DD213948A1 - Verfahren zur gewinnung von ethanol - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Ethanol aus vergaerbaren Kohlenhydraten mittels Gaerprozesses, die ansatzweise oder halbkontinuierlich in einem Membranreaktor durchgefuehrt werden. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verfahrensweise zu finden, die gegenueber den konventionell mit Heferueckfuehrung betriebenen diskontinuierlichen Gaerprozessen verkuerzt ist und eine geringere Anzahl von Verfahrensschritten besitzt, wobei die Nachteile der unvollkommenen Vergaerung der eingesetztenKohlenhydratmenge und der relativ geringen stationaeren Ethanolkonzentration einer kontinuierlich gefuehrten Gaerung in einemMembranreaktor vermieden werden. Dieses Ziel wird mit einer Verfahrensweise erreicht, bei der die Verfahrensschritte Filtration des Gaermediums und Gewinnung eines biomassearmen bzw.-freienAblauf und Regenerierung der im Reaktor verbleibenden Gaerhefe mittels Pressluft und Aufbau eines Innendrucks gleichzeitig erfolgen. Die Belueftung nach Gaerende hat keinen Einfluss auf die Ethanolausbeute. Es findet zwar wegen der hohen Ethanolendkonzentration kein aerobes Wachstum statt, doch werden alle essentiellen, nur in Anwesenheit von Luftsauerstoff synthetisierbaren Methabolite von der Gaerhefe gebildet.
Description
Verfahren zur Gewinnung von Ethanol
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Ethanol mittels Gärhefen aus vergärbaren Kohlenhydraten. Die Erfindung kann angewandt werden auf diskontinuierliche oder halbkontinuierliche Gärprozesse mit Heferückhaltung in einem Membranfermentor unter sterilen oder insterilen Bedingungen· Sie gehört in die IPK C 12 N 1/00.
Die ethanolische 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 Ethanolkönzentrationen 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 Ethanolendkonzentrationen von über 130 g Ethanol/l
um
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/le Es werden vorzugsweise Hefekonzentrationen unter 15 g Hefetrockensubstanz (HTS)/1 eingesetzt, wobei die Gärzeiten relativ lang sind und bei 20 bis 72 Stunden liegen. Kürzere Gärzeiten werden durch den Einsatz hoher Hefekonzentrationen 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 Hinimierung dieses Aufwandes, Er verringert sich z, B, dadurch, daß die einmal angezüchtete Gärhefe mehrmals verwendet wird« Das wird entweder durch die Rückführung des separierten Hefeanteils im Reaktorablauf (DE 2917411, DE 2261238, AT 334 857, DE 2903273) oder durch Heferückhaltung im Reaktor selbst erreicht. Zur Heferückhaltung wurde u. a, die Filtrationstechnik mit geeigneten Membranen entwickelt (DE 1517800, D 54132291* GB 1406506)♦
Bei allen Verfahren mit Heferückführung oder -rückhaltung kommt es darauf an, die Gäraktivität und Lebensfähigkeit der Hefen über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten« Verfahren mit Heferückführung bestehen daher aus mehreren Verfahrensschritten ,,_ und zwar in aer Regel aus
30 - der Beschickung des Reaktors mit dem Gärmedium und der Gärhefe
- dem eigentlichen GärprozeS
- der Entleerung des Reaktors und Separation der Gärhefe
35 - der Säurewäsche und aeroben Regenerierung der Gärhefe
- der Rückführung der Gärhefe ♦
Die große Anzahl an Verfahrensschritten hat die Nachteile eines größeren Aufwandes an Behältern zur Zwischenlagerung bzw. Regenerierung und der damit verbundenen größeren Infektionsgefahr des Hefegutes durch Fremdorganismen, Demgegenüber sind bei Verfahren mit Heferückhaltung im Membranreaktor die Anzahl der Verfahrensschritte und damit die Infektionsgefahr verringert.
