DD230558A3 - Verfahren zur kontinuierlichen gewinnung von kohlenwasserstoffarmer biomassen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen auf fluessigen Kohlenwasserstoffen. Der Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der knospenden Zellen als eine das Wachstum charakterisierende Groesse dazu benutzt wird, um bei einem bestimmten Umsetzungsgrad der Paraffine die gebildete und in den Hefen vorhandene Menge an Kohlenwasserstoffen auf einem geringen Wert zu halten. Grundlage dieser Zusammenhaenge ist die Erkenntnis der Abhaengigkeit der in den Hefen vorhandenen Extraktmengen von der Wachstumsgeschwindigkeit. Erfindungsgemaess wird eine geringe Extraktmenge immer dann erreicht, wenn die Anzahl der knospenden Zellen zwischen 18 und 50% betraegt bei einem Restparaffinbetrag im fermentierten ED zwischen 20 und 40% entsprechend einem Nutzungsgrad von hoechstens 80% und einer Verweilzeit zwischen vorzugsweise 3 und 5 h.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von Biomassen auf flüssigen Kohlenwasserstoffen, bei denen die Biomasse einen minimalen Wert an extrahierbaren Kohlenwasserstoffen besitzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntlich können Hefen auf flüssigen paraffinhaltigen Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffquelle und in Gegenwart eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases gezüchtet werden.

Dabei müssen in einer Vielzahl von Fällen die abgetrennten Biomassen in einem separaten Verfahren extrahiert werden, um sie von den restlichen Kohlenwasserstoffen und stoffeigenen Lipiden zu reinigen, weil die erzeugte Biomasse hinsichtlich ihres Kohlenwasserstoffgehaltes bestimmten Reinheitsbedingungen entsprechen muß.

Die verwendeten Verfahren zur extrativen Reinigung bestehen aus einer fest-flüssig-Extraktion.

Bei der Extraktion solcher Biomassen mußte jedoch festgestellt werden, daß die Konzentration an Extrakt in der Hefe sowie dessen Zusammensetzung in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen bei der Züchtung und Primäraufbereitung der Hefesuspension unterschiedlich und nicht konstant sind.

Die Extraktmengen liegen deshalb zwischen 10 und 40%. Dabei sind die Mengen einer großen Schwankung unterworfen, ebenso variiert die Zusammensetzung der Extrakte. Nach Voigt et. al. Chem.Techn. 31 8 (1979) 409 —11 sind folgende Bereiche festgestellt worden:

Kohlenwasserstoffe 45-55%

Phosphatide 20-30%

Fette 10-20%

freie Fettsäuren 5-10%

Stearine 0,5-0,7%

Dadurch sind beträchtliche technologische und ökonomische Aufwendungen erforderlich, um die Extraktmengen aus den Hefen zu entfernen, denn die unterschiedlich großen und in ihrer Zusammensetzung wechselnden Extraktmengen können zu Problemen bei der Abtrennung und Applikation des Extraktes führen, da sowohl die Intensität der Extraktion sowie die Wechselwirkungen mit dem Extraktionsgut nicht konstant sind.

Weil diese Extrakte ein Kohlenwasserstoff-Lipid-Gemisch sind, das aus dem angebotenen Substrat gebildet wurde, sind sie die Ursache für einen vergrößerten spezifischen Substratverbrauch. Das bedeutet aber einen beträchtlichen Verlust an Einsatzmaterial und belastet somit die spezifischen Verbrauchskennwerte des Verfahrens.

Verfahren zur Minimierung dieser Kohlenwasserstoff-Lipid-Gehalte und Extraktmengen in den Biomassen und die Beeinflussung ihrer Zusammensetzung bereits während der Fermentationsphase sind bis auf wenige Ausnahmen unbekannt.

Damit ist auch kein Verfahren bekannt, den Kohlenwasserstoff-Lipid-Gehalt im Endprodukt des Verfahrens der gereinigten Biomasse — außer durch eine sich anschließende extraktive Reinigung, zu senken.

Da die Aufnahme der Kohlenwasserstoffe aus der wäßrigen Phase erfolgt, wurde in einem bekannten Verfahren versucht, durch eine gezielte Fermentation, bei der die Fermentation und die Kohlenwasserstoffzufuhr örtlich getrennt waren, das Angebot an „nichtutilisierbaren" Kohlenwasserstoffen oder Fremdkohlenwasserstoffen weitgehend zu minimieren (WP 105461).

Dieses Verfahren hat jedoch einen entscheidenden Nachteil. Bedingt durch die relativ geringen Löslichkeiten der Kohlenwasserstoffe in der wäßrigen Phase von nur wenigen Milligramm und der durch die notwendigen Phasentrennung begrenzten Geschwindigkeit und Größe der zu realisierenden Stoffströme können nur sehr geringe Mengen an Hefen wachsen.

Die Zuwachsraten liegen bezogen auf einen Liter bei einigen Milligramm je Stunde.

