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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernung von organischen Substanzen aus verdünnten Lösungen bzw. Suspensionen, insbesondere auf die Reinigung von mit organischen Substanzen belasteten Abwässern.
Die Reinigung dieser Abwässer erfolgt üblicherweise mit Hilfe des Belebtschlammverfahrens oder verschiedener Perkolations- oder Tauchkörpermethoden. Es handelt sich dabei um einen aeroben Abbau der organischen Substanz durch mikrobielle Mischpopulationen, insbesondere von Bakterien.
Der dabei anfallende Schlamm, der zur Hauptsache aus Bakterienmasse besteht, kann wohl als Dünger verwertet werden, bereitet aber Sorgen in der Eindickung und der Verteilung an die landwirtschaftlichen Betriebe und erzielt nur einen geringen Preis.
Organisch belastete industrielle und gewerbliche Abwässer weisen einen derart hohen"Biologi- schen Sauerstoffbedarf" (BSB) oder "Chemischen Sauerstoffbedarf" (CSB) auf, dass die üblichen Reinigungsverfahren sehr teuer werden.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, an Stelle der Bakterien Hefe zur Reinigung des Abwassers einzusetzen und diese Hefe im Abwasser aerob zu züchten ; hiebei wird die organische Substanz des Abwassers, als welche bisher ausschliesslich Zucker verwendet wurde, unter Bildung von Alkohol abgebaut. Als wesentlich wurde jedoch nicht die Alkoholproduktion, sondern die Vermehrung der Hefe angesehen, wobei insbesondere die Bildung von Eiweissstoffen aus zuckerhaltigen Abwässern als interessant angesehen wurde. Im Hinblick darauf jedoch, dass bisher die Trennung der gezüchteten
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losen Absetzung der Hefe führten) verbunden war, konnten sich die bekannten Verfahren in der Praxis nicht durchsetzen.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass man die Reinigung des Abwassers durch aerobe Züchtung von Hefe wesentlich vereinfachen kann, wenn man darauf achtet, dass man besondere, nämlich stark flockulierende, Hefearten verwendet. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Entfernung von organischen Substanzen aus verdünnten Lösungen bzw. Suspensionen insbesondere zur Reinigung organisch belasteter Abwässer und Abläufe, wie z. B. Abläufe aus der Fabrikation von Zucker, Stärke, Gärungsalkohol, Zitronensäure, Erdölprodukten unter gleichzeitiger Gewinnung von wertvollen Klärschlämmen, indem diese Lösungen bzw.
Suspensionen einem Belebtschlammverfahren unter Zusatz von Mikroorganismen-Kulturen und unter Rückführung von in einem Sedimentationsbehälter abgesetztem Belebtschlamm in das Belebungsbecken unterzogen werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Lösungen bzw. Suspensionen vor oder während ihrer Behandlung im Belebungsbecken mit einer oder mehreren Heferassen, insbesondere der Gattung Candida, geimpft werden ; wobei diese Heferassen durch eine minimale Sinkgeschwindigkeit der Hefezellenaggregate von mindestens 10 mm pro min, gemessen in einem zylindrischen Gefäss eines Durchmesser :
Höhenverhältnisses von 1 : 7 mit mindestens 20 mm Innendurchmesser bei einer Hefekonzentration von 10 g Trockensubstanz pro Liter und einer Temperatur von 300C charakterisiert sind und dass im praktischen Betrieb die Verweilzeit des Belebtschlammes unter 60 min im Sedimentationsbehälter gehalten
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kontinuierlichem Betrieb ein der Bildung neuer Hefen entsprechender Teil des Belebtschlammes aus dem System abgeführt wird.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemässe Verfahren Hefestämme eingesetzt, die in der Kultursammlung des Institutes für angewandte Mikrobiologie der Hochschule für Bodenkultur, Wien, unter den Nr. 10112, 10142,10143, 10144,10145, 10146,10147, 10148,10149, 10150,10151 bzw. bei der Kultursammlung für Pilze und Hefen in Baarn unter den Nr. CBS 6628, CBS 6629, CBS 6630, CBS 6631, CBS 6632, CBS 6633, CBS 6634, CBS 6635, CBS 6636, CBS 6637, CBS 6638 registriert sind.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltene Hefe kann nach dem Trocknen in Form von Trockenhefe als eiweiss- und vitaminreicher Futtermittelzusatz oder als Nährhefe für menschliche Ernährung verwendet werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Hefeausbeute, gemessen an der Menge zugeführter organischer Substanz, so hoch oder gar höher sein kann wie in einer konventionellen Hefefabrikation (wo sie z.
