DD248931A3

DD248931A3 - Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DD248931A3
Authority: DD
Publication date: 1987-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen. Ziel der Erfindung ist eine Verringerung des Aufwandes an Hilfsmitteln zur Konzentrierung von Mikroorganismen, eine Reduzierung der Volumenstroeme und eine Vermeidung von Abwasser. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass eine Trennstufe als Verteiler mit zwei Kultivierungsstufen verbunden wird, wobei durch die spezielle Verknuepfung die zweite Kultivierungsstufe keine Rueckkoppelung mit der ersten Kultivierungsstufe hat. Als Trennverfahren werden solche Verfahren eingesetzt, bei denen die Mikroorganismen gleichzeitig abgetoetet werden. Die aus der zweiten Kultivierungsstufe erhaltene Mikrooganismensuspension, derren Biomassekonzentration im Bereich von 7 bis 13 Ma.-% liegt, wird anschliessend in bekannter Art und Weise getrocknet. Bei dieser Verfahrensweise faellt kein Abwasser an.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

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

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, Absonderungen schleimartiger Substanzen und Variation der Morphologie.

So ist ein Verfahren bekannt, DT-OS 2721 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 einer Rückführung in den Fermentor nicht sofort die 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 nebeneinander enthält, einer Trennstufe zugeführt wird, deren Teilströme danach die Mikroorganismen in einer Konzentration von 20 Ma.-% bzw. 0 Ma.-% enthalten. Diese Verfahrensweise hat den Nachteil, daß eine derartige Konzentration nur mit großem apparativem Aufwand erreicht werden kann, was das Verfahren ökonomisch belastet. Außerdem ist eine Konzentrierung von Mikroorganismen 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 Hilfsmitteln zur Konzentration von Mikroorganismen, eine Reduzierung der Volumenströme und eine Vermeidung von Abwasser.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Trennstufe mit zwei Kultivierungsstufen verbunden wird, wobei durch die spezielle Art der Verknüpfung die zweite Kultivierungsstufe keine Rückkopplung (bezüglich der Mikroorganismen) zur ersten Kultivierungsstufe hat. Die Trennstufe hat in dieser Verbindung die Funktion eines Verteilers. Die Verfahrensweise ist im einzelnen folgende:

Man kultiviert in der ersten Kultivierungsstufe Mikroorganismen in bekannter Art und Weise und erhält eine Mikroorganismensuspension S₀ mit einer Konzentration X₀. Der Begriff Stufe soll bedeuten, daß es sich um eine Kultivierung mit einem Fermentor oder mehreren Fermentoren handelt. Die erhaltene Mikroorganismensuspension wird anschließend einer Trennstufe zugeführt. Dort erfolgt nach speziellen Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eine Aufspaltung des Stoffstromes S₀ in einen Stoffstrom S₂ mit einer Mikroorganismenkonzentration X₂ und einen Stoffstrom S₁ mit einer Mikroorganismenkonzentration X₁. Man führt die Fest-Flüssig-Trennung so durch, daß

— der Teilstrom S₂ mindestens 80 Ma.-% der Mikroorganismen enthält und

— die Mikroorganismenkonzentration X₂ im Bereich von 4 bis 10Ma.-% liegt.

Die nach den dargelegten Kriterien erhaltenen Stoffströme werden den entsprechenden Kultivierungsstufen zugeführt:

— der Teilstrom S₁ in die erste Kultivierungsstufe

— der Teilstrom S₂ in die zweite Kultivierungstufe.

Zur Verknüpfung der beiden Kultivierungsstufen werden als Trennverfahren nur solche Verfahren angewandt, bei denen gleichzeitig eine Abtötung der Mikroorganismen erfolgt. Damit erreicht man, daß die Mikroorganismenbiomasse der ersten Kultivierungsstufe als inerter Feststoff in der zweiten Kultivierungsstufe vorliegt. Trennverfahren, die diese Bedingung erfüllen, sind beispielsweise alle Trennverfahren, die auf einer Koagulation der Mikroorganismen basieren. In der zweiten Kultivierungsstufe werden erneut Mikroorganismen in bekannter Art und Weise kultiviert. Die zweite Kultivierungsstufe unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß infolge der Konzentrierung der Mikroorganismen in der Trennstufe eine größere Mikroorganismenkonzentration vorliegt, die durch die Kultivierung in dieser Stufe weiter erhöht wird, so daß daraus schließlich eine Gesamtkonzentration X₃ resultiert, die im Bereich von 7 bis 13 Ma.-% Hegen soll. Die in der zweiten Kultivierungsstufe erhaltene Suspension wird anschließend einer Trocknungsstufe, beispielsweise einem Verdampfer, Sprühtrockner oder einer Wirbeischichtgranulation, zugeführt. In speziellen Fällen kann die in der zweiten Kultivierungsstufe erhaltene Mikroorganismensuspension einer direkten Verwertung zugeführt werden, z. B. einer FJüssigverfütterung. In speziellen Ausführungsformen des Verfahrens können sich die Kultivierungsstufen außer in der Mikroorganismenkonzentration noch dahingehend unterscheiden, daß verschiedene Mikroorganismen und/oder Kohlenstoffquellen in den einzelnen Stufen vorliegen

