DD225445A1

DD225445A1 - METHOD OF GAINING COOKING ETHANOL

Info

Publication number: DD225445A1
Application number: DD84262991A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Repp; Volker Tenckhoff; Ulrich Becker; Horst Bruchertseifer; Klaus Richter
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1984-05-14
Publication date: 1985-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Gaerungsethanol mittels Mikroorganismen aus vergaerbaren Kohlenhydraten und kann auf Fermentationsprozesse angewandt werden, die diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich gefuehrt werden. Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das die Produktsyntheserate gegenueber bisher bekannten Verfahren erhoeht. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das durch Erhoehung der Konzentration an gaerfaehigen Mikroorganismen sowie deren groessere Gaeraktivitaet und Einsatzdauer gekennzeichnet ist. Erfindungsgemaess wird im bypass durch Membranmodule mit Membranfiltern unterschiedlicher Porengroesse sowohl eine Fraktionierung der Biomasse in kleine und grosse Zellen vorgenommen, als auch ein biomassearmes bis -freies produkthaltiges Filtrat gewonnen. Die aus kleinen Zellen bestehende Fraktion wird in den Fermentor zurueckgefuehrt.The invention relates to a process for obtaining fermentation ethanol by means of microorganisms from fermentable carbohydrates and can be applied to fermentation processes which are carried out discontinuously, semicontinuously or continuously. The aim of the invention is a process which increases the rate of product synthesis over previously known processes. The object of the invention is to develop a method which is characterized by an increase in the concentration of fermentable microorganisms and their greater Gaeraktivitaet and duration of use. According to the invention, a fractionation of the biomass into small and large cells is carried out in the bypass by membrane modules with membrane filters of different pore size, as well as a biomass-poor to -free product-containing filtrate is obtained. The small cell fraction is returned to the fermentor.

Description

Title of the invention;

Verfahren zur Gewinnung von GärungsethanoiProcess for obtaining fermentation ethanoi

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi mittels Mikroorganismen aus vergärbaren Kohlenstoffsubstraten, Die Erfindung kann angewandt werden auf Fermentationsprozesse, die diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich, steril oder insteril mit Bioinasserückführung oder -rückhaltung geführt werden.The invention relates to a process for obtaining fermentation ethanoi by means of microorganisms from fermentable carbon substrates. The invention can be applied to fermentation processes which are carried out discontinuously, semicontinuously or continuously, sterile or instantly with bioinase recirculation or retention.

Characteristic of the known technical solutions

Verfahren zur Gewinnung von Gärprodukten mittels Mikroorganismen aus vergärbaren KohlenstoffSubstraten sind in großer Zahl bekannt. Charakteristisch für diskontinuierliche Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi ist, daß vorzugsweise mit Hefen bei Konzentrationen unter 15 g Hefetrockensubstanz / 1 Permenterinhalt (g HTS/1 FI) und bei relativ langen Gärzeiten von 20 bis 72 h gearbeitet wird. Dabei werden Ethanolkonzentrationen zwischen 70 bis 85 g/l erreicht. Diese Gürzeiten und Ethanolkonzentrationen sind die Folge des inhibierenden Einflusses des Ethanols auf das Wachstum der Gärorganismen und auf die Ethanolsyntheserate,Methods for obtaining fermentation products by means of microorganisms from fermentable carbon substrates are known in large numbers. Characteristic of discontinuous processes for obtaining fermentation ethanoi is that preferably working with yeasts at concentrations below 15 g yeast dry matter / 1 permenter content (g HTS / 1 FI) and at relatively long fermentation times of 20 to 72 hours. Ethanol concentrations between 70 and 85 g / l are achieved. These gyration times and ethanol concentrations are the result of the inhibiting influence of ethanol on the growth of the fermentation organisms and on the ethanol synthesis rate.