B. 40 bis 50 Gew.-% Trockenhefe, bezogen auf das Substrat, beträgt, wenn die Hefe auf zuckerhaltiger Melasse gezüchtet wird), und dass weiter die Produktivität des Reaktionsgefässes (Hefetrockenmasse pro Volumen- und Zeiteinheit) beliebig
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hoch gewählt werden kann, d. h. ebenso hoch wie oder höher als in den bisher zur Hefeproduktion verwendeten Fermentoren, werden auf diese Weise keine Kosten bei der Reduzierung des BSB des
Abwassers anfallen, sondern es wird ein Gewinn erzielt. Dabei wird die organische Substanz bis zu 90% aus dem Abwasser entfernt.
Das Prinzip des Verfahrens besteht darin, eine stark flockulierende Hefe in Gegenwart geeig- neter Nährstoffe unter Belüftung und Rühren zu züchten, woduch die von der Hefe verwertbaren organischen Bestandteile teils oxydiert, teils assimiliert werden, die Hefe in einem sehr kleinen
Absetzbehälter von der flüssigen Phase getrennt wird, ein Teil der abgesetzten Hefe dem belüfteten
Fermentor zurückgeführt und die Überschusshefe gesammelt, gewaschen und getrocknet wird. Dieses
Verfahren ist nur dann ökonomisch realisierbar, wenn eine Hefe zur Verfügung steht, die genü- gend starke Flockulationsfähigkeit besitzt, damit die Flockulationsbehälter genügend klein dimen- sioniert werden können, und damit ein genügend hoher Trockensubstanzgehalt in der sedimentierten
Hefe erreicht wird.
Starke Flockulationsfähigkeit resuliert in hoher Absinkgeschwindigkeit dieser Hefeflocken im Vergleich zu solchen Heferassen, welche in disperser Form, d. h. einzellig oder als Hefeaggre- gate oder Sprossverbände von ein paar wenigen Zellen, vorliegen. Als hohe Absinkgeschwindigkeit kann man Werte von etwa 10 mm pro Minute ansehen. Diese Absetzgeschwindigkeit muss unter stan- dardisierten Bedingungen gemessen werden, inbesondere unter der Berücksichtigung von Hefekonzentrationen und Temperatur. Zur Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit wird ein zylindri- sches durchsichtiges Gefäss verwendet, welches in ein Wasserbad konstanter Temperatur eingetaucht ist.
Nachdem die Sedimentationsgeschwindigkeit mit fortschreitender Testzeit, d. h. mit zunehmender Hefekonzentration im Sediment abnimmt, wird als Kriterium die Anfangssedimentationsgeschwindigkeit bei einer Hefepopulationsdichte von 10 g Trockensubstanz pro Liter ermittelt. Zu diesem Zweck wird während der ersten 3 min in Abständen von 30 s die Sedimenthöhe der Hefesuspension bestimmt und durch graphische Extrapolation die Sedimentationsgeschwindigkeit zur Zeit Null ermittelt.
Bei stark flockulierenden Hefen bildet sich bei der Sedimentation eine eindeutige scharfe Grenzzone zwischen sedimentierter Hefe und Flüssigkeit aus.