In dem Rohrfermentor von A» Margaritis und C* R. Wilke (Biotechnol. Bioeng, 20* 727 (1978)) laufen auf Grund der Konti-3_0 nuität des Verfahrens folgende Verfahrensschritte gleichzeitig ab:
- Beschickung
- Gärung
- Heferückhaltung und Filtration des Gärmediums durch Nährlösungsstrom und
- Regenerierung durch partielle Belüftung.
Auf einen externen Separator zur Aufarbeitung der ständig anfallenden ÜberschuShefe kann jedoch nicht verzichtet werden« Dieses Verfahren hat gegenüber den diskontinuierlichen die Nachteile der unvollkommenen Vergärung der angebotenen Kohlenhydratmenge und der relativ geringen stationären Ethanolkonzentration im Filtrat, was die Ökonomie der destillativen Aufarbeitung des Filtrats belastet. Ein diskontinuierliches Verfahren mit Heferückhaltung * das die Vorteile der völligen Vergärung des Kohlenhydratangebotes"und hoher Sthanolendkonzentrationen der konventionellen Gärverfahren mit der geringen Anzahl von Verfahrensschritten neuerer kontinuierlicher Prozesse vereint, ist nicht bekannt«
Das Ziel der Erfindung besteht darin» eine Verfahrensweise zu finden, die gegenüber den konventionell mit Heferückführung betriebenen diskontinuierlichen Gärprozessen, verkürzt ist, wobei die Nachteile der unvollkommenen Vergärung der eingesetzten Kohlenhydratmenge und der relativ geringen stationären Ethanolkonzentration einer kontinuierlich geführten Gärung in einem Membranreaktor vermieden werden«
?
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete-: Verfahrensweise für einen GärprozeS in einem Membranreaktor zu finden5, die diskontinuierlich oder halbkontinuierlich durchführbar ist und aus einer geringeren Anzahl von Verfahrensschritten im Vergleich zu den konventionellen Verfahren mit Heferückführung besteht»
Das wird erfindungsgemäS mit Hilfe eines zwei- bis mehrstufigen Verfahrens mit Heferückhältung und verkürztem Verfah- \q rensablauf erreicht.
Das Verfahren setzt sich aus 3 Verfahrensschritten zusammen, und zwar
- der Beschickung des Membranreaktors mit dem Gärmedium und der Gärhefe
15 - dem eigentlichen Gärprbzeß
- der Druckfiltration und Regenerierung der Gärhefen mittels Preßluft.
Die Verkürzung des Verfahrensablaufes besteht in der Zusammenlegung der Verfahrensschritte Separation der Gärhefe von der ethanolhaltigen wäßrigen Phase und Regenerierung ihrer Gäraktivität.
Die Separation der Gärhefe nach Gärende wird hierbei im Gegensatz zu den klassischen Verfahren nicht auSerhalb des Reaktors mittels der Zentrifugalkräfte kommerzieller Zentrifugen bzw, Separatoren, auch nicht mit Hilfe des dosierten Nährlösungsstromes wie bei kontinuierlichen Membranverfahren durchgeführt, sondern erfindungsgemäS mittels Preßluft und Aufbau eines Innendruckes im Reaktor« Durch Einblasen von Luft und Aufbau eines Druckes von 0,3 bis 10 MPa im Membranreaktor nach Gärende wird bei ausreichender Durchmischung des Gärmediums zur Vermeidung von Hefekonzentrationsgradienten die Druckfiltration des biomassearmen bzw. -freien, vergorenen Gärmediums und die Regeneration der im Reaktor verbleibenden Gärhefe gleichzeitig durchgeführt. Hierbei wird die Hefemasse im Reaktor um das 3- bis 40-fache aufkonzentriert und mit Luftsauerstoff versorgt. Da die Ethanolendkonzentrationen in der Regel im wachstumshemmen-
