DD160231A3 - Verfahren zur gewinnung und abtrennung von biomasse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse, die durch mikrobielle Konvertierung von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Erdoeldestillaten und Hefen als Produktionsstaemme gewonnen wurde und kann in der mikrobiologischen Industrie angewendet werden. Ziel der Erfindung ist es, den Prozess zur Gewinnung und Abtrennung von auf Kohlenwasserstoffen gezuechteten Biomassen so zu gestalten, dass der technologische Aufwand gesenkt werden kann, die Biomasse ein guenstiges Extraktionsverhalten zeigt und hohen Qualitaetsanforderungen gerecht wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine Biomasse gewonnen wird, deren Mikro- und Makrostruktur einen hoechstmoeglichen Grad der extraktiven Reinigung von vorhandenen Kohlenwasserstoffresten und biogenen Inhaltsstoffen gestattet. Erfindungsgemaess wird die Gewinnung und Abtrennung von Biomasse zweistufig durchgefuehrt, indem durch Dekantation die Mikroorganismen/Kohlenwasserstoffphase vom waessrigen Kulturmedium getrennt und anschliessend nach Erwaermung die noch vorhandenen Restkohlenwasserstoffe und das Prozesswasser auf separativem Weg abgetrennt werden. Das anfallende Prozesswasser wird in den Fermentationsprozess zurueckgefuehrt.

Description

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Titel

Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse, die durch eine mikrobielle Konvertierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Erdöldestillaten mit einem Kettenlängenbereich Cq bis C₅₀, mit Hefen gezüchtet wurde.

Sie kann in der mikrobiologischen Industrie angewendet werden und ist in die IPK C 12 N einzuordnen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Mikrobielle Biomassen, die durch Züchtung von Mikroorganismen auf der Basis von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Erdöldestillaten bzw· n-Alkanen des Kettenlängenbereiches Cq bis C~q, gewonnen wurden, werden nach dem Züchtungsprozeß verschiedenen Verfahrensschritten, die ihre Gewinnung und Abtrennung zum Ziel haben, unterworfen· Das aus vier Phasen - Biomasse/wäßriges Kulturmedium/Erdöldestillat/ Luft - bestehende Femnentationsmedium muß getrennt und die gewonnene Biomasse in einem nachfolgenden Extraktionsprozeß gereinigt werden· Die Gewinnung und Abtrennung der Biomasse erfolgt durch mechanische und/oder thermische Trennprozesse·

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Bekannt sind Verfahren, die Prozesse der Aufrahmung bzw· Dekantation, Separation, Vakuumeindampfung und Trocknung beinhalten (WP 139 949, WP IO4 099). Außerdem sind auch Aufkonzentrierungsverfahren bekannt, bei denen überwiegend ' 5 mechanische Trennprozesse angewandt werden· So ermöglicht der Einsatz von Hochleistungsseparatoren eine Biomasseanreicherung bis zu etwa 20 bis 22%, so daß eine sich an die Separation anschließende Vakuumverdampfungsstufe entfallen kann.

Entscheidend für die Extrahierbarkeit der Biomasse, um restliche Kohlenwasserstoffe zu entfernen, ist ihre Mikro- und Makrostruktur. Eine Verkapselung des zu extrahierenden Stoffes in der Biomasse führt zu verminderter Extrahierbarkeit und damit zu erhöhtem technologischen Aufwand für die Extraktion. Deshalb spielt bei den bekannten Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse aus Kohlenwasserstoffen der Gedanke, eine Biomassetrockensubstanz zu gewinnen, deren physikalisch-chemische Eigenschaft ein optimales Extraktionsverhalten bei der Entfernung unerwünschter biogener und nichtbiogener Stoffe ermöglichen, eine große Rolle. Diese Forderung erfüllen die bekannten Verfahren nur unvollkommen. Das nach dem Trocknungsprozeß, vorwiegend Sprühtrocknungsprozeß, erhaltene Trockenkorn ist in seiner Mikro- und Makrostruktur verkapselt, zeigt für die Diffusionsvorgänge bei der extraktiven Reinigung ungünstige Stoffaustauschkoeffizienten, geringe Kapillaraktivität und eine verminderte Porosität· Infolgedessen erfordern die exraktiven Reinigungsoperationen einen hohen apparativen und technologischen Aufwand, um eine Biomasse der geforderten Qualität zu erhalten» Dieser erhöhte Aufwand kann eine mechanische Vorbehandlung des Trockenproduktes, seine Anmaischung bzw· Vorquellung mit Wasser bzw« selektiven Lösungsmitteln oder die Anwendung spezieller Extraktoren und Extraktionsmittelgemische beinhaltet WP 139 650, WP 139 651, WP 142 488, WP 142 489).

