DD212053A1

DD212053A1 - Verfahren zur gewinnung von ethanol

Info

Publication number: DD212053A1
Application number: DD24552182A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Repp; Ulrich Becker; Klaus Richter; Ingrid Ruehlemann; Volker Tenckhoff
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1982-12-03
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1984-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Ethanol aus vergaerbaren Kohlenhydraten mittels Gaerprozessen, die ansatzweise, halbkontinuierlich, zwei- bis mehrstufig und mit Heferueckfuehrung bzw. -rueckhaltung durchgefuehrt werden. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine hohe Ethanolendkonzentration bei guter Ethanolausbeute sowie langandauernder Gaeraktivitaet der wiederholt eingesetzten Hefemenge von 20 bis 100 g HTS/l zu erreichen, ohne dass eine unproduktive aerobe Nichtgaerphase zur Aktivierung der Gaerhefe durchlaufen wird. Dieses Ziel wird mittels einer zwei- bis mehrstufigen Verfahrensweise erreicht, bei der sich eine Kurzzeitgaerung, mit oder ohne partielle Belueftung, zur Aktivierung der Gaerhefe mit einer Langzeitgaerung mit hohem Zuckerangebot abwechselt. Durch das relativ niedrige Zuckerangebot in der Kurzzeitgaerung wird einerseits eine ausreichende Aktivierung der Gaerhefe erzielt, andererseits steht der Gaerhefe zum Wachstum wenig Zeit zur Verfuegung, so dass bereits in dieser Stufe Ethanol mit guter Ausbeute gebildet und im Ergebnis des Gesamtverfahrens Ethanolendkonzentrationen von 90 bis 100 g Ethanol/l und mehr erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi mittels Hefen aus vergärbaren Kohlenhydra-_ ten. Die Erfindung kann angewandt werden auf diskontinuierliche oder halbkontinuierliche Fermentationsprozesse, die steril oder insteril, mit Heferückhaltung bzw, -rückführung gefahren werden· Sie gehört in die IPK C 12 Έ 1/00.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die ethanolisehe Gärung ist durch die Produktinhibierung des Prozesses gekennzeichnet. Mit ansteigender Ethanolkonzentration verringern sich das Wachstum der Gärhefe und die Ethanolbildung. Das Wachstum und die Ethanolbildung kommen bei Ethanolkonzentrationen von 40 bis 50 bzw. über 80 g Ethanol/1 völlig zum Stillstand.

Im Ergebnis der ethanolischen Gärung werden die Gäraktivität der Hefe und ihre Lebensfähigkeit negativ beeinflußt.

Dabei kann es zum völligen Absterben der Gärorganismen kommen, wie bei Etfaanolendkonzentrationen von über 130 g Ethanol/1 festgestellt wurde. (U. Y. Wang, F. M. Robinson, S. S. Lee; Biotechnol. Bioeng.-Symp. 11, 555 - 65 (1981). Aus diesem Grunde arbeiten die konventionellen Verfahren mit Ethanolendkonzentrationen von 70 bis 85 g Ethanol/1.

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Es werden vorzugsweise Hefekonzentrationen unter 15 g Hefetrockensubstanz (HTS)/l eingesetzt, wobei die Gärzeiten relativ lang sind, und zwar bei 20 bis 72 Stunden liegen· Kürzere Gärzeiten werden durch den Einsatz boher Hefekonzen-5. trationen erreicht. Dem tragen eine Reihe jüngster Verfahrensentwicklungen Rechnung, bei denen Hefekonzentrationen von 50 bis 120 g HTS/1 eingesetzt werden· Der Einsatz dieser hohen Hefekonzentrationen setzt die Bereitstellung entsprechender Mengen an Kohlenstoffsubstraten zur Anzucht voraus, die der ethanolischen Gärung entzogen werden und die Ökonomie der Ethanolherstellung belasten· Die neueren Verfahrensentwicklungen konzentrieren sich deshalb auf die Minimierung dieses Aufwandes, Er verringert sich z* B, dadurch, daß die einmal angezücbtete Gärhefe mehrmals verwendet wird. Das wird entweder durch die Rückführung (DS 2917 411, DE 2261 238, DE 2903 273, AT 334 857) des separierten Hefeanteils im Fermentorablauf oder durch Heferückhaltung im Fermentor erreicht. Zur Heferückhaltung wurden verschiedene Technologien entwickelt, z, B, die Rückhaltung durch Filtration mit geeigneten Membranen (DT 1517 300, J 54 132 291, GB 1406 506) oder die Immobilisierung bzw. Fixierung der Hefen in oder an geeigneten Trägermaterialien (OH 489 601; DD-AS 126 842; J 53 128 - 072; J 53 118 - 584).