In den folgenden Beispielen wird das Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Art MB 53 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen (Fig. 1) kultiviert, wobei die erste Stufe aus zwei Fermentoren 1 und die zweite Stufe aus einem Fermentor 2 bestand. Es handelte sich dabei um Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von je 10 Liter. In allen Fermentoren betrug die Temperatur 38°C, der pH-Wert wurde durch Regelung auf einem Wert von 6,8 gehalten und die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 5. Über die Zuleitungen 6, 7 und 8 wurden Frischwasser, Methanol und Nährsalzlösung dosiert. Weiterhin wurde den Fermentoren 1 über die Zu leitung 9 je Fermentor 615 g Rückführwasser/h aus der Trennstufe 4 zugeführt, so daß der Gesamtzulauf je Fermentor 1 1,1 kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von D = 0,22h~¹ entsprach. Das Rückführwasser enthielt koagulierte Bakterienbiomasse in einer Konzentration von 6,5g/kg und außerdem 3,5g H₃PO₄/kg.

Unter diesen Bedingungen wurden in beiden Fermentoren 1 Produktivitäten von 8,2g Bakterientrockenmasse/kg h sowie Biomassekonzentrationen von 37,3g Bakterientrockenmasse/kg erreicht. Der gesamte Fermentorablauf wurde anschließend über die Zuleitung 11 in die Koagulationsstufe 3 dosiert. Hier erfolgte eine Vermischung mit Natronwasserglas (20 Ma.-% SiO₂) über die Zuleitung 17, wobei 14,2g Natronwasserglas/h eingesetzt wurden. Danach erfolgte eine Erwärmung auf 80⁰C und eine Vermischung mit 6g H₃PO₄Zh über die Zuleitung 12.

Die so koagulierte Bakteriensuspension wurde anschließend über die Zuleitung 19 der Trennstufe 4 zugeführt und durch Separation so aufgeteilt, daß 56Ma.-% der Suspension über die Zuleitungen 9 den Fermentoren 1 und 44Ma.-% der ursprünglichen Suspension mit einer Biomassekonzentration von 84g/kg und einer Phosphorsäurekonzentration von 2,1 g/kg in einer Menge von 976g/h über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2 dosiert wurden. Gleichzeitig wurden noch Mehtanol und Nährsalzlösungen über die Zuleitungen 7 und 8 zudosiert, so daß die Verdünnungsrate im Fermentor 2 ebenfalls-D = 0,22h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 7,6g Bakterientrockenmasse/kg · h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf auf 10,9 Ma.-% erhöhte. Dieser Fermentorablauf wurde über die Zuleitung 13 der Trockenstufe 14 zugeführt und somit ein Trockenprodukt 15 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 10Ma.-% erhalten. Gleichzeitig fiel über die Leitung 16 Wasserdampf an. Der Gesamtausstoß an Trockenprodukt 15 betrug 0,12 kg/h. Im Vergleichsversuch wurden die drei Fermentoren mit den gleichen Mengen an Rohstoffen, aber in paralleler Fahrweise betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß von 0,12kg Bakterienbiomasse/h wurde dabei jedoch die doppelte Menge an Phosphorsäure benötigt; dieser Säureanteil könnte zwar durch eine billigere Säure, beispielsweise Schwefelsäure, ersetzt werden, was aber zu einem höheren Salzgehalt in der Suspension führen würde, der sowohl für die Biomasse als auch für das dabei anfallende Abwasser nachteilig wäre. Weiterhin enthält die Bakteriensuspension bei dieser Betriebsweise nur 8,4Ma.-% Bakterientrockenmasse, so daß demzufolge sowohl der Trennvorrichtung als auch der Trockenstufe größere Volumenströme zugeführt werden müssen.