den Bereich von über 70 g Ethanol/1 Reaktorinhalt liegen, findet kein aerobes Wachstum statt» Die kurzen Filtrationszeiten von 1 bis 8 Stunden schließen darüberhinaus eine Adaption der Hefe und möglicher Fremdorganismen (Infektionsschutz) an diese hohe Ethanolkonzentration aus, so daß die Ethanolmenge nicht, verringert wird. Die aeroben Bedingungen bei der Druckfiltration ermöglichen jedoch, daß alle essentiellen, nur in Anwesenheit von Luft synthetisierbaren Metabolite von der Gärhefe regeneriert werden, so daß ihre Gärakti-
1.0 vität erhalten bleibt und sie in einer weiteren Gärung erneut eingesetzt werden kann*
Nach erfolgter Druckfiltration des größten Teils der ethanolhaltigen wäßrigen Phase und Aufkonzentrierung der Hefe im Reaktor auf das 3- bis 40-fache der Hefeausgangskonzentration wird die Belüftung eingestellt und der Membranreaktor drucklos mit frischem Gärmedium beschickt♦ Hierbei wird die Etnanolrestkonzentration verdünnt, während die Kohlenhydratkonzentration allmählich ansteigt. Da die Gärung infolge der ansteigenden Kohlenhydratkonzentration schneller einsetzt als die Ethanolkonzentration in den nichtwachstumshemmenden Bereich absinkt, wird der Restluftanteil eher durch das gebildete Kohlendioxid aus dem Reaktor verdrängt als daß er zu einem nachweisbaren Zuwachs an Hefemasse beitragen kann» Insgesamt werden durch die erfindungsgemäße Kopplung des Regenerierungsschrittes mit dem Separations- bzw» Filtrationsschritt weniger Kohlenhydrate zur Erhaltung der Gäraktivität aufgewendet als bei herkömmlichen Verfahren mit separater aerober Aktivierungsphase bzw. mit einer schwierig zu kontrollierenden partiellen Belüftung des Gärprozesses.
Im Ergebnis werden Ethanolausbeuten von 0,46 bis 0,5 g Ethanol/ g reduzierender Substanz erhalten« Die Erfindung wird mit folgendem Beispiel näher erläutert:
Es wurden vier aufeinanderfolgende Gärungen in einem Membranreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 4 kg durchgeführt« Dieser Membranreaktor wurde durch einen relativ unkomplizierten Umbau
eines kommerziellen zylindrischen Rührkesselreaktor erhalten, indem die Bodenplatte mit einer perforierten Trägerplatte und einem Membranfilter völlig bedeckt wurde» Das Membranmaterial bestand aus Celluloseacetat mit einer Porosität von 70 % und einer Porenweite ~ 5 um« Die Membran-
2 fläche betrug insgesamt 314 cm * Der Reaktor war an eine PreSluftleitung angeschlossen und mit einer kommerziellen
Meß- und Regelungstechnik ausgerüstet.
Er wurde mit einer sauren Lösung (pH = 2,8 bis 3,2; Infektionsschutz!) aus mineralischen Nährstoffen, Hefeextrakt und Glucose beschickt und mit einer frischen Gärhefe aer
Art Saccharomyces cerevisiae beimpft·
Die Gärungen wurden bei einem pH-Wert von 4,2 und einer Temperatur von 330C durchgeführt. Die Zusammensetzung der Nährlösung bezogen auf 1 g Hefetrockensubstanz (HTS) war
folcende:
76 mg K3SO4 28 rag MgSO4»7H2Q 135 mg P als 85 % H3PO4 20 0*88 mg ZnSO4*7H20 1*43 mg FeCl2·4Η20 0,16 mg CuSO4·5Η20 0,88 mg MnSO4 ·5Η20
150 mg Hefeextrakt 25 367 mg
Die Nährlösung war auf einen Biomassezuwachs von 15 g HTS/ kg kalkuliert.