Bei Sedimentationsgeschwindigkeiten von 10 mm pro Minute kann also eine rasche und problemlose Konzentrierung der Hefesuspension erreicht werden. Bei zu langen Verweilzeiten der Hefe im Sedimentationsbecken leidet die physiologische Aktivität der Hefe. Als obere Grenze dieser Verweilzeit wurden etwa 60 min erkannt, um eine problemlose kontinuierliche Züchtung der Hefe im Biomasse-Rezirkulationssystem zu gestatten.
Für die Abwasseraufarbeitung ist es zudem wesentlich, dass keine kostspieligen Vorbehandlungen notwendig sind. Beim vorliegenden Verfahren ist das der Fall. Das System ist derart unempfindlich gegen mikrobielle Kontamination und Infektion, dass die in der Hefefabrikation übliche Entkeimung des Züchtungsmediums entfallen kann.
Viele industrielle Abwässer besitzen von Haus aus Temperaturen, die für die Züchtung von Hefe nach bisherigen Ansichten zu hoch sind. Um die Kosten für die Kühlung der Fermentoren möglichst gering zu halten oder gar ausschalten zu können, ist die Züchtung einer wärmeliebenden (thermophilen) Hefe zweckmässig. Auch das ist nach dem vorliegenden Verfahren gelungen, indem
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Hefezüchtung bei 30 bis 32 C durchgeführt wird.
Im allgemeinen wurden für die oxydative Verwertung von organischen Substanzen vorzugsweise Vertreter der Hefegattung Candida eingesetzt. Zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens sind es, wie schon hervorgehoben, besonders ausgewählte Rassen, welche starke Flockulationsfähigkeiten aufweisen. Bei manchen Abwässern oder auch Lösungen von Zuckern ist die Zusammensetzung in bezug auf Nährstoffe insbesondere von Vitaminen sehr mangelhaft. Während die meisten Vertreter der Gattung Candida meistens ein oder mehrere Vitamine in ihrer Nährlösung benötigen und demnach für die Aufarbeitung vitaminarmer Lösungen oder Suspensionen oft ungeeignet sind, so zeigte sich, dass in diesen Fällen Vertreter der Art Saccharomyces kloeckerianus mit flockulierenden Eigenschaften wie oben beschrieben, in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können.
Bei der Züchtung flockulierender Hefestämme, wie oben beschrieben, wird eine hohe Selektivität
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erzielt, d. h. die gleichzeitige Entwicklung von unerwünschten Bakterien wird sehr stark hintangehalten. Dies beruht auf der während mehreren Jahren gemachten Beobachtung, dass unter Bedingungen für optimale Vermehrung von Hefen praktisch keine aggregierenden (oder flockulierenden) Bakterien auftreten.
Nachdem aber flockulierende Hefen zum Einsatz gelangen und die aktive Biomasse-Konzentration im Belüftungsbecken hoch gehalten wird, so ist die Verweilzeit der im kontinuierlichen System zulaufenden Lösung oder Suspension im Belüftungsbecken sehr klein, kleiner als die Vermehrungsgeschwindigkeit der Bakterien unter den herrschenden Bedingungen, wozu insbesondere der Säuregrad (PH) im Belüftungsbecken in einem leicht sauren Bereich, u. zw. zwischen
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Die folgenden Beispiele sollen die Leistungsfähigkeit des Verfahrens illustrieren, obschon sich selbstverständlich der Anwendungsbereich nicht auf die hier genannten Bedingungen beschränkt.
Beispiel 1 : Zur Anwendung gelangte eine Hefe der Gattung Candida, die spezifisch für das vorliegende Verfahren isoliert wurde. Die zur Verhefung verwendete Zuckerlösung enthielt pro Liter 2, 9 g Saccharose, was einem CSB von zirka 2, 9 g Sauerstoffbedarf pro Liter entspricht. Ausser Mineralsalzen, die für das Wachstum der Hefen unerlässlich sind, wurden keinerlei Nährstoffe zugegeben, d. h. der vorliegende Hefestamm ist auch vitaminunabhängig. Diese Nährlösung, welche z. B. ein Abwasser einer Zuckerfabrik simuliert, wurde durch konstante Dosierung mit einer Rate von 3, 6 1 pro Sekunde einem Fermentor zugeführt, dessen Arbeitsvolumen konstant auf 3, 5 bis
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die Hefe mit genügend Sauerstoff versorgt werden konnte. Mittels Titrator wurde die Wasserstoffionenkonzentration konstant bei einem PH-Wert von 4, 2 gehalten.