Es ist weiterhin bekannt, daß eine Erhöhung der gärfähigen Biomasse die Gärzeit verkürzt und Möglichkeiten zur kontinuierlichen Ethanolsynthese bietet. Dem tragen eine Reihe jüngster Verfahrensentwicklungen Rechnung, bei denen Biomassen von 50 bis 120 g TS/1 eingesetzt werden, (Gysewski, G.R. und Wilke, CR.: Biotechnol. Bioeng. J_9 (1977) 1125 - 1143; Wilke, CR. und Maiorella, B.: Adv. Biotechnol. χ (1981) 539 - 545; DE - OS 29 17 411; GB - PS 20 21 639; GB - PS 20 65 699).It is also known that increasing the fermentable biomass shortens the fermentation time and offers opportunities for continuous ethanol synthesis. This is borne out by a number of recent developments using biomass of 50 to 120 g TS / 1 (Gysewski, GR and Wilke, CR: Biotechnol Bioeng J_9 (1977) 1125-1143, Wilke, CR and Maiorella , B .: Adv Biotechnol χ (1981) 539 - 545;.. DE - OS 29 17 411; GB - PS 20 21 639; GB - PS 20 65 699).

Der Einsatz derart großer Biomassen setzt die Bereitstellung und den Verbrauch entsprechend großer Substratmengen für ihre Anzucht voraus. Die ständige Anwesenheit der Biomasse im Gärreaktor wird in der Praxis mittels der Verfahrensschritte Separation des Fermentorablaufs und Rückführung der separierten Biomasse in den Reaktor oder durch Biomasserückhaltung mittels der Membrantechnologie realisiert.The use of such large biomasses requires the provision and consumption of correspondingly large amounts of substrate for their cultivation. The permanent presence of the biomass in the fermentation reactor is realized in practice by means of the process steps separation of the fermenter effluent and recycling of the separated biomass into the reactor or by biomass retention by means of the membrane technology.

Die Membrantrenntechnologie hat auf Grund verschiedener Vorteile, wie des geringen Energiebedarfs sowie vieler Einsatzmöglichkeiten, verstärkt das Interesse der Verfahrensingenieure gefunden. Der Rotorfermentor von A. Margaritis und CR. Wilke (Biotechnol, Bioeng. 2_0 (1973) 727) erlaubt eine Verringerung der Anzahl der Verfahrensschritte bei der ethanolischen Gärung. Weitere Einsatz- möglichkeiten wurden gefunden inMembrane separation technology has increasingly attracted the interest of process engineers due to various advantages such as low energy requirements and many applications. The Rotorfermentor of A. Margaritis and CR. Wilke (Biotechnol, Bioeng. 2_0 (1973) 727) allows a reduction in the number of process steps in the ethanolic fermentation. Further fields of application were found in

- der Plattenfiltration zur Aufkonzentrierung biologischer Lebendstoffe (DE - AS 16 58 062),- Plate filtration for the concentration of biological living substances (DE - AS 16 58 062),

- der Ultrafiltration zur Behandlung von Maisquellwasser (DE - OS 22 28 038),- Ultrafiltration for the treatment of corn steep liquor (DE - OS 22 28 038),

- der Dialyse bzw. Umkehrosmose zur Herstellung ethanolreduzierter Getränke (DS - OS 30 09 828),- Dialysis or reverse osmosis for the production of ethanol-reduced drinks (DS - OS 30 09 828),

- zur Fest-Flüssig-Trennung (US - PS 30 85 687).- For solid-liquid separation (US - PS 30 85 687).

Voraussetzung für einen langen Einsatz der Gärorganismen in den Gärprozeß ist, daß sie eine hinreichend hohe Gäraktivität besitzen. In der Regel verringert sich diese mit zunehmender Einsatzdauer der Gärorganismen, Die Gäraktivität hängt von verschiedenen Parametern ab. So wird sie z, B, von der nährstoffversorgung und der Ethanolkonzentration beeinflußt. Die Forschung hat zahlreiche Verfahrensentv/icklungen hervorgebracht, die das -Problem auf verschiedene V/eise und mit unterschiedlichem Erfolg zu lösen versuchen. So z, B,The prerequisite for a long use of the fermentation organisms in the fermentation process is that they have a sufficiently high fermentation activity. As a rule, this decreases as the duration of use of the fermentation organisms increases. The fermentation activity depends on various parameters. For example, it is affected by nutrient supply and ethanol concentration. Research has produced numerous process developments that attempt to solve the problem in different ways and with varying degrees of success. For example, B,

- durch die Versorgung der Gärorganismen mit Wuchsstoffen und/oder Sauerstoff,by supplying the fermentation organisms with growth substances and / or oxygen,

- durch den Einsatz ethanoltoleranter oder -resistenter Mikroorganismen,- by the use of ethanol-tolerant or -resistant microorganisms,

- durch den Einsatz physikalisch-chemischer Hilfsmittel,- by the use of physico-chemical aids,

