DD139949A3 - Verfahren zur abtrennung von mikroorganismen - Google Patents

Description

Die Erfindung "betrifft ein Hochleistungsverfahren zur Abtrennung von Mikroorganismenβ

Es sind Verfahren bekannt, nach denen die mikrobielle Gewinnung von Eiweiß in geeigneten IPermentationsapparaturen in Gegenwart einer wäßrigen Phase, einer ölphase und einer Gasphase erfolgt. · . Die wäßrige Phase enthält bei diesen Verfahren in der Regel alle für die Mikroorganismen lebensnotwendigen anorganischen Nährstoffkomponenten und die wasserlöslichen Stoffwechselprodukte.

In der Ölphase ist die Kohlenstoffquelle meistens in Form von geradkettigen Paraffinen einer Kettenlänge von etwa C._Q - C₂₂ enthalten· ·

Durch die Gasphase wird der erforderliche Sauerstoff zugeführt .

Zwischen diesen Phasen ist für die ausreichende kontinuierliche Versorgung der Mikroorganismen mit allen Nährstoffkomponenten ein intensiver Stoffaustausch erforderlich. Hohe Stoffaustauschraten werden bei diesen Verfahren in der Regel durch mechanische Homogenisierungseinrichtungen zusätzlich unter gleichzeitiger Einbringung chemischer Fermentationshilfsmittel erreicht·

Die chemischen Hilfsmittel haben hier die Funktion, eine innige Dispergierung von Öl, Mikroorganismen, wäßrigem Nährmedium und Luft zu bewirken.

Die chemischen Agensien, die als Fermentationsverbesserer wirken sollen, müssen jedoch eng begrenzte spezifische Forderungen erfüllen:

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·» Sie müssen in einem genau definierten Maße wirken, da eine geringfügige Abweichung von diesem Optimalwert zur Schaumbildung und vor allem zur Erhöhung des Gas hold up im Ferment at ionsmedium führt, so daß die durch die erhöhten Stoffübergänge erzielten verbesserten Züchtungsraten durch eine zu geringe Reaktornutzung annulliert werden*

.— Sie dürfen nur in ganz beschränktem Maße an der Mikroorganismenoberfläche und an der öltropfenoberflache adsorbiert werden, da ansonsten die Stoffaustauschflächen sowohl an der öltropfen- als auch, an der Mikroorganismenoberfläche blockiert werden und es zu einer Leistungsminderung der Züchtung kommt.

Alle klassischen Tenside haben ein ausgeprägtes Schaum- und Adsorptionsverhaltenρ Keinesfalls ist die Eigenschaft der Grenzflächenaktivität, ζ, B, das Verringern der Oberflächenspannung Kulturflüssigkeit/Luft oder der Grenzflächenspannung öl/wäßrige Kulturflüssigkeit, das alleinige Kennzeichen dafür, ob eine chemische Substanz als Fermentationshilfsmittel wirken kann. Stoffe, die als Fermentationshilfsmittel gelten, müssen daher festgelegte chemische und physikalischchemische Eigenschaften besitzen, die nach den derzeitigen Kenntnissen durch einen kettenförmigen Molekularaufbau, ein definiertes Molekulargewicht .sowie durch einen bestimmten Anteil an hydrophilen Gruppen zur Gewährleistung der Y/asserlöslichkeit gekennzeichnet sind.

Das bei diesen Fermentationsverfahren gewonnene Reaktionsprodukt (im folgenden "Fermentationsprodukt" genannt) besteht im allgemeinen aus einer stabilen Öl-ZMikroorganismen-ZWasser-Gasbläschen-Dispersion und muß im Falle der Gewinnung von Eiweiß nach einer vorangegangenen weitestgehenden freien Entgasung durch geeignete Trennverfahren zerlegt werden» Entsprechende Trennverfahren beruhen auf der kontinuierlichen Zentrifugation oder Separation und werden zur Erreichung der Phasentrennung mit ausgewählten oberflächenaktiven Stoffen

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(im folgenden "Separationshilfsmittel" genannt) als Zusätze durchgeführt· In diesen Trennverfahren werden Operationen notwendig, die diametral entgegengesetzte Wirkungen zur Fermentation - also eine Demulgation von Öl/Mikroorganismen/ Luft/Wasser - erfordern«