Die Temperatur betrug 43 C.
Der Überlauf des Fermentors wurde in ein konisches Gefäss von zirka 150 ml Inhalt geführt, in welchem sich die Hefe sofort absetzt ; die klare Flüssigkeit wurde abgezogen. In kurzen Intervallen wurde dort sedimentierte Hefe dem Fermentor zurückgeführt, so dass eine Konzentration von 6, 5 bis 7, 6 g Hefe (als Trockensubstanz) pro Liter Fermentorfüllung aufrecht gehalten wurde.
Der Überschuss an gebildeter Hefe wurde periodisch gesammelt.
Die nach 48 h gebildete Hefetrockenmasse (Überschuss) betrug 265 g. Der CSB-Wert des klaren Ablaufs lag zwischen 200 und 400 mg pro Liter. Da die Gesamtzuckermenge, die innerhalb 48 h dem Fermentor zugeführt wurde, 580 g betrug, errechnet sich die Hefeausbeute zu mehr als 45%. Dieser Wert wird auch in der konventionellen kommerziellen Hefefabrikation bei 10fach höherer Zuckerkonzentration im Zulauf kaum überschritten. Die Produktivität des Fermentors errechnet sich zu zirka 1, 53 g Trockenhefe pro Stunde und Liter Fermentorfüllung. Es liegt auf der Hand, dass diese Produktivität fast beliebig erhöht werden kann, nachdem diese lediglich von der Menge rückgeführter Hefe, von der Dosiergeschwindigkeit der Nährlösung bzw. des Abwassers und von der Leistungsfähigkeit der Fermentors (d. h. dessen Sauerstoff-Übertragungskapazität) abhängt.
Wie ersichtlich, ist die hohe Ausbeute an Hefe und die gewünschte Produktivität des Fermentors auf die rasche Sedimentation der Hefe zurückzuführen. Es liegt auf Hand, dass der Einsatz von Zentrifugalseparatoren, wie sie in der Hefefabrikation üblich sind, zur Rückgewinnung der Hefe völlig unökonomisch ist. Die Flockulationsfähigkeit der verwendeten Hefe ist so gross, dass auch bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 7 cm pro Sekunde in Leitungen mit 4 mm Durchmesser keine Disintegration, sondern eine ständig ansteigende Kohärenz der Hefeflocken stattfindet. Dadurch sind auch Raumbelastungen der Sedimentationsbehälter von 30 m " h durchaus möglich.
Beispiel 2 : Der Versuch wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die Konzentration der zu verhefenden Nährlösung wurde aber auf 1, 47 g Saccharose pro Liter eingestellt. Die Dichte der Hefe im Fermentor wurde zwischen 3, 3 und 5, 9 g Hefetrockensubstanz pro Liter aufrecht gehalten. Die Durchflussrate der Nährlösung im Fermentor betrug wieder 1 Volumeneinheit Nährlösung pro Volumeneinheit Fermentorfüllung und Stunde bei einer tatsächlichen Fermentorfüllung von 4 1. Die nach 48 h gebildete Menge an Überschusshefe betrug 216 g. Nachdem insgesamt zirka 283 g Zucker innerhalb der gleichen Zeit dem Fermentor zugeführt wurden, lässt sich die Hefeausbeute zu 76, 3% berechnen.
