DD285991A5 - Verfahren zur erzeugung von biogenen extracellulaeren flockungsmitteln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von biogenen extracellulaeren Flockungsmitteln. Das mikrobielle Herstellungsverfahren fuer ein neues Flockungsmittel nutzt die an sich bekannte Bakterienart Acetobacter methanolicus als Produzent flockulativ wirksamer Biopolymere, wobei die Induzierung der Ausschuettung durch eine P-Limitation bewirkt wird. Dabei wird der Kultivierungsprozesz bis an die kritische Durchfluszrate gefahren und die P-Dosierung diskontinuierlich so vorgenommen, dasz eine Oszillation innerhalb des Limitationsbereiches erreicht wird. Das gewonnene Flockungsmittel ist sowohl gegenueber seinen Produzenten als auch weiteren Mikroorganismen und anderen suspendierten Partikeln wirksam.{Flockungsmittel; Biopolymer; Induktion; Limitation; Herstellungsverfahren; Bakterien; Acetobacter methanolicus; Durchfluszrate}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Bioflockungsmittels, welches z. B. zur Aufkonzentrierung von Sedimentstoffen, für die Wasseraufbereitung, die Papierindustrie und im medizinischen Bereich einsetzbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Literatur wurde eine Reihe von Verfahren beschrieben, die sich mit der Herstellung von Flockungsmitteln mikrobieller Herkunft befassen. Derartige Flockungsmittel werden für verschiedene Anwendungsbereiche vorgesehen, beispielsweise die Wasseraufbereitung, den Einsatz für medizinische Zwecke, die Papierproduktion u. ä. Die verwendeten Mikroorganismen, Pilze und Bakterien, weisen ein großes Spektrum hinsichtlich ihrer taxonomischen Zugehörigkeit auf, und die flockulativ wirkenden Verbindungen selbst sind entweder nicht näher hinsichtlich ihrer Natur charakterisiert, oder werden als Proteine, Polysaccharide oder auch Fettsäuren angegeben.

Im US-Patent 4.258.132 wird die Herstellung einer agglutinierenden Substanz aus Dermatiacea beansprucht. Die Kultivierung der Mikroorganismen erfolgt einer Verweilzeit von 72 Stunden, überdies tritt Gelbildung während der Fermentation auf, was sich ungünstig auf das mikrobielle Wachstum und die prozeßtechnische Beherrschung auswirkt. Darüber hinaus Ist eine mehrstufige Aufarbeitung erforderlich.

Im US-Patent 4.514.560 wird ein aggregie-endes Polysaccharid, das von Aureobacidium synthetisiert wird, beschrieben. Auch bei diesem vorgeschlagenen Verfahren wird das Endprodukt durch eine zeit- undchemikalienaufwendige Aufarbeitung erhalten; der Kultivierungsprozeß ist ebenfalls nur mit einer geringen Raum-Zeit-Ausbeute verbunden.

Dieses Merkmal ist allen Verfahren eigen, die zur Problematik der Erzeugung von aggregationsfördernden Biopolymeren im Stand der Technik bekannt sind: selbst in batch-Fahrweise kann der Prozeß nur mit langen Reaktionszelten im Fermentor realisiert werden und weist somit stets eine schlechte Raum-Zeit-Ausbeute aus.

Handelt es sich bei den Polymeren um intracelluläre Verbindungen, i.st ein Gewinnungsverfahren mit einer Lyse der Produzenten verbunden. So wird gemäß EP 149514 ein Flockungsmittel gewonnen, das durch thermische oder chemische Lyse verschiedener Kulturen (Pseudomonas fluorescens, P. putida, Bacillus cereus oder E.coli) hergestellt wird. Die Kultivierungszeiten betragen bis zu 270 Stunden. Somit ist auch hier nur eine geringe Raum-Zeit-Ausbeute zu verzeichnen, die Lyse selbst erfordert entsprechende Maßnahmen, die die Ökonomie des Verfahrens belasten.

Mit dem US-Patent US 4.649.110 ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem der zu den Cyanobakterien gehörende Stamm Phoranidum sp. kultiviert wird und sowohl die Zeilinhaltsstoffe nach einer Lyse als auch ausgeschiedene Polymere als flockungsaktive Komponente verwendet werden können. Dabei ist eine spezielle Führung der Ca-Ionenkonzentration erforderlich, die während des exponentiellen Wachstums der Bakterien hoch ist und zur Induzierung der Ausschüttung der Polymeren reduziert wird. Auch bei diesem Verfahren sind für die mikrobielle Gewinnung der Flockungsmittel mehrere Tage Kultivierungsdauer angeführt, so daß eine niedrige Raum-Zeit-Ausbeute resultiert. Für die Realisierung eines industriellen Flockungsverfahrens sind die im Stand der Technik bekannten Gewinnungsverfahren nicht geeignet.