Beispiel 2

In einem Labordruckfermentor mit einer Füllmasse von 4,45 kg wurde die neutrophile Bakterienkultur MB 53 auf der Basis von Methanol im kontinuierlichen Prozeß bei einer Verdünnungsrate von D = 0,33 h"¹, einem pH-Wert von 6,9 und einer Temperatur von 38°C gezüchtet. Erfindunqsaemäß wurden dem Fermentor 1 (Fia.2) über die Zuleitnnn 9 SRI n/h Hp^ in HprTronnctnfo λ

erzeugten biomassearmen Rückführwassers zugeführt, das bereits die gesamte für die Kultivierung im Fermentor 1 benötigte Phosphorsäuremenge enthielt. Außerdem wurden dem Fermentor 1 überdieZuleitungen6,7und8 Frischwasser, Methanol und Nährsalzlösung zudosiert; die Zuleitung 5 diente der Belüftung des Fermentors. Die über die Leitung 11 ablaufende Biomassensuspension hatte eine Konzentration von 32,5g Bakterientrockenmasse/kg.

Anschließend wurde der Fermentorablauf in einer Menge von 1,478 kg/h über die Zuleitung 11 in die Koagulationsstufe dosiert, wo eine Erwärmung auf 80 °C und eine Vermischung mit 4,22 g H₃PO₄/h erfolgte. Die Phosphorsäure wurde über die Zu leitung 12 dosiert.

Danach wurde die koagulierte Bakteriensuspension über die Zuleitung 19 der Trennstufe 4 zugeführt. Hier wurde der Massenstrom mit Hilfe der Sedimentation in einen aufkonzentrierten Teil und in einen dementsprechend abgereicherten Teil aufgeteilt. DeraufkonzentrierteTeil derkoagolierten Bakteriensuspension wurde über die Leitung 10 in einer Menge von 522 g/h undmit einer Biomassekonzentration von 86,2 g Bakterientrockenmasse/kg in den Labordruckfermentor 2 dosiert. Dieser Teil' enthielt bereits die entsprechende Phosphorsäuremenge, die zur Züchtung von weiteren 24,3g Bakterientrockenmasse/kg erforderlich war. Außerdem wurden dem Fermentor 2 über die Zuleitungen 6,7 und 8 Frischwasser, Methanol und Nährsalzlösung zudosiert; die Zuleitung 5 diente der Belüftung des Fermentors. Bei einer Verdünnungsrate von D = 0,142 h"¹ lag die Produktivität im Fermenten 2 bei 5,44g Bakterientrockenmasse/kg h, so daß im Fermentorablauf von 634g/h eine Biomassekonzentration von 10,9Ma.-% vorlag.

Über die Zuleitung 13 wurde der Fermentorablauf der Trockenstufe 14 zugeführt, aus der das Trockenprodukt 15 mit einem Wassergehalt von 8,2Ma.-% sowie Wasserdampf über die Leitung 16 erhalten wurde.

Bei dieser Verfahrensweise ergibt sich gegenüber einem parallelen Betrieb beider Fermentoren bei vergleichbarem Biomasseausstoß eine Verringerung der zur Trockenstufe geführten Volumenströme von 2,1 l/h auf 0,63 l/h. Wird bei parallelem Betrieb eine entsprechende Trennung durchgeführt (Koagulation/Sedimentation), so erhöht sich der Phosphorsäureverbrauch auf den doppelten Wert, und es entstehen 1,37 l/h Abwasser. Die der Trockenstufe zu geführte Menge an Suspension vergrößert sich in diesem Falle um 20%.

Beispiel 3

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Art MB 53 auf der Basis von Methanol und Hefen der Art Candida utilisauf der Basis von Ethanol in zwei Stufen kultiviert (Fig.3), wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 20 bzw. 101 eingesetzt wurden. Im Fermentor 1, in den die Bakterien MB 53 auf der Basis von Methanol gezüchtet wurden, betrug der Masseinhalt 10 kg. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 5; durch Regelung wurde die Temperatur auf 37°C und der pH-Wert auf 7,0 gehalten. Über die Zuleitungen 6, 7 und 8 wurden dem Fermentor 1 Frischwasser, Methanol und Nährsalzlösung zudosiert. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 9 Rückführwasser aus derTrennstufe4in einerMengevon1,1 kg/h zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 2,2kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von D = 0,22 h"¹ entsprach. Dieses Rückführwasser enthielt 3,9g H₃PO4/kg. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 8,2g Bakterientrockenmasse/kg · h erreicht, entsprechend einer Bakterienkonzentration von 4,1 Ma.-%. '