Bei allen Verfahren mit Heferückhaltung oder -rückführung kommt es darauf an, die Gäraktivität und Lebensfähigkeit der Hefen über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten· So werden die Hefen nach der Separation einer Säurewäsche (OE-PS 334 857) und/oder einer aeroben Aktivierungsstufe unterworfen (GH 520 197, DE 2354 556, DE 2426 120, DE 2151 574, FR 2168 225), um ihre Gäraktivität zu regenerieren. Alle diese Verfahren sind meist mit dem Nachteil behaftet, daß bei der Regenerierung der Hefe keine oder nur unwesentliche Mengen an Ethanol gebildet werden·

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem Gärhefen mit normalem Leistungsvermögen angeregt werden, statt der üblichen 70 bis 80 g Ethanol/1 Etbanolendkonzentrationen von 110 bis 13Og Ethanol/1 zu bilden» Gleichzeitig sollen der Verlust an Gäraktivität und Lebensfähigkeit gering gehalten werden und eine Aktivierung bzw. Regenerierung der Gärhefe bei simultaner Ethanolbildung - ohne separater Hichtgärstufe - erfolgen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Verfahrensweise zu finden, bei der sowohl hohe Ethanolkonzentrationen erzielt werden als auch die Gäraktivität und Lebensfähigkeit lange erhalten bleibt.

Das wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines zwei- bis mehrstufigen Verfahrens mit Heferückführung bzw. -haltung erreicht. Bei Verfahren mit Heferückführung ist oftmals eine Zwischenlagerung des separierten Hefematerials erforderlich. Es wurde aber gefunden, daß zwischengelagertes Hefematerial nicht sofort seine volle Gäraktivität aufweist.

Die Gärhefe beginnt zunächst, sich verstärkt zu vermehren, wobei weniger Ethanol aus dem vergärbaren Zucker gebildet wird« Es handelt sich um eine Aktivierung der Gärhefe (Aktivierungsphase), die über mehrere Gärungen andauern kann (Bild 1). Diese Aktivierungsphase ist weiterhin gekennzeichnet durch eine verlängerte Gärdauer. Wird die Hefe in dieser Phase durch Kohlenstoffsubstrat- bzw. Ethanolkonzentrationen von > 180 g Reduzierender Substanz (RS)/l bzw. > 90 g Ethanol/1 belastet, führt dies zu einer verstärkten Abnahme der Lebensfähigkeit der Zellen.

Es wurde weiterhin gefunden, daß bei Einsatz von frischem Hefematerial zunächst ebenfalls ein verstärktes Wachstum auf Kosten der Ethanolbildung stattfindet, dagegen bei erneutem Einsatz des nach Abschluß der 1. Gärung separiertem Hefematerials in einem 2, Gärprozeß weniger Hefe zuwächst, jedoch sehr gute Ausbeuten an Ethanol erhalten wurden.

Der Verlauf der 3. und 4. usw. Gärung mit derselben Gärhefe entspricht dem der 1, bzw. 2. Gärung. Einer Gärstufe mit verstärktem Wachstum (Aktivierungsphase) folgt jeweils eine Gärung mit höherer Ethanolausbeute wie dem Bild zu entnehmen ist.

Auf der Grundlage der in dem Bild 2 dargestellten Ergebnisse konnte ein zwei- bis mehrstufiges Verfahren mit Heferückführung bzw. -haltung entwickelt werden, mit dessen Hilfe im Ergebnis höhere Sthanolkonzentrationen und hohe Ethanolausbeuten erzielt werden bei langandauernder Gäraktivität des wiederholt eingesetzten Hefematerials.

Dieses Verfahren besteht aus einer Kurzzeitgärung mit relativ geringem Zuckerangebot von 140 bis 170 g RS/1 und einer Langzeitgärung mit einem außergewöhnlich hohem Zuckerangebot von 220 bis 280 g RS/1.