Ziel der Erfindung Die Erfindung hat das Ziel, unter hoher Raum-Zeit-Ausbeute ein mibobielles Flockungsmittel kostengünstig herzustellen. Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, leistungsfähige Mikroorganismen auszuwählen und die !erforderlichen Prozeßbedingungen anzugeben, unter denen flockungsaktive Verbindungen in das Kulturmedium ausgeschüttet werden. Erfindungsgemäß erfolgt dier, durch Kultivierung von Bakterien der Art Acetobacter methanolicus in einem kontinuierlichen Prozeß nahe der kritischen Durchflußrate, wobei die Induzierung der Ausschüttung flockungsaktiver Biopolymere durch P-Limitation erfolgt.

Die Eignung von Bakterien der Art Acetohacter methanolicus als Produzent für extracellular flocKungsaktive Biopolymere ist

völlig überraschend.

Es ist bekannt, daß Stemme dieser Art nur über eine minimale Anzahl elektronegativer Ladungsträger verfügen, was zum Versagen aller bekannten Flockungsmittel führt, deren Wirkungsweise auf Brückenbindungseffekte beruhen. Suspensionen, die Bakterien von Acetobacter methanolicus enthielten, weisen eine hohe Koagulationsstabilität auf. Destabilisierung und damit Sedimentation der Bakterien konnta bislang nur erreicht werden, wenn eine thermische und/oder Alkalibehandlung erfol jte. Auch eine Koagulation mit Lectinen war nicht erfolgreich. Selbst der Versuch einer heterologen Aggregation der Stämme von A. methanolicus mittels E.coli-Bakterien führte nur in Einzelfällen zum Erfolg, jedoch ohne technisch ausnutzbaren Wirkungsgrad. Der Faqhmann hatte aus seinen langjährigen Untersuchungen keinerlei Hinweise dafür entnehmen können, daß diese Stämme

als Produzenten eines mlkrobieilen Flockungsmittels erfolgreich einsehbar sein könnten.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß im Gegensatz zu dieser Auffassung Stämme der genannten Art dann

flockungsaktive Biopolymere in das Medium eines unter optimalem Biomassewachstum laufenden kontinuierlichen

Kultivierungsprozesses ausschütten, wenn durch P-Limitation eine derartige Ausschüttung induziert wird und der Kultivierungsprozeß nahe der kritischen Durchflußrate gefahren wird. Der vorteilhafte Parameterbereich hierfür beträgt 0,11 bis

0,13/h, vorzugsweise 0,125/h.

Die für eine Induzierung der Biopolymerausschüttung erforderliche P-Limitation wird durch eine Phosphatkonzentration von

< 16mg POa-P/I erreicht. Die Dosierung der P-Quelle kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise diskontinuierlich erfolgen, um bei P-Limitation eine endliche, nicht inhibitorische Substratkonzentration aufrechtzuerhalten. Dabei wird eine Ausschüttung der flockülierend wirkenden Polymeren erreicht, der Prozeß der Biomassebildung selbst jedoch nicht negativ beeinflußt. Da die

P-Limitation nur kurzzeitig wirksam zu sein braucht, kann bei nahezu maximaler Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen eine hohe Produktivität der Biomassebildung durch einen hohen Anteil aktiver Biomasse beibehalten werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn unter Verwendung von Phosphorsäure als P-Quelle die Regelung des

pH-Wertes erfolgt und durch eine diskontinuierliche Dosierung eine Oszillation der Phosphatkonzentration in einem

Konzentrationsbereich von 0 bis 60 mg PO4-P/I erreicht wird. Dabei wird der Llmitationsbereich < 16 mg PO4-P/I durchlaufen und

die Biopolymerausschüttiing ausgelöst. Bei Erreichen der unteren Grenzkonzentration ist unverzüglich Phosphorsäure zu dosieren. Die Oszillationszeiten sollten dabei in der Größenordnung der Verweilzeit liegen.