Dieser Fermentatorablauf wurde über die Zuleitung 11 der Koagulationsstufe 3 zugeführt, auf 80⁰C erwärmt und anschließend durch Zufügen von 6,7 g H₃PO₄Zh über die Zuleitung 12 koaguliert. Die koagulierte Suspension wurde über die Zuleitung 19 in die Trennstufe 4 dosiert. Hier erfolgte eine Trennung und Aufkonzentrierung auf der Basis der Sedimentation. Die obere, biomassearme Phase wurde über die Zuleitung 9 in den Fermentor 1 zurückgeführt, während die untere Phase, die ca. 91 Ma.-% der ursprünglich vorliegenden Bakterienbiomasse in einer Konzentration von 7,4Ma.-% enthielt, über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2 dosiert wurde. Die in den Fermentor 2 dosierte Menge betrug 1,1 kg/h; in diesem Teil der Suspension befanden sich außerdem 2,5g H₃PO₄/kg.

Im Fermentor 2 wurde die Hefekultur Candida utilis auf der Basis von Ethanol kultiviert, wobei die Temperatur durch Regelung auf 34°C und der pH-Wert auf 4,5 gehalten wurden. Außerdem wurden über die Zuleitungen 18 und 20 Ethanol und "Nährsalzlösung in den Fermentor 2 dosiert; die Zuleitung 5 diente der Belüftung. Die Verdünnungsrate betrug D = 0,25h"¹. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 10g Hefetrockensubstanz/kg · h realisiert. Der Fermentorablauf enthielt somit eine mikrobielle Biomassekonzentration von 10,7Ma.-% und wurde anschließend über die Zuleitung 13 der Trocknungsstufe 14 zugeführt. Auf diese Art und Weise wurde ein Trockenprodukt 15 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 6,2 Ma.-% erhalten; gleichzeitig fiel über die Leitung 16 Wasserdampf an. Der Gesamtausstoß an Trockenprodukt betrug 0,14kg/h.

Im Vergleichsversuch wurden die zwei Fermentoren mit den gleichen Mengen an Rohstoffen, aber in paralleler Fahrweise betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß von 0,14g/kg lag der Verbrauch an Phosphorsäure jedoch um 45% höher. Aufgrund der geringeren Biomassekonzentration bei paralleler Betriebsweise und aufgrund des Umstandes, daß die Hefen nicht koagulieren und demzufolge nicht mit Hilfe der Sedimentation abgetrennt werden können, sind verschiedene Trennverfahren erforderlich und liegen größeren Volumenströme vor.

Beispiel 4

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Art MB58 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von je 20I eingesetzt wurden. In beiden Fermentoren betrug die Temperatur 33⁰C, derpH-Wert4,0 und die Belüftung erfolgte überdie Zuleitung 5. In dem Fermentor 1 wurde über die Zuleitungen 6,7 und 8 Frischwasser, Methanol und Nährsalzlösung dosiert. Außerdem wurde dem Fermentor 1 in einer Menge von 600g/h ein Rückführwasser aus den Trennstufen 4 zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 1,4kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von 0,14h"¹ entsprach. Dieses Rückführwasser enthielt Bakterienbiomasse in einer Konzentration von 8g/kg. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 5,6g Bakterienbiomasse/kg h erreicht. Der Fermentorablauf, der eine Biomassekonzentration von 4,4Ma.-% aufwies, wurde anschließend über die Zuleitung 21 der Trennstufe 4 zugeführt, auf 7O⁰C erwärmt und durch Separation in zwei Stoffströme aufgeteilt, derart, daß 43Ma.-% der Suspension über die Zuleitung 9 dem Fermentor 1 und 57 Ma.-% der Suspension mit einer Biomassekonzentration von 7 Ma.-% und in einer Menge von 0,8kg/h über die Zuleitung 10 dem Fermentor 2 zudosiert wurden. Gleichzeitig wurden noch Methanol

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und Nährsalzlösung über die Zuleitungen 7 und 8 dosiert, so daß die Verdünnungsrate 0,12 h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor2 eine Produktivität von 5,7g Bakterienbiomasse/kg h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf auf 9,4Ma.-% erhöhte. Dieser Fermentorablauf wurde über die Zuleitung 13 der Trockenstufe 14 zugeführt und somit in einer Menge von 122g/h ein Trockenprodukt 15 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 7,4Ma.-% erhalten. Gleichzeitig wurde über die Leitung 16 Wasserdampf abgeführt.

In einem Vergleichsversuch wurden die zwei Fermentoren mit gleichen Mengen an Rohstoffen und unter gleichen Bedingungen, aber in paralleler Fahrweise betrieben. Dabei erhöhte sich der Durchsatz für die Trennstufe 4 um 86%. Die Biomassekonzentration in der Suspension, die der Trennstufe 4 zugeführt wurde, verringerte sich bei vergleichbarem Gesamtausstoß von 120 g Trockenprodukt/h auf 7Ma.-%, so daß der Trockenstufe ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte.

