DD250436A3

DD250436A3 - Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DD250436A3
Authority: DD
Publication date: 1987-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentration von Mikroorganismen. Ziel der Erfindung ist eine Verringerung des Aufwandes an Apparatur, Energie und Hilfsmittel zur Konzentrierung von Mikroorganismen, eine Reduzierung der Volumenstroeme und Vermeidung von Abwasser. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass man zwei Kultivierungsstufen direkt oder durch Zwischenschaltung einer Trenn- und/oder Abtoetungsstufe derart miteinander verbindet, dass der Anteil wachsender Zellen in der zweiten Kultivierungsstufe kleiner als 30 Ma.-% ist. 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 mit Hilfe bekannter Verfahren getrocknet. Die Erfindung kann zur Gewinnung mikrobieller Biomasse angewandt werden.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

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, Absonderung 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 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. 0Ma.-% 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 diese sich in ihren Eigenschaften (tot/lebendig) drastisch unterscheiden. Das Verfahren hat wieder 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, Energie und Hilfsmittel 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 Kultivierungsprozessen eine Konzentrierung von Mikroorganismen zu bewirken. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man zwei Kultivierungsstufen direkt oder durch Zwischenschaltung einer Trenn- und/oder Abtötungsstufe derart miteinander verbindet, daß der Anteil

wachsender Zellen in der zweiten Kultivierungsstufe kleiner als 30 Ma.-% ist. Man verfährt im einzelnen folgendermaßen. In einer ersten Kultivierungsstufe werden Mikroorganismen in bekannter Art und Weise kultiviert. Man erhält eine Mikroorganismensuspension S₀ mit einer Konzentration X₀. Diese Mikroorganismensuspension wird nun entweder direkt oder nach Zwischenschaltung einer Trenn- und/oder Abtötungsstufe in eine zweite Kultivierungsstufe dosiert und in bekannter Art und Weise Mikroorganismen kultiviert. Der Begriff Stufe soll bedeuten, daß es sich um eine Kultivierung mit einem Fermentor oder mehreren Fermentoren handeln kann. Bei der Zwischenschaltung von Trennstufen wird der Fermentorablauf der ersten Kultivierungsstufe nach einem üblichen Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung behandelt, so daß man zwei Teilströme erhält, einen Teilstrom S2 mit einer Konzentration X2 und einen Teilstrom S₁ mit einer Konzentration X₁. Die Fest-Flüssig-Trennung wird dabei so durchgeführt, daß der Teilstrom S₂ mindestens 80 Ma.-% der Mikroorganismen enthält und eine Konzentration im Bereich von 4 bis 10Ma.-% aufweist. Als Trennverfahren werden beispielsweise die Sedimentation, Flotation oder Separation eingesetzt. Die nach den genannten Kriterien erhaltenen Teilströme werden wie folgt weitergeführt. Der Teilstrom S₁ wird in die erste Kultivierungsstufe zurückgeführt, während man den Teilstrom S2 einer Abtötungsstufe zuführt oder in die zweite Kultivierungsstufe dosiert. Eine Abtötung der Mikroorganismen wird entweder als alleinige Maßnahme oder in Verbindung mit einer Trennstufe zwischen die beiden Kultivierungsstufen geschaltet. Die Abtötung der Mikroorganismen erfolgt mit Hilfe bekannter Verfahren, beispielsweise durch Behandlung mit chemischen Substanzen, elektromagnetischer Strahlung oder thermischer Energie. Werden mehrere Stufen zwischen die Kultivierungsstufen geschaltet, so ist deren Reihenfolge vertauschbar. Somit gelangt eine Mikroorganismensuspension der ersten Kultivierungsstufe

a) entweder direkt oder

b) nach Behandlung in einer Trennstufe als Strom S₂ und/oder Behandlung in einer Abtötungsstufe, wobei die Reihenfolge der Stufen vertauschbar ist,

