DD248932A3 - Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen. Ziel der Erfindung ist eine Verringerung des Aufwandes an Apparatur und Energie zur Konzentrierung von Mikroorganismen, eine Reduzierung der Volumenstroeme und Vermeidung von Abwasser. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass zwei Kultivierungsstufen direkt bzw. ueber ein Fest-fluessig-Trennstufe miteinander verbunden werden, wobei sich die Mikroorganismen in den Kultivierungsstufen unterscheiden. In der zweiten Kultivierungsstufe werden solche Bedingungen eingestellt, dass die Mikroorganismen der ersten Stufe nicht wachsen koennen. Im Ergebnis dieser Verfahrensweise erhaelt man eine Suspension, deren Konzentration an mikrobieller Biomasse im Bereich von 6 bis 13 Ma.-% liegt. Diese Suspension wird anschliessend einer Trockenstufe zugefuehrt und nach bekannten Verfahren getrocknet. Die Erfindung kann zur Gewinnung mikrobieller Biomasse angewandt werden.

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine spezielle Verknüpfung von Kultivierungsprozessen bzw. Trenn- und Kultivierungsprozessen eine Konzentrierung von Mikroorganismen zu bewirken. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Kultivierungsstufen direkt oder über eine Trennstufe miieinander verbunden werden, wobei sich die Mikroorganismen in den Kultivierungsstufen unterscheiden und in der zweiten Kultivierungsstufe solche Kultivierungsbedingungen vorliegen, daß die Mikroorganismen der ersten Stufe nicht wachsen können. Die Verfahrensweise ist im einzelnen folgende.

Man kultiviert Mikroorganismen (Spezies A) in der ersten Kultivierungsstufe in bekannter Art und Weise und erhält eine Mikroorganismensuspension S₀ mit einer Konzentration X₀ (erste Stufe). Der Begriff Stufe soll bedeuten, daß es sich um eine Kultivierung mit einem Fermentor oder Fermentoren handeln kann. Die arhaltene Mikroorganismensuspension wird anschließend direkt einer zweiten Kultivierungsstufe oder einer Fest-Flüssig-Trennstufe zugeführt. In der Fest-Flüssig-Trennstufe erfolgt nach bekannten Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eine Aufspaltung des Stoffstroms S₀ in einen Teilstrom S₂ mit einer Konzentration X₂ und einen Teilstrom Si mit einer Konzentration Xi. Man führt die Fest-Flüssig-Trennung so durch, daß der Teilstrom S₂ mindestens 80 Ma.-% der Mikroorganismen enthält und eine Konzentration im Bereich von 4 bis 10 Ma.-% aufweist. Der Teilstrom S₁ wird in die erste Kultivierungsstufe zurückgeführt, während man den Teilstrom S₂ in eine zweite Kultivierungsstufe dosiert. In der zweiten Kultivierungsstufe werden solche Mikroorganismen (Spezies B) in bekannter Art und Weise kultiviert, daß die Mikroorganismen der ersten Kultivierungsstufe nicht wachsen können. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der pH-Wert in der zweiten Stufe um mehrere Einheiten von dem der ersten Stufe abweicht oder verschiedene Kohlenstoffquellen in den Kultivierungsstufen eingesetzt werden. Im Ergebnis der Kultivierung in der zweiten Stufe erhält man eine Mikroorganismensuspension, die ein Gemisch aus den Mikroorganismen der einzelnen Stufen darstellt. Die Konzentration dieser Suspension sollte im Bereich von 6 bis 13 Ma.-% liegen.

Anschließend wird die Suspension einer Trockenstufe zugeführt und nach bekannten Verfahren, beispielsweise Verdampfung, Sprühtrocknung oder Wirbelschichtgranulation, getrocknet. In speziellen Fällen kann die Suspension auch ohne vorhergehende Trocknung einer Verwertung, beispielsweise einer Flüssigverfütterung, zugeführt werden. In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1