Es ist offensichtlich, dass dem angeführten Verfahren enorme verfahrenstechnische und somit
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ökonomische Vorteile anhaften. Nachdem bei unverminderter Fermentor-Produktivität die Hefeausbeu- ten beträchtlich höher sein können (s. Beispiel 2) als in der konventionellen Hefeproduktion bei höherer Substratkonzentration, lassen sich nun neue Prinzipien der Verfahrenstechnik für kommer- zielle Hefeproduktion unter einer Vielfalt von Bedingungen ableiten. Erstens ist es nunmehr mög- lich, ohne Entkeimung des Substrates zu arbeiten, wenn das dargelegte Prinzip der Verarbeitung niedriger Substratkonzentration mit gleichzeitiger Heferückführung zur Anwendung gelangt. Zweitens lässt sich die Konstanthaltung der Temperatur im Fermentor auf neuartige, aufwandslose Weise lösen.
Die Erklärung des letzten Punktes ist wie folgt : Bei der Produktion von 1 kg Trockenhefe werden etwa 4000 Kcal als Wärme abgegeben (der Betrag ändert sich etwas in Abhängigkeit vom erzielten Ausbeutekoeffizienten). Diese Wärme wird in konventioneller Hefeproduktion durch Kühlung mittels spezieller Einbauten, meist helecoid geformter Rohre, abgeführt.
Bei geringen Unterschieden zwischen Temperatur des Fermentors und der Kühlflüssigkeit (meistens
Wasser) ist das Ausmass dieser Einbauten (Wärmeübergangsfläche) entsprechend gross und kann die Charakteristiken des Fermentors bezüglich Sauerstofftransfer sehr beeinträchtigen. Ausserdem stellt die Errichtung dieser Wärmeübergangsfläche einen beträchtlichen Kostenpunkt dar.
Nach den hier dargelegten Prinzipien der Hefeproduktion ist es nun möglich, diese Kühlfläche vollständig oder nach Wunsch teilweise wegzulassen. Es genügt, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Substrat und Züchtung besteht. Je nach der bestehenden Temperaturdifferenz wird nun die Substratkonzentration eingestellt. Als Beispiel sei eine Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Fermentor bzw. zwischen Substratlösung und Fermentor von 50C gegeben. In konventioneller Arbeitsweise ist dann der Kühlwasserbedarf mittels Kühlschlangen zirka 800 l pro Kilogramm Trockenhefe. Diese Menge Wasser wird dabei um 5 C aufgewärmt.
Wird diese gleiche Menge Wasser nun in Form niedriger Substratkonzentrationen kombiniert mit Heferückführung zur Verhefung eingesetzt, so kann die in diesem Wasser herrschende Zuckerkonzentration 2, 5 g pro Liter betragen, wenn ein 50%iger Ausbeutekoeffizient erzielt wird. Es ist dabei grundsätzlich gleichgültig, ob mit einem hoch- oder schwachbelasteten Fermentor gearbeitet wird, denn die bei hochbelasteten Fermentoren auftretende erhöhte Wärmeabfuhr pro Zeiteinheit wird quantitativ durch eine entsprechend rasche Zufuhr kühleren Substrates gedeckt.
Zusammenfassend beinhaltet das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur Neuerungen in der Aufarbeitung verschiedener organisch belasteter Abwässer sondern in der kommerziellen Hefeproduktion überhaupt. Einerseits ist das Verfahren vortrefflich für kleine Anlagen geeignet, nachdem es äusserst störungsunanfällig ist und die Hefe auf sehr einfache Art und Weise geerntet werden kann, anderseits ergeben sich beträchtliche Vorteile bei Grossanlagen, da neben der Störsicherheit auch die Abfuhr von Wärme aus Riesenfermentoren keine Schwierigkeiten darstellt.
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The invention relates to a method for removing organic substances from dilute solutions or suspensions, in particular to the cleaning of waste water contaminated with organic substances.
These wastewaters are usually cleaned using the activated sludge process or various percolation or immersion methods. It is an aerobic degradation of the organic substance by mixed microbial populations, especially bacteria.
The resulting sludge, which mainly consists of bacterial mass, can probably be used as fertilizer, but it worries about thickening and distribution to agricultural holdings and only achieves a low price.