Die Separationshilfsmittel müssen eine nahezu entgegengesetzte chemische Grundkonstitation bzw. physikalisch gegenläufige Wirkungen wie Fermentationshilfsmittel haben. Sie müssen eine sehr starke Oberflächenaktivität besitzen und vor allem an den Grenzflächen Mikroorganismen/Öl adsorbiert werden, um die Ablösung der Mikroorganismen vom Öltropfen zu bewirken. Die Gegenläufigkeit der zu erreichenden Wirkungen in der Fermentation zur Separation ließ bisher die effektive alleinige Anwendung der gleichen Agenzien in beiden Stufen nicht zu.

Aus diesem Sachverhalt resultiert der gegenwärtige Stand der Technik, der in der DL-PS 1O4-.O99 beschrieben ist. Auf Seite 3, Spalte 2, Zeile 3-9 dieser Patentschrift wurde beschrieben: ¹¹ alle bisher eingesetzten Tenside oder Tensidkombina— tionen weisen den Nachteil auf, daß diese nur jeweils entweder für die Fermentation oder für die Separation wirksam eingesetzt werden können, so daß für die Gewinnung von Biomasse zwei voneinander getrennte nicht aufeinander abgestimmte Verfahren benötigt werden," Ausgehend von diesem Sachverhalt, der in der Patent— und Fachliteratur immer wieder festzustellen ist, werden deshalb die Fermentation und die Separation als zwei getrennte, in der Grundaufgabenstellung gegenläufige Verfahrensstufen behandelt. Für die Trennoperation werden jeweils neue Verfahrensschritte vorgeschlagen, z. B. Einsatz von demulgierend wirkenden klassischen Tensiden oder Tensidkombinationen.

Insbesondere spielt dabei offensichtlich vor allem auch die Tatsache eine Rolle, daß die in der Fermentation eingesetzten hochmolekularen chemischen Agenzien zwangsläufig auf Grund ihrer Molekularstruktur eine stabilisierende Wirkung insbesondere für Wasser in Öl haben und so die abgetrennte ölphase in solch einer Menge mit wäßrigem Kulturmedium verunreinigen,

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daß ein weiterer Einsatz von Demulgatoren erforderlich wäre, was letztlich auf den Einsatz zweier Tenside hinausläuft, so daß man dieses Tensid offensichtlich sofort vor der Trennung zugibt, um die Anzahl der Trennstufen zu erniedrigen.

Wie sich ferner insbesondere bei der industriellen Anwendung in einem kompletten Verfahren bis zur Reinigung der Biomasse durch Lösungsmittelextraktion, Lagerung und schließlich der Verfütterung ergeben hat, ist der Einsatz der Separationstenside für das Gesamtverfahren sowie in der Applikation schädlich·

•Die Versuchsproduktion unter industriemäßigen Bedingungen hat eindeutig gezeigt, daß die oben genannten zur Separation gut geeigneten, stark oberflächenaktiv wirkenden Substanzen an den Mikroorganismen adsorbiert werden. Da diese Adsorption unter Anwesenheit von Wasser als stark polare Substanz verläuft, ist die Desorption, das heißt Ablösung der Tenside aus dem Produkt, nahezu unmöglich.

Als Verdränger kommen nur Substanzen in Frage, die stärker adsorbiert werden. .

Eine Entfernung im Sinne von Abwaschen kann nur mit einer unendlich großen Wassermenge erfolgen» Damit gehen die bekannten Separationstenside durch Adsorption an den Mikroorganismen .fast vollständig verloren.

Andererseits umlagern diese Tenside dichtgepackt die Mikroorganismenoberfläche, stören den Extraktionsprozeß zur Entfernung von Restkohlenwasserstoffen mit Lösungsmitteln und die Herstellung von applikationsfähigem Puttereiweiß. Diese Effekte können schädliche Polgen für die Applikation haben, da Tenside und Kohlenwasserstoffe als Fremdstoffe unerwünscht sind.