Das Flockungsmittel kann auf bekannte Art und Weise durch Fällung mit quarternären Ammoniumverbindungen, durch Membrantrennverfahren bzw. durch Eindicken im Vakuum aufkonzentriert werden. Fürspezielle Anwendungsfälle,z. B. inder Abwasserreinigung, ist eine Aufkonzentrierung des Flockungsmittels nicht unbedingt

erforderlich, da die Konzentration in der Kulturflüssigkeit einen direkten Einsatz erlaubt.

Die überraschendste und technisch bedeutsamste Wirkung bei seinem Einsatz besteht in der Fähigkeit, Stämme von A. methanolicus zu flocken und dadurch eine Eigensedimentation hervorzurufen. Damit ist eine wesentliche Verbesserung ihrer Aufkonzentrierbarkeit verbunden. Darüber hinaus ist es gegenüber vielen anderen Mikroorganismen und dispersen Feststoffen

wirksam.

Die Erfindung soll durch die folgenden Beispiele näher erläutert werden. Ausführungsbelsplele Beispiel 1

Bakterien des Stammes Acetobacter methanolicus IMET B346 werden beim pH-Wert von 4,1 und bei 32⁰C mi' diner Durchflußrate von 0,11 h"' kontinuierlich aerob kultiviert. Die Nährlösung weist folgende Zusammensetzung auf (Bedarf Element pro g Biomasse):

Element	mg/g BTS	Verbindung
K	10	KCI
P	20	H3P0«
Mg	2,500	MgSO4-7 H2O
Cu	0,200	CuSO4-5 H2O
Fe	0,337	FeSO4-7 H1O
Zn	0,154	ZnCI2
Mn	0,464	MnSO4
Co	0,0075	CoSO4-7 H2O
Ni	0,0228	NiCI2 6 H2O
Cr	0,0150	CrCI,-6 H2O
Al	0,0150	AI2(SO4),
Ca	0,1499	Ca(NO3),-4 H2O
B	0,2250	H3BO4
Mo	0,0163	Na2MoO4-2 H2

Als C-Quelle wird eine 15Vol.-%ige Methanollösung (Restmethanolkonzentration im Fermentor 0,1 g/l) als C-Quelle zugesetzt. Zur Auslösung der Flockungsmittelausschüttung wird die aktuelle Phosphatkonzentration von 100mg/l (bezogen auf 5g/l BTS) auf 16mg/g reduziert. Die unter diesen Bedingungen extracellular ausgeschiedene Polysaccharidmenge beträgt 96mg/g BTS. Die Wirksamkeit des Bioflockungsmittels wird turbidimetrisch gegenüber Kaolin bestimmt und liegt in der gleichen Größenordnung wie für das synthetische Flockungsmittel PoIy-DMDAAC.

Beispiel 2

In einer kontinuierlichen Fermentation werden Bakterien des Stammes Acetobacter methanolicus IMET11402 bei einer Durchflußrate von D - 0,126h'¹, einem pH-Wert von 4,1 und bei 32⁰C kultiviert. Nährlösung und Methanol als C-haltiges Substrat werden, wie in Beispiel 1 angegeben, eingesetzt. Die P-Konzentration der Nährlösung wird durch diskontinuierliche Dosierung der Phosphorsaure so gesteuert, daß sich die Phosphatkonzentration im Bereich von 0 bis 50mg/l oszillierend bewegt. Bei Erreichen des unteren Grenzwertes wird sofort Phosphorsäure dosiert. Die Oszillationszeit beträgt 8 Stunden. Unter diesen Bedingungen werden 140 mg exocellulSres Biopolymer pro g BTS erhalten. Es entsprach in seiner Wirksamkeit Flockungsmittel nach Beispiel 1.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erzeugung von biogenen extracellulären Flockungsmitteln durch Kultivierung von Bakterien, gekennzeichnet durch

- Kultivierung von Bakterien derArtAcetobactermethanolicus in einem

- kontinuierlichen Prozeß nahe der kritischen Durchflußrate sowie

- Induzierung der Ausschüttung der flockungsaktiven Biopolymeren durch P-Limitation

2. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Durchflußrate von 0,11 bis 0,13, vorzugsweise von 0,125/h.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine P-Konzentration im Bereich von 0 bis 50 mg PO₄-P/!, vorzugsweise von < 16mg/l.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch eine diskontinuierliche Dosierung der P-Quelle oszillierender Einstellung der P-Limitation, wobei die Oszillationszeiten in der Größenordnung der Verweilzeit liegen sollte.