Beispiel 5

Es wurden kontinuierlich Bakterien der zwei Arten MB 53 und MB 58 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren von je 2Ol eingesetzt wurden.

Im Fermentor 1 wurden Bakterien der Art MB53 bei einem pH-Wert von 7 und einerTemperatur von 37°C gezüchtet. Über die Zuleitungen 6, 7 und 8 wurden dem Fermentor 1 Frischwasser, Methanol und Nährsalzlösung zudosiert; die Belüftung erfolgte über die Leitung 5. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 9 Rückführwasser aus der Trennstufe 4 in einer Menge von 1,1 kg/h zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 2,2kg/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von 0,22h"¹. Dieses Rückführwasser enthielt eine Biomassekonzentration von 7,2g Bakterienbiomasse/kg sowie 3,9g H₃PO₄/kg. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 8,2g Bakterienbiomasse/kg h erreicht. Der Fermentorablauf des Fermentors 1, der eine Biomassekonzentration von 4,1 Ma.-% aufwies, wurde über die Zuleitung 11 der Koagulationsstufe 3 zugeführt, in dieser Stufe auf 75⁰C erwärmt und durch Zugabe von 6,7 g H₃PO₄Zh über die Zuleitung 12 koaguliert. Anschließend wurde die koagulierte Suspension über die Zuleitung 19 in die Trennstufe 4 dosiert und dort mittels Sedimentation in zwei Masseströme aufgeteilt. Die obere, biomassearme Phase wurde über die Zuleitung 9 in den Fermentor 1 zurückgeführt, während die untere Phase, die eine Biomassekonzentration von 7,4Ma.-% aufwies, über die Zuleitung 10 in einer Menge von 1,1 kg/h in den Fermentor 2 dosiert wurde. Dieser Teil der Suspension enthielt außerdem 2,5g H₃PO₄/kg.

Im Fermentor 2 wurden Bakterien der Art MB58 auf der Basis von Methanol bei einem pH-Wert von 4 und bei einerTemperatur von 33°C gezüchtet. Über die Zuleitungen 7 und 8 wurden dem Fermentor 2 Methanol bzw. Nährsalzlösung zudosiert; die Zuleitung 5 diente der Belüftung. Der Gesamtzulauf zum Fermentor 2 betrug 1 340 g/h, entsprechend einer Verdünnungsrate von 0,134h"¹. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 5,1 g Bakterienbiomasse/kg h erreicht. Der Ablauf der zweiten Fermentationsstufe wurde danach in einer Menge von 1,34kg/h und mit einer Biomassekonzentration von 9,9Ma.-% über die Zuleitung 13 der Trockenstufe 14 zu geführt. Auf diese Weise wurde in einer Menge von 143 g/h ein Trockenprodukt 15 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 5,5 Ma.-% erhalten; gleichzeitig fiel über die Leitung 16 Wasserdampf an. In einem Vergleichsversuch wurden die zwei Fermentoren mit den gleichen Mengen an Roh- und Hilfsstoffen und unter den gleichen Bedingungen, aber in paralleler Fahrweise betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß von 140g Trockenprodukt/h lag der Verbrauch von H₃PO₄Um 50% höher als bei der zweistufigen Fahrweise. Außerdem entstand bei der parallelen Fahrweise eine Bakteriensuspension mit einer Biomassekonzentration von nur 4,7Ma.-%, so daß ein größerer Volumenstrom der Trockenvorrichtung zugeführt werden mußte.

Beispiel 6

Es wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Saccharose in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von je 2Ol eingesetzt wurden (Figur 6). In beiden Fermentoren betrug die Temperatur 34⁰C; der pH-Wert wurde durch Regelung auf 4,2 gehalten. In den Fermentor 1 wurden über die Zuleitungen 6, 20 und 22 Frischwasser, Nährsalz- und Saccharoselösung dosiert, während über die Zuleitung 5 Luft in den Fermentor eingetragen wurde. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 9 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 4 in einer Menge von 1,1 kg/h zugeführt, so daß der Gesamtzulauf zum Fermentor 1 2,5kg/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,25 h~¹. Das Rückführwasser enthielt Hefebiomasse in einer Konzentration von 1,35Ma.-%. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 9g Hefetrockenmasse/kg erreicht.