Die Tierernährung erfordert z. B. einen äußerst geringen Restkohlenwasserstoff - Gehalt, der durch Lösungsmittelextraktion der Biomasse erreicht wird*

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Es ist auch aus der DL-PS 74-.571 bekannt, die Trennung ohne Tensid nur mit einer Temperaturerhöhung durchzuführen. Bei diesem Verfahren muß die zu trennende Öl/Wasser - Mikroorganismensuspension vor der Trennung mit Separatoren über eine bestimmte Zeit erwärmt werden.

Dieses Verfahren ist jedoch mit solchen Nachteilen behaftet, daß seine technische Anwendung nicht möglich ist:

a) Die Beseitigung des lipophilen Charakters allein durch Erwärmung ist unvollkommen, so daß im günstigsten Falle der Effekt der ölabtrennung nur in mehreren Separationsstufen möglich ist.

Auf die eventuelle Notwendigkeit des mehrfachen Durchlaufs der Trennoperation für die ölabtrennung wird hingewiesen sowie auch auf die eventuelle Notwendigkeit des Einsatzes eines Tensides für die Zweit - ölabtrennung.

b) Weiterhin wird in dieser Schrift allgemein gefordert, daß die Temperatureinwirkung "eine bestimmte Zeit erfolgt". Es wird also nochmals auf die Unsicherheit der Temperatureinwirkung an sich hingewiesen und es wird vor allem nichts über die Zeitdauer der Heißhaltung gesagt_o Gerade die Heißhaltung von Mikroorganismen/Öl/Wasser Emulsionen ist für ein Produktionsverfahren problematisch, da es in Abhängigkeit von der Zeit und Temperatur zu gefährlichen Nebeneffekten kommt₀ Es treten aus der Zelle Stoffe z· B. Proteine, Fermente und Lipidabkömmlinge aus, die zum Teil ins öl übertreten und sowohl als Verunreinigungen wirken, die die Nachreinigung des Öls verhindern oder aber als Wasser in öl stabilisierend wirken und zu einem ebenfalls erheblichen apparativen und ökonomischen Aufwand in der Nachreinigung führen«,

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Bei zu langer oder zu intensiver Erwärmung kommt es zu erheblichen Verlusten, Qualitätseinbußen der Biomasse und schließlich zur Zerstörung der Zelle«

Weiterhin ist gemäß Patentschrift DAS 14-17 559 ein Verfahren zum Abtrennen von Hefen und von Kohlenwasserstoffen aus vergorenen, Hefe und Kohlenwasserstoffe enthaltenden wäßrigen Nährlösungen bekannt·

Die Separation wird mit Separationstensiden bei 30 ⁰C durchgeführt· Zur Verringerung der Separationstensidmenge wird eine pH-Wert - und eine Temperaturerhöhung bis zu 99 ⁰C vorgeschlagen.

Die Literatur zum Stand der Technik kann wie folgt charakterisiert werden:

- Die Fermentation und Separation werden auf Grund der diametralen Spezifik als zu trennende Stufen behandelt«,

- Es gibt keine Aufgabenstellung der Verwendung eines Fermentationshilfsmittels als effektives alleiniges Separaticnshilfsmittel·

«~ Die Temperatureinwirkung in Gegenwart von öllöslichen Addukten aus Propylenoxid und Ithylenoxid wird für Produktionsverfahren abgelehnt (DL-PS 104.099).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gekoppeltes Separations - Fermentationsverfahren zu entwickeln, das durch die Anwendung einer einzigen chemischen Substanz, die sowohl als Fermentations- als auch als Separationshilfsmittel wirksam wird, gekennzeichnet ist und .so durch die vollständige Rückführung der hilfsmittelhaltigen wäßrigen Kulturflüssigkeit aus der Separationsstufe die nahezu vollständige Rückgewinnung des angewendeten Hilfsmittels möglich wirdo

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Mit der Erfindung soll "besonders erreicht werden:

- Vorrangig das Hochleistungsseparationsverfahren zu sichern, ohne daß ein weiteres Tensid bei der Separation in den Prozeß eingeführt werden muß

- Die Nachteile einer langzeitigen Temperatureinwirkung ohne Separationshilfsmittel zu beseitigen

- Die Weiterverarbeitung der Hefe und des Öls zur Erreichung der entsprechenden'Qualität für Applikationen zu sichern·