Zum größten Teil sind diese Methoden mehr oder minder material- oder energieaufwändig und belasten je höher die gewünschte Biomasse im Reaktor ist um so mehr die Ökonomie des Gesamtverfahrens,For the most part, these methods are more or less material or energy-consuming and burden the higher the desired biomass in the reactor is the more the economy of the overall process,

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi, das die Produktsyntheserate gegenüber bisher bekannten Verfahren erhöht,The aim of the invention is a method for obtaining fermentation ethanol, which increases the rate of product synthesis over previously known methods,

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Verfahrensweise für einen ethanolischen Gärprozeß beiThe invention is based on the object, a suitable procedure for an ethanolic fermentation process

großen Biomassekonzentrationen zu finden, die durch eine hohe Gäraktivität und Einsatzdauer und gleichzeitig durch die Erhöhung der Konzentration der gärfähigen Mikroorganismen gekennzeichnet istTo find large biomass concentrations, which is characterized by a high fermentation activity and duration of use and at the same time by increasing the concentration of fermentable microorganisms

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe so gelöst, daß im bypass durch Membranmodule mit Membranfiltern unterschiedlicher Porengröße sowohl eine Fraktionierung der Biomasse in kleine und große Zellen vorgenommen, als auch ein biomassearmes bis -freies produkthaltiges Piltrat gewonnen wird. Die aus kleinen Zellen bestehende Fraktion wird in den Fermentor zurückgeführt und mit bekannten Methoden, beispielsweise durch Substrat- und Sauerstoffzuführung aktiviert According to the invention, the object has been achieved in that made by bypassing membrane modules with membrane filters of different pore size both fractionation of the biomass into small and large cells, as well as a biomassearmes to-free product-containing Piltrat is obtained. The fraction consisting of small cells is returned to the fermentor and activated by known methods, for example by substrate and oxygen supply

Die Membranfiltration kann diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Für die Fraktionierung der Zellen werden ihrer Größe entsprechend Membranen mit einer Porengröße von 2 bis 10 um und für die Gewinnung des produkthaltigen biomassefreien Filtrates solche mit einer Porengröße von 0,2 bis 3 /-πη eingesetzt. Durch die Anreicherung an kleinen, jedoch aktivierten Zellen im Fermentor werden die Zellanzahl und damit die Menge der anwesenden Multienzymsysteme, die Gesamtoberfläche der substratwandelnden Biomasse und folglich ihre Stoffwandlungsaktivität erhöht, ohne daß die Gesamtbiomasse gesteigert werden muß. Die Biomassekonzentration wird photometrisch im Fermentor und in den Kreisläufen verfolgt und auf dieser Basis erfolgt die Regelung und das Ausschleusen der Biomasse aus den Kreisläufen bzw, ihrer Rückführung in den Fermentor zur Aufrechterhaltung einer konstanten Biomassekonzentration, Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren besteht darin, daß die Biomasse in einem separaten Kreislauf zur Gewinnung kleiner Zellen energiesparsam mittels Membranmodulen mit geeigneten Mikrofiltern fraktioniert und die kleinen Zellen sowohl bevorzugt in The membrane filtration can be carried out batchwise, semicontinuously or continuously. For the fractionation of the cells according to their size membranes with a pore size of 2 to 10 microns and for the recovery of the product-containing biomass-free filtrate those with a pore size of 0.2 to 3 / -πη used. The accumulation of small but activated cells in the fermentor increases the number of cells, and thus the amount of multienzyme systems present, the total surface area of the substrate-converting biomass, and consequently its metabolic activity, without having to increase the total biomass. The biomass concentration is monitored photometrically in the fermentor and in the circuits and on this basis, the control and the discharge of the biomass from the circuits or, their return to the fermenter to maintain a constant biomass concentration, the advantage of this method over conventional methods is that the biomass is fractionated in a separate circuit to obtain small cells energy-saving by means of membrane modules with suitable microfilters and the small cells both preferred in

den Gärreaktor zurückgeführt, als auch mit an sich bekannten Methoden aktiviert werden, so daß die Gäraktivität der anwesenden Biomasse erhöht wird, ohne daß die Gesamtbiomasse gesteigert zu werden braucht« Die Erfindung wird durch folgendes Beispiel näher erläutert:be returned to the fermentation reactor, as well as activated by methods known per se, so that the fermentation activity of the biomass present is increased without the total biomass needs to be increased «The invention is further illustrated by the following example:

example

Es wurden Versuche zur kontinuierlichen Gärung in einem Laborfermentor mit einem Arbeitsvolumen von 1,5 1 durchgeführt. Der Reaktor war mit einer Meß- und Regelungstechnik ausgerüstet, die es ,erlaubte, sowohl die Hefekonzentration zu messen und konstant zu halten, als auch auf der Basis einer vorgegebenen konstanten Sthanolkonzentration im Reaktorauslauf die Dosierung des Gärmediums und somit der Durchflußrate zu regeln. Am Reaktor befanden sich 2 Außenkreisläufe mit 2 Plattenmodulen mit kommerziellen Membranfilter^ und unterschiedlichen Porengrößen von 3-4 um bzw. 0,5 um Durchmesser. Die Membranfilter mit den größeren Poren dienten hierbei zur ZeIlfraktionierung, die mit den kleinen zur Gewinnung der hefefreien ethanolhaltigen wäßrigen Phase. Der Reaktor wurde mit einer sterilen Nährlösung aus mineralischen Nährsalzen, Hefeextrakt und einer Saccharose-Melassemischung beschickt und mit frischer Hefe (Saccharomyces cerevisiae) beimpft. Die Zusammensetzung der Nährlösung war folgende (bezogen auf 1 g Hefetrockensubstanz (HTS)): K₂SO₄ 76,00 mgContinuous fermentation experiments were performed in a laboratory fermentor with a working volume of 1.5 liters. The reactor was equipped with a measuring and control technique that allowed, both to measure the yeast concentration and keep constant, as well as on the basis of a predetermined constant concentration of ethanol in the reactor outlet to control the dosage of the fermentation medium and thus the flow rate. The reactor had 2 outer circuits with 2 plate modules with commercial membrane filters and different pore sizes of 3-4 μm and 0.5 μm diameter, respectively. The membrane filters with the larger pores served here for the ZeIlfraktionierung, with the small to obtain the yeast-free ethanol-containing aqueous phase. The reactor was charged with a sterile nutrient solution of mineral nutrient salts, yeast extract and a sucrose-molasses mixture and inoculated with fresh yeast (Saccharomyces cerevisiae). The composition of the nutrient solution was as follows (based on 1 g of yeast dry substance (HTS)): K ₂ SO ₄ 76.00 mg

MgSO. . 7 H₂O 28,00 mg ZnSO₄ , 7 H₂O 0,88 mg FeSO₄ . 7 H₂O 2,59 mg CuSO₄ . 5 H₂O 0,1b mg MnSO₄ . 7 H₂O 0,88 mg H₃PO₄ (85 %) 135,00 mg (TTH₄)₂SO₄ 367,00 mgMgSO. , 7 H ₂ O 28.00 mg ZnSO ₄ , 7 H ₂ O 0.88 mg FeSO ₄ . 7 H ₂ O 2.59 mg CuSO ₄ . 5 H ₂ O 0.1b mg MnSO ₄ . 7 H ₂ O 0.88 mg H ₃ PO ₄ (85 %) 135.00 mg (TTH ₄ ) ₂ SO ₄ 367.00 mg