Der Ablauf der ersten Fermentationsstufe, der eine Biomassekonzentrat ion von 4,2 Ma. -% enthielt, wurde anschließend über die Leitung 21 der Trennstufe 4 zugeführt, auf eine Temperatur von 65⁰C erwärmt und durch Separation in zwei Masseströme mit unterschiedlicher Biomassekonzentration aufgeteilt. Der biomasseabgereicherte Teilstrom wurde über die Zuleitung 9 in den Fermentor 1 zurückgeführt, während der biomasseangereicherte Teilstrom mit einer Biomassekonzentration von 6,4Ma.-% und in einer Menge von 1,4kg/h über die Leitung 10 dem Fermentor 2 zudosiert wurde. Gleichzeitig wurden über die Leitungen 20 und 22 Nährsalzlösung und Saccharoselösung in solcher Menge dosiert, daß der Gesamtzulauf zu Fermentor 2 2150 g/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,215h"¹. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 10,8g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf derzweiten Stufe auf 9,2Ma.-% erhöhte. Die Belüftung des Fermentors 2 erfolgte über die Zuleitung 5.

Der Fermentorablauf vom Fermentor 2 wurde danach über die Zu leitung 13 der Trocknungsstufe 14 zugeführt und somit in einer Menge von 204g/h ein Hefetrockenprodukt mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 3Ma.-% gewonnen. Gleichzeitig fiel über die Leitung 16 Wasserdampf an.

Im Vergleichsversuch wurden beide Fermentoren 1 und 2 unter den gleichen Bedingungen und mit gleichem Einsatz an Roh- und Hilfsstoffen, jedoch in paralleler Fahrweise betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß an Hefetrockenprodukt von 200g/h enthielt die erzeugte Hefesuspension nur eine Biomassekonzentration von 5,8Ma.-%, so daß der Trocknungsvorrichtung ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte. Außerdem steigt bei dieser parallelen Betriebsweise der Frischwasserbedarf auf etwa den doppelten Wert an.

Beispiel 7

In einer zweistufigen Fermentationsanlage wurden unter kontinuierlichen Bedingungen zwei verschiedene Hefestämme auf zwei unterschiedlichen Substraten kultiviert (Figur 7). Im Fermentor 1, der ein Bruttovolumen von 201 und eine Füllmasse von 10 kg aufwies, wurden Hefen der Art Candida maltosa aufder Basis eines Gemisches aus n-AIkanen des Kettenlängenbereiches von Ci2 bis C₂₀ bei einem pH-Wert von 4,3 und bei einer Temperatur von 32°C gezüchtet. Zu diesem Zweck wurden über die Zuleitungen 6»20und23inden Fermentor 1 Frischwasser, Nährsalzlösung und n-Alkan-Gemisch dosiert, während die Belüftung über die Zuleitung 5 erfolgte. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Leitung 9 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 4 in einer Menge von 1 250g/h und mit einer Biomassekonzentration von 4,8g Hefetrockensubstanz/kg zugeführt, so daß der Gesamtzulauf zum Fermentor 1 2,0kg/h betrug, was einerVerdünnungsrate von D = 0,2OrT¹ entsprach. Unter den genannten Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 5g Hefetrockensubstanz/kg h erzielt.

Der Ablauf der ersten Fermentationsstufe, dereine Biomassekonzentration von 2,8 Ma.-% enthielt, wurde anschließend über die Leitung 21 der Trennstufe 4 zugeführt, auf eine Temperatur von 65⁰C erwärmt und durch Separation in zwei Masseströme mit unterschiedlicher Biomassekonzentration aufgeteilt. Der biomassearme Teilstrom wurde über die Leitung 9 in den Fermentor 1 zurückgeführt, während derauf eine 3iomassekonzentration von 6,7Ma.-% angereicherte Massestrom in einer Menge von 750g/h in den Fermentor 2 dosiert wurde.