Organically polluted industrial and commercial wastewater has such a high "Biological Oxygen Demand" (BOD) or "Chemical Oxygen Demand" (COD) that the usual cleaning processes are very expensive.
It has also been proposed to use yeast instead of bacteria to purify the waste water and to grow this yeast aerobically in the waste water; Here the organic substance of the wastewater, which was previously used exclusively as sugar, is broken down to form alcohol. However, it was not the alcohol production that was considered essential, but the multiplication of the yeast, with the formation of protein substances from sugar-containing waste water being regarded as interesting in particular. However, in view of the fact that so far the separation of the bred
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loose settling of the yeast), the known methods could not prevail in practice.
It has now surprisingly been found that the purification of the wastewater by aerobic cultivation of yeast can be made considerably easier if it is ensured that special, namely strongly flocculating, types of yeast are used. The invention therefore relates to a method for removing organic substances from dilute solutions or suspensions, in particular for cleaning organically contaminated wastewater and processes, such as. B. Processes from the production of sugar, starch, fermentation alcohol, citric acid, petroleum products while at the same time obtaining valuable sewage sludge by using these solutions or
Suspensions are subjected to an activated sludge process with the addition of microorganism cultures and with the return of activated sludge deposited in a sedimentation tank to the activated sludge tank, which is characterized in that these solutions or suspensions before or during their treatment in the activated sludge tank with one or more yeast breeds, in particular the Genus Candida to be vaccinated; these yeast breeds by a minimum sink rate of the yeast cell aggregates of at least 10 mm per min, measured in a cylindrical vessel of a diameter:
Height ratio of 1: 7 with at least 20 mm inside diameter at a yeast concentration of 10 g dry matter per liter and a temperature of 300C are characterized and that in practical operation the residence time of the activated sludge is kept below 60 min in the sedimentation tank
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continuous operation a part of the activated sludge corresponding to the formation of new yeasts is removed from the system.
Yeast strains are preferably used for the process according to the invention, which are in the culture collection of the Institute for Applied Microbiology of the University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna, under the numbers 10112, 10142,10143, 10144,10145, 10146,10147, 10148,10149, 10150,10151 or at the culture collection for fungi and yeasts in Baarn under the numbers CBS 6628, CBS 6629, CBS 6630, CBS 6631, CBS 6632, CBS 6633, CBS 6634, CBS 6635, CBS 6636, CBS 6637, CBS 6638.
After drying, the yeast obtained by the process according to the invention can be used in the form of dry yeast as a protein and vitamin-rich feed additive or as nutritional yeast for human nutrition. In view of the fact that the yeast yield, measured in terms of the amount of organic substance supplied, can be as high or even higher than in a conventional yeast production (where it is e.g.
B. 40 to 50 wt .-% dry yeast, based on the substrate, if the yeast is grown on sugar-containing molasses), and that further the productivity of the reaction vessel (dry yeast mass per unit volume and time) is arbitrary
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can be chosen high, d. H. as high as or higher than in the fermenters previously used for yeast production, in this way no costs in reducing the BOD of the
Waste water accrues, but a profit is made. The organic substance is removed up to 90% from the wastewater.
The principle of the process is to grow a strongly flocculent yeast in the presence of suitable nutrients with aeration and stirring, whereby the organic components that can be used by the yeast are partly oxidized, partly assimilated, and the yeast in a very small one
If the settling tank is separated from the liquid phase, part of the settled yeast is aerated
Fermentor returned and the excess yeast is collected, washed and dried. This
The process can only be implemented economically if a yeast is available which has sufficient flocculation capacity so that the flocculation containers can be dimensioned sufficiently small, and thus a sufficiently high dry matter content in the sedimented
Yeast is reached.
Strong flocculation ability results in the high rate of subsidence of these yeast flakes compared to those yeast breeds which are in disperse form, i.e. H. unicellular or as yeast aggregates or sprout associations of a few cells. Values of around 10 mm per minute can be seen as a high rate of descent. This sedimentation rate must be measured under standardized conditions, especially taking yeast concentrations and temperature into account. To determine the sedimentation rate, a cylindrical, transparent vessel is used, which is immersed in a constant temperature water bath.
