DD262766A3 - 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 Festfluessig-Trennstufe und eine Abtoetungsstufe miteinander verbunden, wobei die Reihenfolge dieser Stufen vertauscht werden kann. Auf diese Art und Weise erhaelt man nach der zweiten Kultivierungsstufe eine Mikroorganismensuspension, deren Konzentration ueber dem Wert liegt, der mit einer einzelnen Stufe erreichbar waere.

Description

(Vertauschung der Stufen). Anschließend dosiert man die so behandelte Mikroorganismensuspension in eine zweite Kultivierungsstufe, in der Mikroorganismen in bekannter Art und Weise kultiviert werden. Nach dieser Verfahrensweise erhält man als Fermentorablauf eine Mikroorganismensuspension S₃, deren mikrobielle Biomasse sich aus den abgetöteten Mikroorganismen der ersten Kultivierungsstufe und den in der zweiten Kultivierungsstufe gezüchteten Mikroorganismen zusammensetzt. Die Konzentration X₃ sollte im Bereich von 6 bis 13Ma.-% liegen, kann aber auch kleiner als 6Ma.-% sein. Zur weiteren Wasserabtrennung wird die Mikroorganismensuspension S3 einer Fest-flüssig-Trennstufe, beispielsweise einer Separation und/oder einer Verdampfung, zugeführt und die Mikroorganismen als Trockenprodukt gewonnen. In besonderen Fällen kann die Mikroorganismensuspension S3 auch einer sofortigen Verwertung, beispielsweise einer Flüssigverfütterung, zugeführt werden.

Ausführungsbeispiele

In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Ethanol und Bakterien mit der Bezeichnung MB 58 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 2Ol eingesetzt wurden. Dementsprechend enthielt der Fermentor 1 (Fig. 1) die Hefe Candida utilis, die bei einer Temperatur von 34⁰C und bei einem pH-Wert von 4,5 kultiviert wurden. Die Dosierung der Hilfsstoffe wie Ethanol, Nährsalzlösung und Frischwasser erfolgte über die Zuleitungen 14,15 und 7. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 18 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 17 zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 2,0kg/h betrug, was einer Verdünnungsgeschwindigkeit von D = 0,2 h"¹ entsprach. Dieses Rückführwasser enthielt eine Hefekonzentration von 12,6g/kg. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 9g Hefebiomasse/kg · h erzielt.

Der Fermentorablauf des Fermentors 1 wurde über die Zuleitung 16 der Trennstufe 17 zugeführt und mitteis Separation in zwei gleichgroße Masseströme geteilt. Die mit Hefe angereicherte Phase wurde in einer Menge von 1,05kg/h und mit einer Konzentration von 8,6Ma.-% an Hefezellen über die Zuleitung 19 in die Abtötungsstufe 3 dosiert, wo die Hefezellen durch Erwärmen auf 85⁰C abgetötet wurden. Die so behandelte Hefesuspension wurde anschließend über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2 dosiert. Im Fermentor 2 wurden Bakterien der Bezeichnung MB58 auf der Basis von Methanol kultiviert. Die Temperatur wurde durch Regelung auf 33⁰C und der pH-Wert auf 4,1 gehalten. Außerdem wurden über die Zuleitungen 5 und Methanol und Nährsalzlösung dosiert, so daß der Gesamtzulauf 1,25 kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von D = 0,125 h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 2 eine Produktivität von 5,2 g Bakterienbiomasse/kg h erreicht, so daß sich die Biomassekonzentration im Fermentorablauf der Fermentors 2 auf 11,4Ma.-% erhöhte.

Über die Zuleitung 11 wurde dieser Fermentorablauf der Trocknungsstufe 4 zugeführt und die mikrobielle Biomasse bei 110°C getrocknet. Das Trockenprodukt, das einen Wassergehalt von 9 Ma.-% aufwies, wurde in einer Menge von 142 g/h erhalten. Über die Zuleitung 13 wurde Wasserdampf abgeführt.