Im Fermentor 2, einem Labordruckfermentor mit einem Bruttovolumen von 101 und einer Füllmasse von 5kg, wurden kontinuierlich Hefen derArt Candida uti I is auf Saccharose a Is Kohlenstoff quelle gezüchtet. Die Fermentationstemperatur betrug 34⁰C , der pH-Wert wurde durch Regelung auf 4,2 gehalten. In den Fermentor 2 wurden außerdem über die Zuleitungen 20 und 22 Nährsalz- und Saccharoselösung dosiert, so daß der Gesamtzulauf zu Fermentor 2 1150 g/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,23h"¹. Die Belüftung des Fermentors2 erfolgte über die Zuleitung 5. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 10g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Ablauf der zweiten Fermentationsstufe auf 8,7 Ma.-% erhöhte. Dieser Fermentorablauf wurde schließlich über die Zuleitung 13 der Trocknungsstufe 14 zugeführt. Die Menge des erhaltenen Trockenproduktes 15 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 5,7 Ma.-% betrug 106g/h. Gleichzeitig wurde aus der Trocknungsstufe 14 über die Leitung 16 Wasserdampf abgeführt. Im Vergleichsversuch bei paralleler Fahrweise der beiden Fermentoren 1 und 2 wurde bei gleichem Einsatz von Roh- und Hilfsstoffen eine Trockenproduktmenge von 1.01 g/h gewonnen. Die als Gemisch der Abläufe beider Fermentoren erhaltene Hefesuspension wies nur eine Biomassekonzentration von 4,6 Ma.-% auf, so daß der Trocknungsstufe 14 ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte. Außerdem stieg bei dieser Betriebsweise der Frischwasserbedarf auf mehr als das Doppelte gegenüber der zweistufigen Fahrweise an.

Beispie!8

Es wurden kontinuierlich Hefen der ArtCandita utilis auf Ethanol und Bakterien der Art Acetobacter methanolicus auf Methanol in einer zweistufigen Fermentationsanlage kultiviert, wobei in beiden Stufen Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von je 2Ol eingesetzt wurden (Fig. 8).

Im Fermentor 1, in dem die Hefen von Candita utilis auf der Basis von Ethanol gezüchtet wurden, betrug der Masseinhalt 10kg.

Durch Regelung wurde die Temperatur auf 34°C und der pH-Wert auf 4,5 gehalten; die Zuleitung 5 diente der Belüftung. Über die Zuleitungen 6,18 und 20 wurden in den Fermentor 1 Frischwasser, Ethanol und Nährlösung dosiert.

Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 9 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 4 in einer Menge von 1,6kg/h zugeführt, so daß der Gesamtzulauf zu Fermentor 1 2,6 kg/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,26 h"¹.

Dieses Rückführwasser enthielt Hefebiomasse in einer Konzentration von 3,6g/kg. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 5,4g Hefebiomasse/kg h erreicht.

Der Ablauf der 1. Fermentationsstufe, der eine Biomassekonzentration von 2,3 Ma.-% enthielt, wurde anschließend über die Leitung 21 der Trennstufe 4 zugeführt, auf eine Temperatur von 6O⁰C erwärmt und durch Separation in zwei Masseströme aufgeteilt. Der biomasseabgereicherte Teilstrom wurde über die Zuleitung 9 in den Fermentor 1 zugeführt, während der biomassereiche Teilstrom, der eine Biomassekonzentration von 5,4Ma.-% Hefetrockensubstanz enthielt, in einer Menge von 1,0 kg/h über die Zuleitung 10 dem Fermentor 2 zudosiert wird.

Im Fermentor 2 wurden Bakterien derArt Acetobacter methanolicus aufder Basis von Methanol gezüchtet. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 5; durch Regelung wurde eine Temperatur von 36⁰C und ein pH-Wert von 4,0 aufrechterhalten. Über die Zuleitungen 7 und 8 wurden Methanol und Nährsalzlösung in solcher Menge dosiert, daß der Gesamtzulauf zum Fermentor 2 1 250 g/h betrug, was einerVerdünnungsrate von D = 0,125 h"¹ entsprach.

Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 5 g Bakterientrockenmasse/kg · h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Ablauf der zweiten Fermentationsstufe auf 8,3 Ma.-% Gesamttrockenmasse erhöhte. Dieser Fermentorablauf wurde schließlich über die Leitung 13 der Trocknungsstufe 14 zugeführt und somit in einer Menge von 110g/h ein Trocken produkt 15 mit einem Feuchtigkeitsgehaltvon 5,5 M a.-% gewonnen. Über die Leitung 16 wurde Wasserdampf a us der Trocknungsstufe 14 abgeführt.

Bei dieser zweistufigen Verfahrensweise ergibt sich gegenüber einem parallelen Betrieb beider Fermentoren bei vergleichbarem Ausstoß an Trockenprodukt eine Verringerung des Volumenstromes zur Trocknungsstufe um ca. 45%. Bei der parallelen Fahrweise beträgt die Biomassekonzentration im Gemisch beider Fermentorabläufe nur 4,5 Ma.-% Trockensubstanz; der Frischwasserbedarf steigt hierbei auf mehr als das Doppelte der ursprünglichen Menge an.