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Die beschriebenen aus der unerwünschten Struktur der Biomasse resultierenden Nachteile betreffen ebenso die Technologie zur Entfernung der Extraktionsmittel aus der gereinigten Biomasse, wo sie einen ähnlichen Mehraufwand verursachen·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Verfahrensprozeß zur Gewinnung und Abtrennung von auf Kohlenwasserstoffen gezüchteter Biomasse so zu gestalten, daß der technologische und apparative Aufwand gesenkt werden kann, daß die gewonnene Biomasse gut extrahierbar ist, um Restkohlenwasserstoffe und biogene Inhaltsstoffe entfernen zu können, und hohen Qualitätsanforderungen gerecht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse zu entwickeln, als dessen Ergebnis eine Biomasse erhalten wird, deren Mikro- und Makrostruktur einen höchstmöglichen Grad der extraktiven Reinigung zur Entfernung vorhandener Kohlenwasserstoffreste und biogener Inhaltsstoffe gestattet·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß das Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse, die durch mikrobielle Konvertierung von Kohlenwasserstoffen mit Hefen erhalten wurde, so gestaltet wird, daß die Abtrennung des wäßrigen Kulturmediums aus dem Vierphasensystem Biomasse/ Kulturmedium/Restkohlenwasserstoff/ Luft zweistufig durchgeführt wird. In einer als Aufrahmung bezeichneten ersten Stufe wird die Normalbedingungen durch Dekantation die Mikroorganismen/ Kohlenwasserstoffphase vom wäßrigen Kulturmedium getrennt. Der erzielte Entwässerungsgrad liegt zwisehen 40 und 70 Vol.-SS, vorzugsweise bei 55 bis 65 Vol.-%· Anschließend wird die wäßrige Biomassesuspension auf 60 90⁰C, vorzugsweise jedoch 80 - 85° C, erwärmt, die noch vorhandenen Restkohlenwasserstoffe auf separativem Wege und weiteres Prozeßwasser ebenfalls separativ in einer

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zweiten Separationsstufe abgetrennt, wobei Aufkonzentrierungsgrade zwischen 10 bis 23 % Biomaseetrockensubstanz erreicht werden. Durch die Rückführung des hier anfallenden sowie des bei der o.g. Dekantation gewonnenen Prozeßwassers in den kontinuierlichen Permentationsprozeß wird eine Biomasse erhalten, die im Mikro- und Makrobereich mit anorganischen Bestandteilen, wie Kalium, Eisen, Magnesium, Zink, Mangan, die aus der Hefezelle in das wäßrige Medium abgegeben werden und die Porosität der Biomasse günstig beeinflüssen, gesättigt ist· Besonder günstig wirkt sich die Rückführung des nach der Temperaturerhöhung auf 60 bis 90⁰C durch Separation abgetrennten Prozeßwasser auf die Struktur der Biomasse aus

Durch die beschriebenen erfinderischen Maßnahmen wird eine Biomasse gewonnen, die infolge der spezifischen Prozeßbedingungen anorganische Bestandteile enthält und dadurch einen Strukturaufbau erfährt, der keine Verkapselung d'es Korns zuläßt. Das damit verbundene günstige Extraktionsverhalten ermöglicht die Gewinnung einer Biomasse, die den hohen Qualitätsanforderungen an eine Futterhefe entspricht.

Ausführungsbeispiel

Anhand des nachstehenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert.

In einem Rührfermentor von 250 nr Passungsvermögen und einem Arbeitsvolumen von 90 t wird in einem kontinuierlichen Verfahren der Hefestamm Lodderomyces elongisporus IMET H 128 auf einer Erdöldestillatfraktion mit der Kohlenstoffkettenlänge C₁Q bis Cpg kultiviert.

Der n-Alkangehalt im Erdöldestillat beträgt 17,0 Masse-%, die Rührleistung im Permentor 210 KW, die eingetragene luftmenge 6900 Dr/h.

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Die Zusammensetzung des Kulturmediums, bezogen auf einen Kubikmeter Wasser, beträgt:

Phosphorsäure (74%ig) 590 ml

Kaliumchlorid 620 g

Magnesiumsulfat 290 g

Eisenchlorid 21 g Mangansulfat 19 g

Zinksulfat 16,5 g

Dem Prozeßwasser wird zur Intensivierung des Permentationsprozesses ein Hilfsstoff von der Art eines Propylenoxidethylenoxidaddukts in einer Konzentration von 600 mg/1 Prozeßwasser zugegeben· Der pH-Wert wird mit konzentrierter Ammoniaklösung geregelt und auf 4,2 eingestellt. Die Per-⁴· mentationstemperatur beträgt 33°C, die Verweilzeit 4 Stunden. Die Produktivität des Permentationsprozesses beträgt 3,7 kg/ t · h.