Im Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren unter den gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Bei vergleichbarem Gesamtausstoß wies die mikrobielle Suspension nur eine Konzentration von 8,6Ma.-% auf, so daß sowohl der Trennstufe als auch der Trocknungsstufe ein größerer Volumenstrom zugeführt werden mußte.

Beispiel 2

Es wurden kontinuierlich Bakterien der Bezeichnung MB 58 auf der Basis von Methanol in zwei Stufen kultiviert, wobei Labordruckfermentoren mit einem Bruttovolumen von 2Ol eingesetzt wurden (Fig. 2). Durch Regelung wurde im Fermentor 1 und Fermentor 2 die Temperatur bei 33°C und der pH-Wert auf 4,1 gehalten. Über die Zuleitungen 5,6 und 7 wurden Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser dosiert, während die Luft über die Zuleitung 8 eingetragen wurde. Außerdem wurde dem Fermentor 1 über die Zuleitung 18 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 17 in einer Menge von 845g/h zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 1,67 kg/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,167 h"¹. Das Rückführwasser enthielt Bakterienbiomasse in einer Konzentration von 2,4Ma.-% sowie 7,7g H₃PO4/kg. Unter diesen Bedingungen erhielt man eine Produktivität von 7,5g Bakterienbiomasse/kg · h, wobei der Fermentorablauf des Fermentors 1 eine Bakterienkonzentration von 5,7 Ma.-% aufwies.

Der so erhaltene Fermentorablauf wurde über die Zuleitung 9 der Abtötungsstufe 3 zugeführt. Hier erfolgte die Abtötung der Bakterien mittels Phosphorsäure, die in einer Menge von 11,3 g/h über die Zuleitung 21 dosiert wurde. Die Bakteriensuspension wurde anschließend über die Zuleitung 20 der Trennstufe 17 zugeführt. In der Trennstufe 17 erfolgte eine Aufteilung des Massestromes in zwei Teile, wobei 80Ma.-% der Bakterienbiomasse in einem Teilstrom bei einer Konzentration von 7,8 Ma.-% durch Separation konzentriert wurden. Dieser Teilstrom gelangte anschließend über die Zuleitung 10 in den Fermentor 2, wobei zusätzlich über die Zuleitungen 5,6 und 7 Methanol, Nährsalzlösung und Frischwasser eingetragen wurden. Die Belüftung des Fermentors 2 erfolgte über die Zuleitung 8. Die Verdünnungsrate betrug D = 0,128h~¹. Unter diesen Bedingungen wurde eine Produktivität von 6,5g Bakterienbiomasse/kg · h erreicht, wobei die Biomassekonzentration 10,9Ma.-% betrug. Dieser Fermentorablauf wurde über die Zuleitung 11 der Trockenstufe 4 zugeführt und ein Trockenprodukt 12 mit einem Wassergehalt von 9,8Ma.-%in einer Menge von 140 g/h erhalten. Gleichzeitig wurde über die Leitung 13 Wasserdampf abgeführt. Im Vergleichsversuch wurden die beiden Fermentoren fund 2 unter gleichen Bedingungen, aber parallel betrieben. Dabei erhöhte sich bei vergleichbarem Gesamtausstoß und bei gleicher Sicherheit der Abtötung der Bakterienzellen die erforderliche Phosphorsäuremenge um 100%. Weiterhin vergrößterte sich der Volumenstrom, der sowohl der Trennstufe als auch der Trocknungsstufe zugeführt werden mußte.