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Schwierigkeiten, die aus dem Stand der Technik resultieren, überwunden werden können, wenn das bisher bekannte. Fermentätionshilfsmittel, das Polymerisationsprodukt aus Äthylenoxid-Propylenoxid mit einem mittleren Molekulargewicht von 1750 - 2250 gleichzeitig als Separationshilfsmittel verwendet wird, wenn es in der Separation in einer Konzentration von 0,07 - 0,15 Gewichtsprozent vorliegt und eine Erwärmung auf 60 - 90 ⁰C erfolgt, ohne daß eine Heißhaltung notwendig ist. In der Fermentation erreicht das genannte Fermentationshilfsmittel im Konzentrationsbereich von 0,03 - 0,06 Gewichtsprozent seine volle Wirkung.

Dem Fermentationsprodukt wird deshalb vor der Separation so viel des Ä'thylenoxid - Propylenoxidadduktes zugegeben, daß seine Konzentration 0,07 - 0,15 % beträgt. Danach wird das Fermentationsprodukt vor der Separation oder Zentrifugation auf 60 - 90 ⁰C, vorzugsweise 80-85 ⁰C₁ erwärmt. Das erwärmte Fermentationsprodukt wird anschließend durch Separation in eine ölphase, eine wäßrige Nährstoffphase und eine wäßrige Mikroorganismenphase zerlegt·

Die Prüfung-der Molekulargewichtsfraktion 1750 - 2250 des Äthylenoxid - Propylenoxidadduktes bei einer Zudosierung von 0,1 - 5 g/l Separationsprodukt zeigte überraschender-

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weise ein "befriedigendes Ergebnis, wenn der Einsatz in den Grenzen von 0,7 - 1*5 g/l Separationsprodukt "bei einer Temperatur von 60 - 90 ⁰C erfolgte· Unter diesen Bedingungen trat überraschenderweise nur eine geringe Menge an stabiler Mikroorganismen/Wasser - in Öl - Emulsion auf· Gleichzeitig war das ursprünglich als Mikroorganismen/Öl - in Wasser Emulsion vorliegende Separaticnsprodukt befriedigend getrennte Die besten Trennergebnisse in der Laborzentrifuge wurden vor allem dann erzielt, wenn die Probe unmittelbar nach der Erwärmung in die Laborzentrifuge gegeben wurde und nicht wie zu erwarten mit Zunahme der Verweilzeit im Heizbad· Unter diesen Bedingungen weitestgehend ölfrei zentrifugierte Biomasseproben wurden getrocknet und an diesen Proben mit verschiedenen Lösungsmitteln die Extrahierbarkeit untersucht· ·

Die so gewonnenen Produkte zeigten eine überraschend gute Extrahierbarkeit. Bereits nach einer 5-stufigen Extraktion mit Benzin/Äthanol wurde ein Restkohlenwasserstoffgehalt von anter 0,1 Gewichtsprozent erreicht. Das Verhältnis Lösungsmittel zu Biomasse betrug dabei 2 : 1 in Gewichtsteilen. Das Extraktionsmittel bestand aus 20 Gewichtsprozent Äthanol und 80 Gewichtsprozent Leichtbenzin·

Insgesamt hat die Erfindung folgende technischen und ökonomischen Vorteile:

·» Die Anwendung eines einzigen Hilfsstoffes für die Fermentation und Separation

- Schaffung der Voraussetzungen zur Herstellung einer applikationsfähigen Futterhefe mit guter Lagerstabilität und niedrigem Restkohlenwasserstoffgehalt (unter 0,1 Gewichtsprozent)

- Sicherung der Weiterverarbeitung der mikrobiologisch behandelten ölphase

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- Die Möglichkeit der uneingeschränkten Rückführung des abgetrennten Separationswassers

Die erwünschten Effekte des Ausschaltens stabiler Emulsionen und der guten Extrahier- und Applikationseigenschaften werden von allen untersuchten Parametern,

- chemische Grundkonstitution des Hilfsmittels,

- Molekulargewicht des Hilfsmittels,

- Temperaturbereich,

- kurzzeitige Erwärmung sowie vom

- Konzentrationsbereich des Hilfsmittels

beeinflußt. Das'Zusammenwirken dieser Paktoren erbrachte qualitativ neue Erkenntnisse und Ergebnisse»