After the sedimentation rate progresses with the test time, i.e. H. decreases with increasing yeast concentration in the sediment, the criterion is the initial sedimentation rate at a yeast population density of 10 g dry matter per liter. For this purpose, the sediment height of the yeast suspension is determined at intervals of 30 s during the first 3 min and the sedimentation speed at time zero is determined by graphic extrapolation.
In the case of strongly flocculating yeast, a clear, sharp boundary zone is formed between sedimented yeast and liquid during sedimentation.
With sedimentation speeds of 10 mm per minute, a quick and easy concentration of the yeast suspension can be achieved. If the yeast remains in the sedimentation basin for too long, the physiological activity of the yeast suffers. The upper limit of this retention time was recognized to be about 60 minutes in order to allow problem-free continuous cultivation of the yeast in the biomass recirculation system.
For wastewater treatment, it is also essential that no expensive pretreatments are necessary. This is the case with the present proceedings. The system is so insensitive to microbial contamination and infection that it is no longer necessary to sterilize the culture medium, which is common in yeast production.
Many industrial wastewater have temperatures that are too high for the cultivation of yeast according to previous views. In order to keep the costs for cooling the fermenters as low as possible or even to be able to switch them off, the cultivation of a heat-loving (thermophilic) yeast is advisable. This has also been achieved according to the present process by
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Yeast cultivation is carried out at 30 to 32 C.
In general, representatives of the yeast genus Candida were preferably used for the oxidative utilization of organic substances. As already emphasized, to carry out the method described here, it is particularly selected breeds that have strong flocculation capabilities. With some waste water or solutions of sugar, the composition is very poor in terms of nutrients, especially vitamins. While most representatives of the genus Candida usually require one or more vitamins in their nutrient solution and are therefore often unsuitable for processing low-vitamin solutions or suspensions, it was found that in these cases representatives of the species Saccharomyces kloeckerianus with flocculating properties as described above in can be used advantageously.
When growing flocculating yeast strains as described above, high selectivity
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achieved, d. H. the simultaneous development of unwanted bacteria is very much delayed. This is based on the observation made over several years that practically no aggregating (or flocculating) bacteria occur under conditions for optimal multiplication of yeasts.
However, after flocculating yeasts are used and the active biomass concentration in the aeration tank is kept high, the residence time of the solution or suspension in the continuous system in the aeration tank is very short, less than the bacterial multiplication rate under the prevailing conditions, especially the Acidity (PH) in the aeration tank in a slightly acidic area, u. between
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The following examples are intended to illustrate the performance of the method, although the scope is of course not limited to the conditions mentioned here.
Example 1: A yeast of the genus Candida was used, which was isolated specifically for the present method. The sugar solution used for the fermentation contained 2.9 g of sucrose per liter, which corresponds to a COD of approximately 2.9 g of oxygen requirement per liter. Except for mineral salts, which are essential for the growth of the yeast, no nutrients were added. H. the present yeast strain is also independent of vitamins. This nutrient solution, which z. B. simulated a wastewater from a sugar factory, was fed by constant dosing at a rate of 3, 6 1 per second to a fermentor, the working volume of which was constant at 3.5 to
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the yeast could be supplied with sufficient oxygen. The hydrogen ion concentration was kept constant at a pH of 4.2 by means of a titrator.
The temperature was 43 C.
The overflow from the fermenter was fed into a conical vessel of approximately 150 ml in which the yeast settled immediately; the clear liquid was drawn off. At short intervals, sedimented yeast was returned to the fermentor, so that a concentration of 6.5 to 7.6 g of yeast (as a dry substance) per liter of fermentor filling was maintained.
The excess yeast formed was collected periodically.