Der Permentorauslauf wird in einem Aufrahmungsgefäß innerhalb von 30 Minuten zur Aufrahmung der Hefe und des Öles gebracht. Hierbei ist es möglich, 60 % des Prozeßwassers abzutrennen und es tritt zugleich eine Entgasung ein.

Zur Biomasse/Öl-Suspension wird etwa 0,8 g des beschriebenen Hilfstoffee wiederum zugegeben und die Suspension auf bis 85°C erhitzt. Auf separativem Wege erfolgt die Ölabtrennung und danach wird die Biomassesuspension ebenfalls separativ auf 19,2 Ma.-% Hefetrockensubstanz aufkonzentriert. Die erhaltenen wäßrigen Kulturmedien, und zwar 40 % des aus der Aufrahmungsstufe erhaltenen Prozeßwassers und 100 % des auf separativem Wege abgetrennten Prozeßwassers werden kontinuierlich in den Permentor zurückgeführt.

Insgesamt wird ein Rückführungsgrad von 75 % des wäßrigen Mediums realisiert.

Die aufkonzentrierte Biomassesuspension wird mit Hilfe eines konventionellen Sprühtrocknungsprozesses getrocknet. Die Hefetrockensubstanz besitzt folgende Zusammensetzung. Hefetrockensubstanz 90,7 Ma.-% Rohproteingehalt 6i,5Ma.-% Wassergehalt 6,3 Ma.-Sß

Aschegehalt 3,0 Ma.-%

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Die Hefetrockensubstanz wird in einer kontinuierlichen halbtechnischen Drehscheibenextraktionsanlage bei 4O⁰C mit dem selektiven Extraktionsgemisch Benzin-Äthanol-Wasser = 80-19-1 Vol-% extrahiert. Hierbei wird ein sehr gutes Extraktionsverhalten erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in der abgezogenen Miszella ein Peststoffgehalt von < 0,1 % erreicht wird. Nach der Entfernung der in der extraktiv gereinigten Biomasse vorhandenen Restextraktionsmittel wird ein Endprodukt mit hoher Qualität erzielt.

Zusammensetzung der Biomasse:

Rohproteingehalt 62,1 Ma.-%

Wassergehalt 5,2 Ma.-%

Aschegehalt 2,8 Ma.-%

Kohlenwasserstoffgehalt 0,19Ma.-%

Aromatengehalt 0,0032 Ma.-%

Die Vorteile der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen neben der Gewinnung einer Biomasse mit günstigem Extraktionsverhalten bei der Reduzierung des Frischwasserbedarfs, der rationellen Verwendung von anorganischen Uähr- und Spurensalzen, sowie von Hilfsstoffen z.B. Tensiden im Fermentationsprozeß. Außerdem kann auf bestimmte Verfahrensschritte, wie die Eindampfung des Prozeßwassers verzichtet werden.

Claims (2)

230219 ·3 Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Gewinnung und Abtrennung von Biomasse, die durch mikrobielle Konvertierung von Kohlenwasserstoffen mit Hefen gewonnen wurde, gekennzeichnet dadurch, daß die Abtrennung des wäßrigen Kulturmediums aus dem Vierphasensystem Biomasse/ Kulturmedium/ Restkohlenwasserstoffe / Luft zweistufig durchgeführt wird, indem nach einer als Aufrahmung bezeichneten ersten Entwässerungsstufe, die unter Kormalbedingungen durchgeführt wird, die vorentwässerte Biomssesuspension auf 60 bis 90⁰C, vorzugsweise 80 bis 85⁰C, erhitzt wird und die Entfernung der Restkohlenwasserstoffe durch eine erste Separation und die weitere Entwässerung durch eine zweite Separation realisiert werden, wobei das jeweils abgetrennte Prozeßwasser aus allen Stufen kontinuierlich in den Fermentationsprozeß zurückgeführt wird, so daß eine maximale Sättigung der Biomasse mit den Bestandteilen des Prozeßwassers, insbesondere den anorganischen, die die für eine Extraktion besonders vorteilhafte Mikro- und Makrostruktur der Biomasse sichern, erreicht wird.

2, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß vorzugsweise das nach der Erwärmung auf 60 bis 90°C und anschließende Separation anfallende Prozeßwasser bzw· ein Teil derselben in den Fermentationsprozeß rückgeführt wird«