Ausführungsbeispiele

Auf Basis dieser Ergebnisse wurden mehrere Experimente in einer industriellen Versuchsanlage zur Gewinnung von Futtereiweiß auf Erdöldestillatbasis durchgeführt_o Dazu wurde der Hefestamm Candida guilliermondii unter folgenden Bedingungen und Parametern der Fermentation gezüchtet:

Füllgrad des Rührfermentors: 75 t Feriaentationsprodukt

Spezifischer Leistungseintrag

durch das Rührwerk: 3,2 kW/t

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Temperatur des Fermentations produktes:

32 ⁰C

Verweilzeit im Permentor:

Erdöldestillat im Fermentationsprodukt:

20 Ma %

Zugeführte Luftmenge:

.Fermentationsmittel:

6000

Addukt aus Ithylenoxid und Propylenoxid mit einem mittleren Molekulargewicht von 1750 - 2250 in einer Konzentration von 0,04 % bezogen auf wäßrige Phase der Fermentationsflüssigkeit

Zur Gewährleistung eines limitationsfreien Wachstums wurde eine Nährlösung dosiert, in der Stickstoff, Phosphor, Kalium sowie Nähr— und Spurenelemente in ausreichender Menge vorhanden waren.

Aus diesem Fermentor wurde kontinuierlich 15 t/h Fermentationsprodukt abgezogen und zur Gewinnung von Futtereiweiß wie folgt in eine Wasserphase, ölphase und Eiweißphase zerlegt:

- Abtrennung von 5»5 Vh wäßrige Nährmediumphase durch kontinuierliche Dekantation und Rückführung dieses Stromes in den Fermentor

- Abtrennung von ca« 3 t/h Erdöldestillat in der 1. Separationsstufe und weitere Abtrennung von ca· 3>5.t/h wäßriges Nährmedium in einer 2· Separationsstufe mit kontinuierlich arbeitenden Industrieseparatoren·

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Es wurde kontinuierlich eine Hefephase von ca· 3 t/h gewonnen, die der weiteren Verarbeitung, d« h· der Trocknung und Extraktion mit Lösungsmittel zugeführt werden konnte. Diese Hefephase hatte bei allen im folgenden angegebenen Beispielen eine Zusammensetzung von

9-12 Gewichtsprozent Hefetrockensubstanz 0|5 - 1 Gewichtsprozent Resterdöldestillat 87-90 Gewichtsprozent Wasser

(Zellwasser und wäßriges Nährmedium)

Die Separation und deren Verknüpfung zum Permentationsprozeß ist in den 3 folgenden technologischen Beispielregimen dargestellt.

Beispiel 1 (Tabelle Spalte 5)

Die Züchtung erfolgte gemäß oben genannten Bedingungen. Es wurde durch Zuführung einer 10 %igen Lösung der Propylenoxid - Äthylenoxid - Adduktpegel in der Fermentationsflüssigkeit, die den Fermentor verließ, kontinuierlich von 0,4 auf 0,8 Gewichtsprozent eingestellt und angenähert konstant gehalten.

Nach Erreichen des konstanten Wertes wurde das Zulaufprodukt zur 1„ Separationsstufe in einem Wärmetauscher indirekt mit Dampf kontinuierlich auf 60 ⁰C erwärmt und sofort der 1, Separationsstufe zugeführt.

Beispiel 2 (Tabelle Spalte 6)

Der Prozeß wurde analog dem Beispiel 1 begonnen, jedoch wurde der Propylenoxid - Äthylenoxid - Adduktpegel durch zusätzliche Dosierung der 10 %igen Propylenoxid - Äthylenoxid -" Adduktlösung vor dem Wärmetauscher im Zulaufprodukt zur Separation auf 0,13 Gewichtsprozent gebracht und die Temperatur

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auf 80 ⁰C erhöhte Die Separation und weitere Behandlung der Produktströme erfolgte analog dem Beispiel 1·

Beispiel 3 (Tabelle Spalte 7)