in eine zweite Kultivierungsstufe, in der Mikroorganismen in bekannter Art und Weise kultiviert werden. Dabei kann es sich um dieselben Spezies von Mikroorganismen handeln. Es können aber auch verschiedene Mikroorganismen-Spezies in den einzelnen Kultivierungsstufen kultiviert werden. Ebenso können sich die beiden Kultivierungsstufen bezüglich ihrer Kohlenstoffquelle unterscheiden oder identisch sein. Unabhängig davon wird die Kultivierung in der zweiten Stufe so durchgeführt, daß der Anteil wachsender Zellen kleiner als 30 Ma.-% ist. Im Ergebnis der Kultivierung in der zweiten Stufe erhält man auf diese Art und Weise eine Mikroorganismensuspenion S₃ mit einer Konzentration X₃. Die Konzentration X₃ sollte im Bereich von 6 bis 13 Ma.-% liegen. Diese Mikroorganismensuspension wird anschließend einer Trockenstufe zugeführt und nach üblichen Verfahren, beispielsweise Verdampfung, Sprühtrocknung oder Wirbelschichtgranulation, getrocknet. In speziellen Fällen kann diese Suspension auch ohne Trocknung einer Anwendung zugeführt werden, beispielsweise einer Flüssigverfütterung

In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Art MB 53 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen kultiviert, wobei die erste Stufe aus zwei Fermentoren 1 und die zweite Stufe aus einem Fermentor 2 bestand (Fig. 1). Es handelte sieh dabei um Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 2Ol und einer Füllmasse von je 5kg. In allen Fermentoren wurde die Temperatur auf 38°C und der pH-Wert auf 6,8 gehalten. Über die Zuleitungen 8, 9 und 10 erfolgte die Dosierung von Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Weiterhin wurden den Fermentoren 1 über die Zuleitung 20 je Fermentor 545 g/h Rückführwasser aus der Trennstufe 16 zugeführt, so daß der Gesamtzulauf je Fermentor 1 1,0kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von D = 0,20 h"¹ entsprach. Dieses Rückführwasser enthielt Bakterienbiomasse in einer Konzentration von 2,2g/kg und 4,2g H₃PO₄/kg. Unter diesen Bedingungen wurde in beiden Fermentoren 1 eine Produktivität von 8,0g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht. Der gesamte Fermentorablauf der ersten Stufe wurde anschließend über die Zuleitung 17 in die Koagulationsstufe 15 dosiert. Hier erfolgte eine Vermischung mit 14,2 g Natronwasserglas/h über die Zuleitung 24. Danach erfolgte eine Erhitzung auf 8O⁰C und eine Vermischung mit 5,9g H₃PO₄/h über die Zuleitung 23. Die so koagulierte Bakteriensuspension wurde anschließend über die Zuleitung 18 der Trennstufe 16 zugeführt und durch Separation so aufgeteilt, daß 55Ma.-% der Suspension über die Zuleitung 20 den Fermentoren 1 und 45Ma.-% der ursprünglichen Suspension mit einer Biomassekonzentration von 87g/kg und einer Phpsphorsäurekonzentration von 2,4g/kg in einer Menge von 916g/h über die Zuleitung 19 in den Fermentor 2 dosiert wurden. Gleichzeitig erfolgte eine Dosierung von Methanol und Nährsalzlösung über die Zuleitungen 8 und 9, so daß die Verdünnungsrate D = 0,20h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 4,5g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf auf 10,3 Ma.-% erhöhte. Der Anteil wachsender Zellen im Fermentor 2 betrug 22 Ma.-%. Der Fermentorablauf des Fermentor 2 wurde über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt und somit ein Trockenprodukt 6 mit einem Wassergehalt von 8,5 Ma.-% erhalten. Gleichzeitig fiel über die Leitung 11 Wasserdampf an. Der Gesamtausstoß an Trockenprodukt betrug 103 g/h.

Im Vergleichsversuch wurden die drei Fermentoren unter den gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß wurde jedoch die doppelte Menge an Phosphorsäure benötigt. Weiterhin enthielt bei dieser Betriebsweise die Bakteriensuspension nur 8,7 Ma.-% Bakterientrockenmasse, so daß sowohl der Trennvorrichtung als auch der Trockenstufe größere Volumina zugeführt werden mußten.