In einer zweistufigen Fermentationsanlage, bestehend aus zwei Fermentoren von je 2Ol Bruttovolumen mit je 10 kg Füllmasse wurden unter kontinuierlichen Bedingungen zwei verschiedene Mikroorganismenkulturen auf verschiedenen Kohlenstoffquellen gezüchtet (Fig. 1). Im Fermentor 1 wurde bei einem pH-Wert von 6,9 und bei einer Temperatur von 38⁰C die Bakterienkultur MB53 auf der Basis von Methanol gezüchtet. Dem Fermentor 1 wurden über die Zuleitungen 8, 9 und 10 Nährsalzlösung, Methanol und Frischwasser in einer solchen Menge zudosiert, daß die Verdünnungsrate D = 0,20h"¹ betrug. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 8 g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht. Der Fermentorablauf des Fermentor 1 wurde über die Zuleitung 4 in den Fermentor 2 dosiert. Im Fermentor 2 wurden kontinuierlich Hefen der Art C. utilis auf Kohlenhydrat als Kohlenstoffquelle gezüchtet. Durch Regelung wurde Fm Fermentor 2 ein pH-Wert von 4,0 und eine Temperatur von 36°C gehalten. Die in den Fermentor 2 dosierte Menge Fermentorablauf betrug 2,0kg/h. Dem Fermentor 2 wurden über die Zuleitungen 8 und 11 Nährsalzlösung und Melasse in einer solchen Menge zudosiert, daß die Verdünnungsrate D = 0,25h""¹ betrug. Unter diesen Bedingungen erhielt man im Fermentor 2 eine Produktivität von 10,5g Hefebiomasse/kg/h. Der Fermentorablauf wurde über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt. Er enthielt 7,4 Ma.-% mikrobielle Biomasse. Es entstand ein Trockenprodukt (Trockentemperatur 105⁰C) 6 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 9,3 Ma.-% bei einem Gesamtausstoß von 185g Trockenmasse/h. Über die Leitung 12 wurde Wasserdampf abgeführt. In .einem Vergleichsversuch wurden die Fermentoren 1 und 2 parallel betrieben, wobei die gleichen Bedingungen eingehalten wurden. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß stieg jedoch der Frischwasserbedarf auf das Doppelte. Infolgedessen hatte der vereinigte Ablauf der beiden Fermentoren nur einen Gehalt an mikrobieller Biomasse von 4,1 Ma.-%, wodurch die Aufwendungen für den Trockenprozeß anstiegen.

Beispiel 2

In einer zweistufigen Fermentationsanlage, bestehend aus zwei Fermentoren, wurden unter kontinuierlichen Bedingungen zwei verschiedene Bakterienkulturen auf der Kohlenstoffquelle Methanol gezüchtet (Fig. 2).

Im Fermentor 1, derein Bruttovolumen von 2Ol und einen Masseinhalt von 10kg hatte, wurden bei einem pH-Wert von 6,9 und bei einer Temperatur von 38⁰C Bakterien der Art MB 53 auf der Basis von Methanol gezüchtet. Über die Zuleitungen 8,9 und 10 erfolgte die Dosierung von Nährsalzlösung, Methanol und Frischwasser. Die Belüftung erfolgte über die Zu leitung 7. Außerdem wurde über die Zuleitung 16 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 14 in einer Menge von 1,25 kg/h mit einer Biomassekonzentration von 9,6g/kg dem Fermentor 1 zugeführt, so daß die Verdünnungsrate D = 0,20 h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 8g Bakterienbiomasse/kg/h und eine Biomassekonzentration im Fermentorablauf von 4,6Ma.-% erreicht. Anschließend wurde der gesamte Fermentorablauf in einer Menge von 2,0kg/h über die Zuleitung 13 der Trennstufe 14 zugeführt, wo mittels Separation eine Auftrennung des Fermentorablaufs erfolgte. Dieleichte Phase wurde über die Zuleitung 16 in den Fermentor 1 und die schwere Phase in einer Menge von 750g/h mit einer Biomassekonzentration von 10,7 Ma.-% über die Zuleitung 15 in den Fermentor 2 dosiert. Im Fermentor 2 erfolgte eine Kultivierung der Bakterienkultur MB 58 auf der Basis von Methanol bei einem pH-Wert von 4,0 und einer Temperatur von 33⁰C. Das Bruttovolumen des Fermentor 2 betrug 101 und der Masseinhalt 5kg. Über die Zuleitungen 8 und 9 erfolgte die Dosierung von Nährsalzlösung und Methanol, wobei die Verdünnungsrate D = 0,178 h"¹ betrug. Belüftet wurde über die Zuleitung 7. Unter diesen Bedingungen wurde ein Wachstum der Kultur MB53 unterbunden, während die die Produktivität der Kultur MB58 7,5g Bakterienbiomasse/kg/h betrug. Der Ablauf des Fermentor 2, der in einer Menge von 900 g/h abgeführt wurde, enthielt eine Biomassekonzentration von 13,1 Ma.-%. Dieser Ablauf wurde über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt und bei 105⁰C getrocknet. Es entstand ein Trockenprodukt 6 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 9,6Ma.-% bei einem Gesamtausstoß von 117 g Trockenmasse/h.

