskontinuierlich betriebenen Sterilfermentoren von je 5Ol Bruttovolumen bestand. Die zwei Sterilfermentoren 2 wurden alternierend in Zeitabständen von je 40 Stunden mit jeweils 24kg Ablauf aus der Abtötungsstufe 3 sowie mit Nährsalzlösung und Saccharose über die Leitungen 6 und 23 befüllt. Die dosierte Saccharosemenge betrug jeweils 2,4kg. Die Beimpfung der Fermentoren erfolgte mit einer Bakterienkultur der Gattung Corynebacterium, die einer Vorkultivation entstammte. Die Kultivierung in den Fermentoren 2 erfolgte bei einer Temperatur von 3O⁰C und einem pH-Wert von 6,8. Über die Zuleitung 8 wurde Luft eingetragen. Unter diesen Bedingungen wurde nach einer Kultivierungsdauer von 72 Stunden eine Bakterienkonzentration von 2,3 Ma.-% erreicht. Damit erhöhte sich die gesamte Biomassekonzentration auf 9,1 Ma.-%. Der Fermentorinhalt wurde anschließend über die Leitung 11 der Trockenstufe 4 zugeführt und bei 11O⁰C getrocknet. Das Trockenprodukt enthielt neben der Hefe- und Bakterienbiomasse noch aus der wäßrigen Phase aufgetrocknetes Lysin.

Claims (1)

1. Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen, gekennzeichnet dadurch, daß man die Mikroorganismen in zwei Stufen kultiviert, derart, daß der Fermentorablauf der ersten Kultivierungsstufe in eine zweite Kultivierungsstufe dosiert wird, wobei vorher die Mikroorganismen abgetötet werden.

   Hierzu 6 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Ei-findung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen und kann zur Gewinnung mikrobieller Biomasse angewandt werden.

   Die Erfindung ist in die IPK C 12 N einzuordnen.