Beispiel 2

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Art MB 53 auf der Basis von Methanol und Hefen der Art C. utilis auf der Basis von Kohlenhydrat in zwei Fermentoren kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 20 bzw. 101 eingesetzt wurden (Fig.2). Im Fermentor 1 betrug der Masseinhalt 10kg. Die Kultivierung der Bakterien MB53 wurde im Fermentor 1 so durchgeführt, daß die Temperatur auf 38°C und der pH-Wert auf 6,9 gehalten wurde. Über die Zuleitungen 8,9 und 10 erfolgte eine Dosierung von Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser, während über die Zuleitung 7 belüftet wurde. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 20 Rückführwasser aus der Trennstufe 16 in einer Menge von 1 090 g/h zugeführt'. Der Gesamtzulauf betrug 2,0 kg/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,20 h"¹ entsprach. Das Rückführwasser enthielt Biomasse in einer Konzentration von 2,2g/kg sowie 4,2g H₃PO₄/kg. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 8,0g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht, entsprechend einer Bakterienkonzentration von 4,1 Ma.-%. Dieser Fermentorablauf wurde

über die Zuleitung 17 der Koagulationsstufe 15 zugeführt, auf 80⁰C erwärmt und anschließend durch Zufügen von 6,2g h^POVh über die Zuleitung 23 koaguliert. Danach wurde die koagulierte Bakteriensuspension über die Zuleitung 18 der Trennstufe 15 zugeführt, wo eine Auftrenn u ng des Massestroms in zwei.Teile und eine Auf konzentrierung der Bakterien biomasse auf der Basis der Sedimentation erfolgte. Die obere Schicht wurde über die Zuleitung 20 in den Fermentor 1 zurückgeführt, während die untere Schicht, die 97 Ma.-% der ursprünglich vorliegenden Bakterien in einer Konzentration von 8,7 Ma.-% enthielt, über die Zuleitung 19 in einer Menge von 916g/h in den Fermentor 2 dosiert wurde. In diesem Teil der Bakteriensuspension befanden sich außerdem 2,4g H₃PO4/kg. Im Fermentor 2 wurden Hefezellen der Art C. utilis auf der Basis von Melasse gezüchtet, wobei die Temperatur auf 34⁰C und der pH-Wert auf 4,5 gehalten wurde. Der Fermentor 2 hatte eine Füllmasse von 5kg. Über die Zuleitungen 21 und 22 erfolgte eine Dosierung von Melasse und Nährsalzlösung, so daß eine Verdünnungsrate von D = 0,21 h~¹ vorlag. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 4,8g Hefebiomasse/kg/h realisiert. Der Anteil wachsender Zellen im Fermentor 2 betrug 23 Ma.-%. Der Fermentorablauf des Fermentor 2 wurde anschließend über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt. Nach Trocknung bei 110⁰C wurde ein Trockenprodukt 6 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 8,5 Ma.-% erhalten. Gleichzeitig fiel über die Leitung 11 Wasserdampf an. Der Gesamtausstoß an Trockenprodukt betrug 104g/h.

Im Vergleichsversuch wurden die zwei Fermentoren unter den gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß stieg der Verbrauch an Phosphorsäure um 40% und der Frischwasserbedarf auf das Doppelte. Aufgrund der geringeren Biomassekonzentration der erhaltenen Suspensionen und des Umstandes, daß die Hefezellen nicht mit Hilfe der Sedimentation aufkonzentriert werden können, sind verschiedene Trennverfahren erforderlich und liegen größere Volumenströme vor, die der Trocknung zugeführt werden müssen.

Beispie! 3

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Art MB 58 auf der Basis von Methanol mit Hilfe von Labordruckfermentoren, die ein Bruttovolumen von 201 aufwiesen, kultiviert. Durch Regelung wurde im Fermentor 1 (Fig. 3) und Fermentor 2 die Temperatur bei 33⁰C und der pH-Wert auf 4,1 gehalten. Über die Zuleitungen 8,9 und 10 erfolgte eine Dosierung von Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser, während die Luft über die Zu leitung 7 eingetragen wurde. Der Gesamtzulauf zu Fermentor 1 betrug 1,33 kg/h, was einer Verdünnungsrate von 0,133 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 8g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht, wobei im Fermentorablauf des Fermentor 1 eine Biomassekonzentration von 6,0 Ma.-% vorlag. Dieser Fermentorablauf wurde anschließend über die Zuleitung 13 der Abtötungsstufe 12 zugeführt, die aus zwei Wärmetauschern bestand und in der die Bakterien bei einer Temperatur von 85°C abgetötet wurden. Danach wurde die so behandelte Bakteriensuspension über die Zuleitung Minden Fermentor 2 dosiert, wobei gleichzeitig über die Zuleitungen 8 und 9 Methanol und Nährsalzlösung dem Fermentor zugeführt wurde. Der Gesamtzulauf zu Fermentor 2 betrug 1,42 kg/h, was bei einer Füllmasse von 10 kg einer Verdünnungsrate von D = 0,142 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 2,2g Bakterienbiomasse/kg/h erreicht, wodurch sich die Biomassekonzentration im Ablauf des Fermentor 2 auf 7,2 Ma.-% erhöhte. Der Anteil der wachsenden Zellen betrug 22Ma.-%. Über die Zuleitung 5 gelangte der Fermentorablauf in die Trockenstufe 3, wo eine Trocknung bei 11O⁰C durchgeführt wurde. Das Trockenprodukt 6 hatte danach einen Feuchtigkeitsgehalt von 6,8Ma.-%. Der Gesamtausstoß betrug 102 g Bakterienbiomasse/h. Über die Leitung 11 wurde Wasserdampf abgeführt.