Im Vergleichsversuch wurden die Fermentoren 1 und 2 parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß hatte der vereinigte Fermentorablauf eine Biomassekonzentration von nur 7,1 Ma.-%, so daß der Trockenstufe ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte. Außerdem entstand ein zusätzlicher Frisehwasserbedarf von ?SOg/h.

Beispiel 3

In einem zweistufigen Fermentations-System (s. Fig.3), bestehend aus zwei Druckfermentoren mit einem Bruttovolumen von je 121 und einem Masseinhalt von je 4,5kg wurden unter kontinuierlichen Bedingungen zwei Mikroorganismenkulturen bei verschiedenen Fermentationsparametern auf Saccharose gezüchtet

Im Fermentor 1 wurde eine Hefe mit der Bezeichnung EH 60 bei einem pH-Wert von 4,0 und einer Temperatur von 38 ⁰C kultiviert. Dem Fermentor 1 wurde über die Zuleitungen 8,10 und 17 Nährsalzlösung, Frischwasser und Saccharoselösung in einer solchen Menge dosiert, daß die Durchflußrate D = 0,2 h"¹ betrug. Die komprimierte Luft wurde über die Leitung 7 dosiert. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 12 h Hefebiomasse/kg/h erreicht. Dieser Fermentorablauf wurde anschließend über die Zuleitung 4 in einer Menge von 0,9 l/h mit einer Konzentration an Hefebiomasse von 6Ma.-% in den Fermentor 2 gepumpt. In diesem Fermentor wurde unter Druck bei einen pH-Wert von 6,8 und einer Temperatur von 68°C die thermophile Bakterienkultur mit der Bezeichnung TP 5 kultiviert. Über die Zuleitung 8 wurde die Nährsalzlösung und über die Zuleitung 17 die Saccharoselösung dosiert, so daß die Durchflußrate D in diesem Fermentor D = 0,25 h~¹ betrug. Die Produktivität erreichte einen Wert von 8g Baktenenbiomasse/kg/h, wobei die Konzentration an mikrobieller Biomasse bei 8Ma.-% lag. Der Fermentorablauf des Fermentor 2 wurde anschließend über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt. Man erhielt 98,5g Trockenprodukt/h (Restfeuchte 8,6Ma.-%). Über die Leitung 12 wurde Wasserdampf abgezogen und kondensiert (Verdampferstufe). In einem Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren unter den oben angeführten Bedingungen parallel betrieben. Dabei verdoppelte sich der Frischwasserbedarf, während sich die Menge an Fermentorablauf, die der Trockenstufe zugeführt werden mußte von 1,13 und 2,031/h erhöhte.

Beispiel 4

In einer zweistufigen Fermentationsanlage, bestehend aus zwei Labordruck-Fermentoren mit je 201 Bruttovolumen und je 10 kg Füllmasse, wurden unter kontinuierlichen Bedingungen verschiedene Mikroorganismenkulturen auf unterschiedlichen Köhlenstoffquellen gezüchtet (s. Fig.4).

Im Fermentor 1 wurde bei einem pH-Wert von 4,0 und bei einer Temperatur von 32°C die Hefekultur C. maltosa auf der Basis eines n-Alkan-Gemisches der Kettenfänge C₁₀ bis C»gezüchtet. Über die Zuleitungen 8,10 und 18 wurden Nährsalzlösung, Frischwasser und n-Alkan-Gemisch dosiert, so daß die Verdünnungsrate D = 0,175 h"¹ betrug. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 16g Hefebiomasse/kg/h erreicht, wobei der Fermentorablauf eine Biomassekonzentration von 9,15Ma.-% aufwies.

Der Fermentorablauf von Fermentor 1 wurde über die Zuleitung 4 in einer Menge von 1,75kg/h direkt in den Fermentor 2 dosiert.