The dry yeast mass (excess) formed after 48 h was 265 g. The COD value of the clear process was between 200 and 400 mg per liter. Since the total amount of sugar that was fed to the fermentor within 48 h was 580 g, the yeast yield is calculated to be more than 45%. This value is hardly exceeded even in conventional commercial yeast production with a 10-fold higher sugar concentration in the feed. The productivity of the fermenter is calculated to be about 1.53 g of dry yeast per hour and liter of fermentor filling. It is obvious that this productivity can be increased almost indefinitely, since it only depends on the amount of returned yeast, the dosing rate of the nutrient solution or wastewater and the efficiency of the fermenter (i.e. its oxygen transfer capacity).
As can be seen, the high yield of yeast and the desired productivity of the fermenter are due to the rapid sedimentation of the yeast. It is obvious that the use of centrifugal separators, as are common in yeast production, for the recovery of the yeast is completely uneconomical. The flocculation capacity of the yeast used is so great that even at a flow rate of 7 cm per second in lines with a diameter of 4 mm, there is no disintegration, but an ever increasing coherence of the yeast flakes. As a result, space loads of 30 m "h in the sedimentation containers are also quite possible.
Example 2: The test was carried out in the same way as in Example 1. The concentration of the nutrient solution to be sprayed was adjusted to 1.47 g sucrose per liter. The density of the yeast in the fermentor was maintained between 3, 3 and 5, 9 g dry yeast per liter. The flow rate of the nutrient solution in the fermentor was again 1 volume unit of nutrient solution per volume unit of fermentor filling and hour with an actual fermentor filling of 4 l. The amount of excess yeast formed after 48 h was 216 g. After a total of approximately 283 g of sugar have been fed to the fermentor within the same time, the yeast yield can be calculated at 76.3%.
It is obvious that the process mentioned is enormous process engineering and therefore
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inherent economic advantages. Since with undiminished fermenter productivity the yeast yields can be considerably higher (see example 2) than in conventional yeast production with a higher substrate concentration, new principles of process engineering for commercial yeast production can now be derived under a variety of conditions. Firstly, it is now possible to work without disinfecting the substrate if the principle of processing low substrate concentration with simultaneous yeast recycling is applied. Second, keeping the temperature constant in the fermentor can be solved in a new, effortless manner.
The explanation of the last point is as follows: When producing 1 kg of dry yeast, about 4000 Kcal is given off as heat (the amount changes somewhat depending on the yield coefficient achieved). This heat is dissipated in conventional yeast production by cooling using special internals, mostly helecoid shaped tubes.
With slight differences between the temperature of the fermenter and the coolant (mostly
Water), the size of these internals (heat transfer surface) is correspondingly large and can have a very negative effect on the characteristics of the fermenter with regard to oxygen transfer. In addition, the construction of this heat transfer surface represents a considerable cost.
In accordance with the principles of yeast production set out here, it is now possible to omit this cooling surface completely or partially, if desired. It is sufficient if there is a temperature difference between the substrate and the cultivation. Depending on the existing temperature difference, the substrate concentration is now set. As an example, a temperature difference between cooling water and fermentor or between substrate solution and fermentor of 50C is given. In conventional operation, the cooling water requirement using cooling coils is approximately 800 l per kilogram of dry yeast. This amount of water is warmed up by 5 ° C.
If this same amount of water is now used in the form of low substrate concentrations combined with yeast recycle for the yeast, the sugar concentration in this water can be 2.5 g per liter if a 50% yield coefficient is achieved. It is basically irrelevant whether you are working with a highly or weakly loaded fermenter, because the increased heat dissipation per unit of time that occurs in highly loaded fermenters is quantitatively covered by a correspondingly rapid supply of cooler substrate.
In summary, the method according to the invention includes not only innovations in the treatment of various organically contaminated wastewater, but also in commercial yeast production in general. On the one hand, the process is excellently suitable for small plants, since it is extremely insusceptible to faults and the yeast can be harvested in a very simple manner, on the other hand there are considerable advantages in large plants, since in addition to interference immunity, the removal of heat from giant fermenters is not difficult .
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