Beispiel 9

In einer zweistufigen Fermentationsanlage wurden unter kontinuierlichen Bedingungen zwei verschiedene Mikroorganismenkulturen aufder Basis unterschiedlicher Substrate gezüchtet (Figur 9). Im Fermentor 1, derein Bruttovolumen von 2Ol und eine Füllmasse von 10 kg aufwies, wurden Bakterien der Art Acetobacter methanolicus aufder Basis von Methanol kultiviert. Durch Regelung wurde die Temperatur auf 36°C und der pH-Wert auf 4,0 gehalten; die Belüftung des Kulturmediums erfolgte überdie Leitung 5.

Über die Zuleitungen 6, 7 und 8 wurden Frischwasser, Methanol und Nährlösung in den Fermentor 1 dosiert. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 9 ein Rückführwasser mit einem Bakterienbiomassegehaltvon 1,3 Ma.-% in einer Menge von 560g/h zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 1,2kg/h, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,12h"¹, betrug. Unter den genannten Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 6g Bakterientrockenmasse/kg · h erreicht.

Der Ablauf der ersten Fermentationsstufe, der eine Konzentration an Bakterientrockenmasse von 5,6Ma.-% aufwies, wurde anschließend über die Leitung 21 der Trennstufe 4 zugeführt, auf 70 ⁰C erwärmt und mittels Separation in zwei Masseströme mit unterschiedlicher Biomassekonzentration aufgeteilt.

Der biomasseabgereicherte Teilstrom wurde über die Leitung 9 in den Fermentor 1 zurückgeführt. Der biomassereiche Teilstrom, der eine Bakterienkonzentration von 9,4Ma.-% Bakterientrockenmasse aufwies, wurde über die Leitung 10 in einer Menge von 640g/h dem Fermentor 2 zugeführt.

Im Fermentor 2, derein Bruttovolumen von 101 und eine Füll masse von 5 kg aufwies, wurden Hefen der Art Candida tropicalis auf der Basis von Glucose gezüchtet. Durch Regelung wurde die Temperatur auf 33°C und der pH-Wert auf 4,5 gehalten. Über die Leitungen 20 und 24 wurden dem Fermentor 2 Nährsalz- und Glucose-Lösung in solcher Menge zudosiert, daß der Gesamtzulauf 1 250 g/h betrug, was einer Verdünnungsrate von D = 0,25 h"' entsprach. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 5. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 16g Hefetrockenmasse pro kg und Stunde erreicht. Der Ablauf der zweiten Fermentationsstufe, der einen Gehalt an Mikroorganismen-Trockensubstanz von 11,2 Ma.-% aufwies, wurde schließlich über die Zuleitung 13 der Trocknungsstufe 14 zugeführt. Die Menge des erhaltenen Trockenprodukts 15 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 3,4Ma.-% betrug 145g/h. Gleichzeitig wurde über die Leitung 16 Wasserdampf abgeführt.

Im Vergleichsversuch wurde bei paralleler Fahrweise der beiden Fermentoren 1 und 2 bei gleichem Einsatz von Roh- und Hilfsstoffen eine Trockenproduktmenge von 140g/h gewonnen. Die als Gemisch der Abläufe beider Fermentoren erhaltene Mikroorganism'ensuspension wies eine Biomassekonzentration von nur 7,3Ma.-% auf, so daß der Trennstufe 14 ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte. Außerdem stieg bei dieser Fahrweise der Frischwasserbedarf auf den etwa dreifachen Bedarf der Zweistufenfahrweise an.

Claims

1. Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fest-Flüssig-Trennstufe als Verteiler mit zwei Kultivierungsstufen verbunden wird, derart, daß

a) jeweils ein Teilstrom aus der Trennstufe in eine Kultivierungsstufe dosiert wird, wobei der in die zweite Kultivierungsstufe dosierte Teilstrom mindestens 80 Ma.-% der Mikroorganismen der ersten Kultivierungsstufe enthält und eine Mikroorganismenkonzentration von 4 bis 10Ma.-% aufweist und

b) die Kultivierungsstufen mit solchen Trennverfahren verbunden werden, die gleichzeitig eine Abtötung der Mikroorganismen bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrommengen der Trennstufe so eingestellt werden, daß in der Trennstufe zugefügte und in den Kultivierungsstufen verwertbare Hilfsstoffe entsprechend der neugebildeten Biomasse in den Kultivierungsstufen verteilt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Trennstufe Kultivierungsstufen verbunden werden, die sich bezüglich Mikroorganismen und Kohlenstoffquelle nicht unterscheiden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Trennstufe Kultivierungsstufen verbunden werden, die sich bezüglich der Mikroorganismen und/oder Kohlenstoffquelle unterscheiden.

Hierzu 9 Seiten Zeichnungen