Hefeextrakt 150,00 mgYeast extract 150.00 mg

Die Versuche erfolgten bis pH = 4,5 und 33 ⁰C. Der Reaktor wurde partiell belüftet. Die Gelöst-Op-Konzentration betrug 15 %« Der kontinuierliche Gärbetrieb wurde mit einer Hefekonzentration von 21 g HTS/1 begonnen und zwar mit einem Anteil an lebenden Zellen von 95 %» Davon hatten 43 % der Zellen einen Durchmesser von 2 bis 3»5 um, 57 % der Zellen über 3,5 bis 5,5 um. Entsprechend einer Ethanolkonzentration von ρ = ca, 65 g Ethanol/1 und einer Durchflußrate von D = 0,2 h wurde eine Ethanolproduktivität von ρ = 13 g Ethanol/1,h erhalten. Die Sthanolausbeute lag bei y = 0,46 g Ethanol/g Saccharose, JJach einer Versuchsdauer von 36 h wurde auf Grund der erfindungsgemäßen Fraktionierung der anwesenden Hefebioinasse nach der Zellgröße und eines bevorzugten Anschleusens der über 3,5 um großen Zellen und der Akkumulation kleiner Zellen im Gärreaktor eine Ethanolproduktivität von ρ = 16 g Ethanol/l,h erreicht. Die übrigen Parameter waren: χ = 21 g HTS/1 ρ =65,6 g Ethanol/1The experiments were carried out until pH = 4.5 and 33 ⁰ C. The reactor was partially vented. The dissolved OP concentration was 15%. "Continuous fermentation was started with a yeast concentration of 21 g HTS / 1 with a 95 % living cell fraction. Of these, 43 % of the cells were 2 to 3" 5 in diameter 57 % of the cells exceed 3.5 to 5.5 μm. According to an ethanol concentration of ρ = ca, 65 g ethanol / 1 and a flow rate of D = 0.2 h, an ethanol productivity of ρ = 13 g ethanol / 1, h was obtained. The stanol yield was y = 0.46 g ethanol / g sucrose. After a test time of 36 h, due to the fractionation of the present yeast biotin composition according to the invention cell size and preferential attachment of the cells larger than 3.5 μm and the accumulation of small cells achieved an ethanol productivity of ρ = 16 g ethanol / l, h in the fermentation reactor. The other parameters were: χ = 21 g HTS / 1 ρ = 65.6 g ethanol / 1

D= 0,25 IT¹ D = 0.25 IT ¹

y = 0,47 g Ethanol/g Saccharosey = 0.47 g ethanol / g sucrose

Die Zellanzahl hatte sich erhöht, während die Gesamthefemasse unverändert blieb. Der Anteil an lebenden Zellen betrug 90 %, Das Verhältnis von kleinen Zellen gegenüber den großen Zellen war 60 % zu 40 %. Die Ethanolproduktivität stieg im Gärverlauf weiterhin an, JJach einer Versuchsdauer von 60 h wurden ρ = 21,7 g Ethanol/1,h erreicht. Die Zellanzahl hatte sich weiterhin erhöht, dagegen konnte die gärfähige Biomasse konstant gehalten werden. Die Parameter waren:The cell count had increased while the total yeast remained unchanged. The proportion of living cells was 90%. The ratio of small cells to large cells was 60 % to 40 %. The ethanol productivity continued to rise during the course of fermentation. After a test duration of 60 h, ρ = 21.7 g ethanol / l, h were reached. The cell count had continued to increase, while the fermentable biomass could be kept constant. The parameters were:

χ = 22 g HTS/1 Anteil an lebenden Zellen = 86 % ρ = 64,8 g Ethanol/1 Anteil an kleinen Zellen = 80 % χ = 22 g HTS / 1 live cell fraction = 86 % ρ = 64.8 g ethanol / 1 small cell fraction = 80 %

D = 0,33 h"¹ Anteil an großen Zellen = 20D = 0.33 h " ¹ proportion of large cells = 20

y = 0,45 g Ethanol/g Saccharosey = 0.45 g ethanol / g sucrose

Insgesamt konnte durch die erfindungsgemäß angewandte Fraktionierung der Hefemasse nach der Zellgröße mittels der Membranfiltration und Akkumulation der kleinen Zellen im Gärreaktor eine Erhöhung der Gäraktivität der Hefe bei unveränderter Gesamthefemasse sowie einer Steigerung der Ethanolproduktivität um das 1,6-fache erreicht werden.Overall, the fractionation of the yeast mass used according to the invention according to the cell size by means of membrane filtration and accumulation of the small cells in the fermentation reactor, an increase of the fermentation activity of the yeast with unchanged total yeast and an increase in ethanol productivity by 1.6 times can be achieved.

Claims

invention claim

1. A method for obtaining fermentation ethanoi by means of yeasts and / or bacteria from fermentable carbohydrates by a method of biomass recirculation or retention, preferably with membrane modules, characterized in that in the bypass by means of membrane modules with membrane filters of different pore size discontinuous, semi-continuous or continuous both a fractionation of the biomass into small and large cells is made, preferably the fraction consisting of small cells is returned to the per- mentor and activated by known methods by substrate and oxygen supply, as well as a biomassearmes to -free product-containing Piltrat is obtained.

2 "membrane filter for carrying out the method according to item 1, characterized in that the pore size of the membrane filter for fractionation 1 to 1.0 / am and for the recovery of the filtrate 0.2 to 3 / Um.