Im Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren 1 und 2 unter gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß wies die vereinigte Bakteriensuspension nur eine Konzentration von 3,7Ma.-% auf, so daß der Trockenstufe ein wesentlich größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte bzw. Trennstufen zur Aufkonzentrierung notwendig wären. Der zusätzliche Wasserbedarf betrug bei dieser Variante 1,33kg/h.

Beispiel 4

In einem 121 Labordruckfermentor 1 mit 4,2 kg Masseinhalt wurden Bakterien mit der Bezeichnung MB 58 auf der Basis von Methanol bei einem pH-Wert von 4,1 und bei einer Temperatur von 33⁰C gezüchtet (Fig. 4). Dem Fermentor 1 wurden über die Zuleitungen 8, 9 und 10 Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser zudosiert und somit eine Verdünnungsrate von D = 0,143h~¹ eingehalten. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Unter diesen Bedingungen erhielt man eine Biomassekonzentration von 83,3g/kg. Der Fermentorablauf des Fermentor 1 gelangte über die Zuleitung 4 in den Fermentor 2, der einen Masseinhalt von 2,1 kg aufwies. Im Fermentor 2 wurde bei einer Temperatur von 38°C und einem pH-Wert von 7,0 die Bakterienkultur MB53 auf der Basis von Methanol gezüchtet. Über die Zuleitungen 8,9 und 10 wurden dem Fermentor 2 Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser zudosiert, wobei eine Verdünnungsrate von D = 0,33h"¹ eingehalten wurde. Die Belüftung erfolgte über die Zuleitung 7. Die unter diesen Bedingungen neu gebildete Bakterienbiomasse betrüg 19g/kg. Der Fermentorablauf des Fermentor 2 wurde anschließend über die Zuleitung 5 der Trockenstufe 3 zugeführt, wobei die Biomassekonzentration des Fermentorablaufs einen Wert von 98,6g/kg hatte. Der Gesamtausstoß an Trockenprodukt 6 betrug 69g/h.

Der Anteil an gewachsenen Zellen im Fermentor 2 betrug 27,5Ma.-%. Über die Leitung 11 wurde Wasserdampf abgeführt. Im Vergleich zu diesem Beispiel wurden die Fermentoren 1 und 2 unter gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Die Gesamtablauf menge vergrößerte sich dabei auf 1,3 kg/h, während die Biomassekonzentration der vereinigten Fermentorabläufe einen Wert von nur 53g/kg aufwies. Somit mußten bei dieser Verfahrensweise der Trockenstufe größere Volumenströme zugeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß man Mikroorganismen in zwei Stufen kultiviert, derart, daß der Anteil wachsender Zellen in der zweiten Kultivierungsstufe kleiner als 30Ma.-% ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kultivierungsstufen über eine Abtötungsstufe miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abtötungsstufe die Mikroorganismensuspension mit Hilfe einer Fest-Flüssig-Trennstufe konzentriert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom der Trennstufe, der in die zweite Kultivierungsstufe dosiert wurde, mindestens 80 Ma.-% der Mikroorganismen enthält und eine Konzentration von 4 bis 10 Ma.-% aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kultivierungsstufen direkt miteinander verbunden werden, wobei die Inaktivierung der Mikroorganismen der ersten Stufe durch inhibierende Kultivierungsbedingungen in der zweiten Kultivierungsstufe erreicht wurde.