Der Prozeß wurde analog dem Beispiel 2 begonnen· Nach einer 24—stündigen Einfahrzeit wurde die Wasserphase (wäßriges Nährmedium) aus der Separation vollständig in den Fermentor zurückgeführte -

Die in diesem Strom enthaltene Hilfsstoffmenge reichte für die Aufrechterhaltung der erforderlichen Konzentration von größer/ gleich 0,03 Gewichtsprozent im Fermentationsmedium vollauf aus|- so daß die Hilfsstoffdosierung zum Fermentor abgebrochen werden konnte·

Die zusätzliche Dosierung an Propylenoxid - Äthylenoxid Adduktlösung vor der Separation wurde auf den Sollwert von 0,8 Gewichtsprozent im Zulaufprodukt eingeregelte Es trat keine Verschlechterung der Ergebnisse gegenüber den vorangegangenen Beispielen ein.

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der drei Beispielversuche in den Spalten 5> 6 und 7 angegeben» In den Spalten 3 und 4 sind im Vergleich dazu Ergebnisse aus 2 Versuchen nach bekannten Verfahren angegeben.

Aus der Tabelle geht hervor, daß eine wesentliche Einsparung an Hilfsmitteln für die Fermentation und Separation, insbesondere dargestellt durch den spezifischen Hilfsstoffbedarf (Zeile 6), bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eintritt· "

Weiterhin wird gezeigt, daß auf diese Weise eine günstige technologische' Kopplung von Separation und Fermentation möglich ist.

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Die Leistungsparameter in der Fermentation (Raum/Zeit Ausbeute, spezifischer Energiebedarf) unterliegen durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keiner Beeinträchtigung·

Weiterhin wird die Reinheit der erzeugten Futterhefe nach einer 5-stufigen Extraktion angegeben· ' . Es ist deutlich der verringerte Kohlenwasserstoff-Gehalt gegenüber dem bekannten Vergleichsverfahren zu erkennen· Das Produkt war zudem lager- und rieselfähig, während das alkylsulfonathaltige Produkt stark hygroskopisch war und nach kurzer Zeit der Lagerung zur Klumpenbildung neigte und in Fäulnis überging·

	Dimension	Vergleichs ν er - ohne Fermentations hilfsmittel - mit Alkylsulfonat als Separat ionshilf«mitt el	fahren Bei - mit Fermentations hilfsmittel 1 — mit Alkylsulfonat als Separations hilfsmittel	5	spie 2	1 e 3	7
	2	3	4	295,5	6	293,:
1« Ausbeute an Futterei weiß im Ferment or	kg HTS/h +	195	292,5	2,6	292,5	-
2* Zudosierung an Hilfs mitteln in den Ferment or	kg/h	-	2,6	3,8	2,6	3,i
3, Zufuhr an Hilfsmitteln zur Separation	kg/h	13	19,0	6,4-	8,55	3,<
4-0 Gesamthilfsmittelbedarf	kg/h	13	21,6	0,81	11,15	O,
5. Spezifischer Rührener- gieaufwand in der Fermentation (Netto)	kWh/kg HTS	1,23	0,82	21,6	0,82	12,
6e Spezifischer Hilfs mittelbedarf (Gesamt)	g/kg HTS	67	73,8	0,05	38,1
7« Kohlenwasserstoffgehalt nach einer fünffachen Extraktion mit einem Lösungsmittelgemisch aus Benzin/Äthanol	Gewichts prozent	0,3	0,3	0,04·

kg Hefetrockensubstanz pro Stunde

HTS - Hefetrockensubstanz

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   .Verfahren zur Abtrennung von Mikroorganismenι die bei einem Gehalt von 0,02 - 0,06 Gew«-% des als Fermentationshilfsmittel und Kombinationsbestandteil bekannten Polyme« risationsproduktes aus Äthylenoxid und Propylenoxid mit einem mittleren Molekulargewicht von 1750 - 2250 gezüchtet wurden,'dadurch gekennzeichnet, daß in der Separation das gleiche Hilfsmittel als alleiniges Hilfsmittel in einer Konzentration von 0,07 - 0,15 Gew*-% verwendet wird und die Separation unmittelbar nach Erwärmung auf 60 - 90 ⁰C durchgeführt wird₀