Beispiel 3

Ineinenrzweistufigen Fermentationssystem, bestehend aus den beiden Druckfermentoren 1 und 2, wurden auf der Basis von Kohlehydraten Hefen der Art Candida utilis bzw. Bakterien der Gattung Corynebakterium gezüchtet. Der Fermentor 1 hatte ein Bruttovolumen von 101 und eine Füllmasse von 5 kg. Die Kultivierung^der Hefe Candida utilis wurde bei einer Temperatur von 34°C und bei 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 ein Rückführwasser aus der Trennstufe 17 zugeführt, so daß der Gesamtzulauf 1,0 kg/h betrug, was einer Verdünnungsrate von 0,2h~¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentor 1 eine Produktivität von 10g Hefebiomasse/kg · h erzielt. Der Fermentorablauf der Fermentors 1 wurde über die Zuleitung .16 in die Trennstufe 17 dosiert und mittels Separation in zwei Masseströme geteilt. Die mit Hefe angereicherte Phase wurde in einer Menge von O,6kg/h bei einer Hefekonzentration von 8,3 Ma.-% über die Zuleitung 19 der Abtötungsstufe 3 zugeführt.

In der Abtötungsstufe 3, 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 3O⁰C über die Leitung 10 der zweiten Fermentationsstufe zugeführt, die aus zwei diskontinuierlich betriebenen Sterilfermentoren von je 501 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 2 erfolgte mit einer Bakterienkultur der Gattung Corynebakterium, die einer Vorkultivation entstammte. Die Kultivierung in den Fermentoren 2 wurde bei einer Temperatur von 3O⁰C und bei einem pH-Wert von 6,8 durchgeführt. Über die Leitung 8 wurde Luft eingetragen. Unter diesen Bedingungen wurde nach einer Kultivierungsdauer von 72 Stunden eine Bakterienkonzentration von 2,3Ma.-% erreicht, wodurch sich die gesamte Biomassekonzentration auf 9,1 Ma.-% erhöhte.

Der Fermentorinhalt wurde anschließend über die Leitung 11 der Trocknungsstufe 4 zugeführt und dort bei 110°C getrocknet. Über die Leitung 13 wurde Wasserdampf abgeführt. Das gewonnene Trockenprodukt 12 enthielt neben der Hefe- und Bakterienbiomasse außerdem aus der wäßrigen Phase aufgetrocknetes Lysin.

Claims (3)

1. Verfahren zur Konzentrierung von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß man Mikroorganismen in zwei Stufen kultiviert, derart, daß man die beiden Kultivierungsstufen über eine Fest-flüssig-Trennstufe und eine Abtötungsstufe verbindet, wobei die Reihenfolge dieser Stufen vertauscht werden kann.

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

Hierzu

3 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 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 1563392, 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. 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 der Abwassermenge.

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 Kuitivierungsstufen über eine Trenn- und Abtötungsstufe miteinander verbunden werden. Die Verfahrensweise ist folgende. Man kultiviert Mikroorganismen in bekannter Art und Weise und erhält als Fermentorablauf eine Mikroorganismensuspension S₁ mit einer Konzentration X₁ (erste Kultivierungsstufe). Der Begriff Stufe soll bedeuten, daß es sich um eine Kultivierung mit einem Fermentor oder auch mehreren Fermentoren handeln kann. Die Mikroorganismensuspension S₁ wird nun mit Hilfe eines Verfahrens zur Fest-flüssig-Trennung (Trennstufe), beispielsweise durch Separation, konzentriert, wobei man als Teilstrom eine Mikroorganismensuspension S₂ mit einer Konzentration X₂ erhält. Die Konzentration X₂ sollte im Bereich von 4 bis 10Ma.-% liegen. Der in der Trennstufe anfallende zweite Teilstrom, der unverbrauchte Nährsalze und einen kleinen Anteil der Mikroorganismen enthält, wird in die erste Kultivierungsstufe zurückgeführt oder als Abwasser aus dem Prozeß herausgeführt. Die Mikroorganismensuspension S₂, die mindestens 80Ma.-% der in der ersten Kultivierungsstufe erzeugten Mikroorganismen enthalten sollte, wird weiter einer Abtötungsstufe zugeführt, in der die Mikroorganismen beispielsweise durch Einwirkung von Temperatur, chemischen Substanzen oder Strahlung abgetötet werden. In speziellen Fällen kann die Abtötung auch vor der Konzentrierung erfolgen