Die wichtigsten Parameter und Ergebnisse der Gärungen sind in der Tabelle 1 zusammengestellt*
Bei der 1. Gärung betrug das Glucoseangebot 154 g reduzierende Substanz {RS}/kg. Die Hefekonzentration lag bei 17,5 g HTS/kg« Nach 6-stündiger Dauer war die 1« Gärung beendet» Die Ethanolkonzentration betrug am Versuchsende 71 g Ethanol/ kg und die Hefekonzentration lag bei 25,3 g HTS/kg. Die er-
35 zielte Ausbeute an Ethanol war 0,46 g Ethanol/g RS9
Der Anteil der lebenden Hefezellen am Versuchsende entsprach mit 98 % etwa der Kulturzusammensetzung am Versuchsanfang, Nach Abschluß der Gärung wurde mit Hilfe von Preßluft ein Innendruck von 0,6 MPa im Reaktor aufgebaut und der Reaktorauslaufstutzen geöffnet» Während einer Filtrationsdauer von 2 h wurde der Reaktorinhalt auf 0,5 kg verringert und ein biomassefreies Filtrat erhalten* dessen Gehalt an Ethanol mit 71 g Ethanol/kg bis zum Ende der Druckfiltration unverändert blieb» Die Hefesuspension im Reaktor wurde hierbei um das 8-fache aufkonzentriert und erreichte 202 g HTS/kg. Danach wurde die Belüftung abgestellt» der Reaktor entspannt, die überschüssige Hefe abgeführt und der Reaktor mit frischer saurer Nährlösung beschickt, Die weiteren Gärungen wurden mit einem Glucoseangebot von 140 g RS/kg durchgeführt» Sie wurden gegenüber der 1. Gärung mit einer Ethanoikonzentration zwischen 7 und 10 g Ethanol/1 begonnene Die cthanolendkonzentration lag bei ca, 78 g Ethanol/ kg. Das entspricht einer Ethanolausbeute von 0,49 bis 0,5 g Ethanol/g RS. Der lebende und gärfähige Hefeanteil betrug am
20 Ende der 4. Gärung 86 %♦
Hierzu iSeite Tabellen
Parameter und Ergebnisse eines mehrstufigen diskontinuierlichen Verfahrens in einem Membranreaktor., bei dem erfindungagemäß die Regenerierung der im Reaktor verbleibenden Gärhefe simultan mit der Druckfiltration des biomassehaltigen Gärmediums mittels Preßluft durchgeführt -wird
Stufe Permentorinh· Hefekona«. Hefekonz» Gär- Piltrat, zu am zu am am Ende d, . dauer Beginn Ende Beginn Ende Filtration
lebende Glucose« Ethanol« Ethanol Zellen angebot konz, beute am Ende zu am
Beg,·Ende
g HTS/kg
g RS/kg g EtOH/kg g EtOH
| 1 | 2 | 4,0 |
| 3 | 4,0 | |
| 4 | 4,0 | |
| 4,0 |
0,5 17,5 25,3 202
0,5 18,2A 23,5 188
0,5 23,5 28,0 224
0,5 20,0x -25,1 200
| 6 | 2 | 98 |
| 6,5 | 2 | 92 |
| 7 | 2,25 | 88 |
| 7 | 2,25 | 86 |
154
140
0. 71
77
9,6 78,2
7,8 77,8
Überschußhefe abgeführt
Claims (1)
- Erfindungsanspruch:Verfahren zur Gewinnung von Ethanol mittels Gärhefen aus vergärbaren Kohlenhydraten dadurch gekennzeichnet, daß diskontinuierlich oder halbkontinuierlich nach einem zweibis mehrstufigen ProzeS mit derselben Hefecharge in einem Membranreaktor gearbeitet wird und jeweils nach Gärende die Filtration des biomassehaltigen Gärmediums und die Regenerierung der im Reaktor verbleibenden Gärhefe mit Hilfe von Preßluft und Aufbau eines Drucks von G»3 bis 10 MPa im Reaktor gleichzeitig erfolgt und anschließend die Beschickung des Membranreaktors mit frischen Gärmedium zur Durchführung einer weiteren Gärung drucklos vorgenommen wird, wobei anwesende Restmengen an Luft mit Gärbeginn durch die Kohlendioxidentwicklung der Gärhefe verdrängt werden·
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