Ss wurden hohe Hefekonzentrationen von 20 bis 100 g HTS/1 eingesetzt. Die Gärhefe ist in der 1, Stufe sehr schonenden Gärbedingungen ausgesetzt. Es wird eine ausreichende Aktivierung des Hefematerials erzielt.

Auf Grund des gewählten günstigen Hefe-Zucker-Verhältnisses ist die Gärdauer relativ kurz und der Hefezuwachs relativ gering, so daß bereits in dieser Stufe Ethanol mit guter Ausbeute gebildet wird

Nach Abschluß der Kurzzeitgärung wird die separierte Gärhefe in der Langzeitgärung eingesetzt. Auf Grund des außergewöhnlich hohen Zuckerangebotes werden eine hohe Ethanolendkonzentration bei guter Ausbeute und eine Gärhefe mit geringerer Gäraktivität erhalten« Durch die Wiederverwendung der Gärhefe in einem 3· Gärprozeß, dessen Gärbedingungen denen der 1. Gärung entsprechen, wird eine ausreichende Aktivierung des Hefematerials erreicht, so daß es in einer 4« Gärung erneut den extremen Gärbedingungen entsprechend der 2. Gärung ausgesetzt werden kann« Dieser Wechsel von Gärungen mit unterschiedlicher Ethanolendkonzentration kann fortgesetzt werden, bis der Anteil der toten Hefezellen 25 % beträgt. In diesem PalIe muß eine aerobe Regenerierung der Gärhefe erfolgen.

Sie kann erfindungsgemäß zu Beginn, im gleichen Gärreaktor und als Teil der Aktivierungsgärung durchgeführt werden und muß etwa 1/3 der Gärdauer beanspruchen. Bei einem höheren Anteil an toten Zellen als 35 % sollte frisches Hefematerial eingesetzt werden.

Insgesamt ist festzustellen, daß die Gärhefe trotz der Belastung in der Langzeitgärung auf Grund der vorausgegangenen und nachfolgenden Aktivierungsgärung ausreichende Mengen an Ethanol gebildet werden.

Im Ergebnis der Aufeinanderfolge von Gärungen mit unterschiedlichen Ethanolendkonzentrationen werden durchschnittliche Konzentrationen und Ausbeuten an Ethanol von 100 g Ethanol/1 bzw. 0,47 g Ethanol/g Zucker erzielt. Bei dieser Verfahrensweise kann ein und dasselbe Hefematerial öfter als in bisher bekannten Terfahren eingesetzt werden« Das Verfahren wird mit folgendem Beispiel näher erläutert:

Beispiel:

Sin Rührkesselfermentor mit einem Arbeitsvolumen von 4 1 wurde in vier aufeinanderfolgenden Gärungen jeweils mit einer Lösung aus mineralischen Nährstoffen, Hefeextrakt und Glucose beschickt und in der 1. Gärung mit einer frischen, in dem weiteren mit der rückgeführten Gärhefe der Art Saccaromyces cerevisiae beimpft. Der Permentor war mit einer kommerziellen Meß- und Hegeltechnik zur Temperierung und pH-Regelung ausgestattet.

Die diskontinuierlichen Gärungen wurden bei einem pH-Wert von 4,2 und einer Temperatur von 33⁰C durchgeführt.

Die Zusammensetzung der nährlösung bezogen auf 1 g HTS war folgende:

76 mg K₂₄

28 mg MgSO₄ . 7 H₂O

135 mg P als 85 % H₃PO₄

0,88 mg ZnSO . 7 H_p0

1,43 mg _{2 2}

0,16 mg CuSO. . 5 H₃O

0,88 mg MnSO₄ . 5 H₃O

150 mg Hefeextrakt

367 mg (SH₄)₂ SO₄

Die wichtigsten Parameter und Ergebnisse der Gärungen sind in der Tabelle 1 zusammengestellt.

Das Glucoseangebot betrug in der 1. Gärung 180 g ES/1. Die Hefekonzentration lag bei 33 g HTS/1. Hach 3stündiger Dauer war die 1. Gärung beendet. Die Ethanolkonzentration betrug am Yersucfasende 80 g Ethanol/1 und die Hefekonzentratlon lag bei 40 g HTS/1, Die erzielte Ausbeute an Ethanol war 0,44 g Ethanol/g Glucose, Der Anteil der lebenden

Hefezellen am Yersuchsende entsprach mit 98 % der Kulturzusammensetzung am Yersucfasbeginn.