Im Fermentor 2 wurden kontinuierlich Bakterien der Bezeichnung MB53 auf der Basis von Methanol gezüchtet. Durch Regelung wurde im Fermentor 2 ein pH-Wert von 6,9 und eine Temperatur von 38⁰C gehalten. Dem Fermentor 2 wurden außerdem über die Zuleitungen 8 und 9 Nährsalzlösung und Methanol in einer solchen Menge zugeführt, daß die Verdünnungsrate D 3 0,227h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 16g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration insgesamt auf 14,1 Ma.-% erhöhte.

Der Fermentorablauf aus Fermentor 2 wurde über die Leitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt und getrocknet. Das Trockenprodukt 6 hatte danach einen Feuchtigkeitsgehalt von 8,6Ma.-%. Der Ausstoß betrug 320g Trockenprodukt/h. Über die Leitung 12 wurde Wasserdampf abgeführt.

In einem Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren unter den genannten Bedingungen parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß hatte der vereinigte Fermentorablauf der Fermentoren 1 and 2 eine Biomassekonzentration von nur 7,9 Ma.-%, so daß der Trockenstufe ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte. Außerdem entstand ein zusätzlicher Frischwasserbedarf von 1,75kg/h.

Beispiel 5

In einer zweistufigen Fermentationsanlage, bestehend aus zwei Fermentoren mit je 201 Brüttovolumen und je 10 kg Füllmasse, wurden unter kontinuierlichen Bedingungen verschiedene Mikroorganismenkulturen auf unterschiedlichen Kohlenstoffquellen gezüchtet (S. Fig. 5).

Im Fermentor 1 wurde bei einer Temperatur vor* 34⁰C und bei einem pH-Wert von 4,6 die Hefekultur C. utilis auf der Basis von Acetat als Kohlenstoffquelle gezüchtet. Dem Fermentor 1 wurden über die Zuleitungen 8,10 und 19 Nährsalzlösung, Frischwasser und Acetat in einer solchen Menge dosiert, daß die Verdünnungsrate D = 0,25h~¹ betrug. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 2,75g Hefebiomasse/kg/h erreicht, wobei der Fermentorablauf eine Biomassekonzentration von 1,1 Ma.-% aufwies. Der Fermentorablauf von Fermentor 1 wurde anschließend in einer Menge von 2,5kg/h über die Zuleitung 4 direkt in den Fermentor 2 dosiert. Im Fermentor 2 wurden kontinuierlich Bakterien der Bezeichnung MB53auf der Basis von Methanol gezüchtet. Durch Regelung wurde ein pH-Wert von 6,9 und eine Temperatur von 38⁰C gehalten. Dem Fermentorablauf wurden außerdem über die Zuleitungen 8 und 9 Nährsalzlösung und Methanol in einer solchen Menge zugefügt, daß die Verdünnungsrate D = 0,273h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 6,7g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration auf 3,45 Ma.-% erhöhte

Die auf diese Art und Weise erhaltene Biomassesuspension wurde anschließend in zwei Teile geteilt und wie folgt behandelt.

a) Ein Teil des Fermentorablaufs wurde über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt und bei 110°C getrocknet. Das Trockenprodukt hatte danach einen Feuchtigkeitsgehalt von 9,1 Ma.-%. Der Ausstoß an mikrobieller Biomasse betrug 95g/h. Über die Leitung 12 wurde Wasserdampf abgeführt.

b) Der andere Teil des Fermentorablaufs wurde in einen Autoklaven dosiert und dort bei 120⁰C behandelt, danach abgekühlt und anschließend einer Flüssigverfütterung zugeführt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß man Mikroorganismen in zwei Stufen kultiviert, derart, daß in den Stufen verschiedene Mikroorganismen kultiviert werden und in der zweiten Kultivierungsstufe bezüglich der Mikroorganismen der ersten Stufe das Wachstum inhibierende Kultivierungsbedingungen eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kultivierungsstufen direkt miteinander gekoppelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kultivierungsstufen über eine Fest-Flüssig-Trennstufe miteinander verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom, der in die zweite Kultivierungsstufe dosiert wird, mindestens 80 Ma.-% der Mikroorganismen enthält und eine Konzentration im Bereich von 4 bis 10Ma.-'% aufweist.

Hierzu

5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

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.

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 2721226, 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 nebeneinander enthält, einer Trennstufe zugeführt wird, deren Teilströme danach die Mikroorganismen in einer Konzentration von 20Ma.-% bzw. OMa.-% 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.