Hach Abschluß der 1. Gärung wurde die Hefe separiert und nach Abtrennung der Überschußhefe in einem 2. Gärprozeß in demselben Rührkesselreaktor wieder eingesetzt. Das Glucoseangebot betrug 240 g Glucose/1, Hach 5stündiger Dauer war die Gärung beendet. Die Ethanolkonzentration betrug am Yersuchsende 120 g Ethanol/1 und die Hefekonzentration 38 g HTS/1, Die erzielte Ausbeute an Ethanol war 0,5 g Etha-

n_Qi/g__GJLjÄO.Qafi-^JDer Anteil der lebenden Hefezellen lag bei 88 56.

Hach Yereinigung der beiden ethanolhaltigen wäßrigen Phasen aus den beiden Gärungen wurden im Ergebnis des Gesamtprozesses eine 10 %ige wäßrige Ethano!lösung erhalten und eine durchschnittliche Ethanolausbeute von 0,476 g Etbanal/g Glucose berechnet

Das separierte Hefematerial wurde erneut im 3. Gärprozeß eingesetzt. Das Glucoseangebot betrug 160 g Glucose/kg, die Gärdauer 3 1/4 Stunden, Am Yersuchsende wurden mit einem lebenden Zellanteil von 87 % 74 g Ethanol/1 bei einer Aasbeute von 0,46 g Ethanol/g Glucose erbalten. • Die 4. Gärung wurde mit 230 g Glucose/1 durchgeführt. Hach 5stündiger Gärdauer wurden mit einer Ausbeute von 0,5 g Ethanol/g Glucose 115 g Sthanol/1 erhalten.

Der lebende Zellanteil betrag 85 %*

Das Gemisch der beiden ethanolhaltigen wäßrigen Phasen der 3. und 4. Gärung ergab eine etwa 9,45 %ige Ethanol« lösung. Das arithmetische Mittel der Bthanolausbeuten der 3. und 4. Gärung beträgt 0,48 g Ethanol/g Glucose.

Tabelle Ij Parameter und Ergebnisse des mehrstufigen diskontinuierlichen Verfahrens mit HefertickfUhrung bei alternierendem Wechsel von Kurz- (1. und 3· Stufe) und Langzeitgärungen (2. und 4. Stufe)

Glucose· Stufe angebot

g RS/1

Hefekonzentration Hefe- lebender am Anfang am Ende different Hefeanteil

am Ende g HTS/1 %

Ethanolausbeute

Ethanolkonzentr«

g Ethanol/g RS g Ethanol/1

Gärdauer

1	180	33	40	7	98
2	240	33	38	VJl	88
1/2
3	160	33	36	3	87
4	230	33	37	4	85
3/4

0,44	0	80	3
0,5		120	5
0,476		100
0,46	0	74	3,25
0,5	115	5
0,48	94,5

Claims

1» Verfahren zur Gewinnung von Ethanol mittels Gärhefen aus vergärbaren Kohlenhydraten, dadurch gekennzeichnet, daß diskontinuierlich oder halbkontinuierlich in ' einem zwei- oder mehrstufigen Prozeß mit einer Hefekonzentration von 20 bis 100 g HTS/1 Reaktorinhalt

nach-einer Karzzeitgärung von 2 bis 10 Stunden mit einem Zackerangebot von 140 bis 170 g RS/1 Reaktorinhalt und nach Rückführung der abgetrennten Hefe bzw. nach Rückhaltung der Hefe im Reaktor eine Langzeitgärung bei einem Zuckerangebot von 220 bis 280 g RS/1 Reaktorinhalt folgt, die das Doppelte bis zu einem Mehrfachen der Zeit der Kurzzeitgärung dauert, und bei Wiederholung der Gärstufen vorzugsweise bei einem Anteil von 20 bis 25 % toter Zellen bezogen auf die Gesamthefemasse zu Beginn und als Teil der Kurzzeitgärung belüftet wird, wobei die Belüftung bis zu einem Drittel der Dauer der Karzzeitgärung beträgt·

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