Damit kann dieses Verfahren die geforderten hohen Produktivitäten eines Produktionsprozesses nicht garantieren.

Ein weiteres Verfahren versucht durch eine zeitweilige wiederholte Reduzierung der Substratzufuhr die Bildung von Reservestoffen zu senken (WP 140150). Voraussetzung dafür ist eine möglichst zu einem großen Teil synchronisierte Mikroorganismenpopulftion.

Das erfordert jedoch Maßnahmen zum Erreichen der Synchronität und eine ständige Veränderung der Substratzufuhr. Beides ist nur möglich bei einem hohen Automatisierungsgrad zur Steuerung solcher Verfahren und deshalb oft nicht realisierbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Minimum an Extrakt bzw. von nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffen in der gezüchteten Hefe und eine hohe Produktivität zu realisieren bei annähernder Konstanz der Extraktzusammensetzung und damit eine Reduzierung des Aufwandes bei der Reinigung der Biomasse zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe ist es, eine solche Prozeßführung abzuleiten, daß ein minimaler Extraktgehalt bzw. Kohlenwasserstoffgehalt durch die Züchtungsbedingungen in der Biomasse vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Fermentation nach dem Zustand der Kultur, d.h. nach der Anzahl knospender Zellen im Kulturmedium geführt wird.

Das beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß die von einer Hefe aufgenommenen Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit vom Wachstumszustand und der angebotenen Kohlenwasserstoffkonzentration zu unterschiedlichen Extraktmengen sowie zu einer unterschiedlichen Extraktzusammensetzung führen, wobei niedrigste Extraktmengen mit annähernd konstanter Zusammensetzung immer dann erreicht werden, wenn die Wachstumsgeschwindigkeit hoch ist, wobei als deren Kennzeichen die Anzahl knospender Zellen angesehen werden kann, die zwischen 18 und 50% liegen sollen. Dabei soll das Substratangebot

keine Überschüsse aufweisen, andererseits jedoch auch kein Mangelzustand existieren. Das ist in der Regel bei einer Paraffinrestkonzentration im ED von mindestens 20%, maximal über 40% der Fall.

Im folgenden soll diese Erfindung näher erläutert werden. Bekanntlich durchläuft eine Hefezelle beim Wachstum mehrere Phasen, die vereinfacht als Einzelzellphase und als Sproßphase bezeichnet werden können.

Dabei wurde festgestellt, daß die Kohlenwasserstoffaufnahme im Einzelzellzustand unterschiedlich groß ist und vom Angebot an Kohlenwasserstoffen sowie der Länge der Phase abhängig ist.

Ein hohes Kohlenwasserstoffangebot über den normalen Bedarf hinaus oder aber eine Verlängerung der Einzelzellphase führt einmal zur Bildung von „Depot-Kohlenwasserstoffen" in der Zelle, die nicht zur Bildung von Zellsubstanz verwendet werden, andererseits ist zusätzlich der verbrauchte Anteil an Kohlenwasserstoffen zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktion ohne Zellsubstanzbildung ebenfalls größer.

Diese Beträge sind am höchsten bei ruhenden Zellen. Bei ihnen kann der gespeicherte Kohlenwasserstoffanteil das 3fache der Zellsubstanz betragen.

Die Länge der Einzelzellphase wird von den Prozeßbedingungen beeinflußt.

Das sind in erster Linie Limitationsart und die Wachstumsgeschwindigkeit. Letztere wird wiederum durch die Durchflußgeschwindigkeit festgelegt, wobei als Maß der Wachstumsgeschwindigkeit einer Population die Anzahl knospender Zellen verwendet werden kann, die im vorliegenden Falle bei einer unsynchron wachsenden Population zwischen 20 und 50% liegen soll.

Wenn jedoch die Substratkonzentration im ED bestimmte Konzentrationen unterschreitet, wird eine Kooxidation und partielle Utilisation anderer Kohlenwasserstoffe (Phenylalkane, Isoalkane, alkylierte Aromaten) ausgelöst. Das ist immer dann der Fall, wenn die Paraffinnutzungsgrade sehr hoch sind.

Diese nur zum Teil verstoffwechselten Kohlenwasserstoffe führen ebenfalls zu einer Erhöhung der Extraktmengen und zu einer Anreicherung arpmatischer Kohlenwasserstoffe im Extrakt.

Die daraus resultierende erfindungsgemäße Prozeßführung verlangt deshalb

— eine Fermentation, bei der keine anderen Kohlenwasserstoffgruppen partiell genutzt werden durch zu hohe Paraffinauszehrungsgrade

— die Vermeidung von Überschüssen des Paraffinangebotes während der Fermentation und

— eine optimale Wachstumsgeschwindigkeit zur Reduzierung der Anzahl von Einzelzellen und der Länge des Einzelzellzustandes.

Diese Prozeßführung ist eine Fermentation bei einer Anzahl knospender Zellen von ca. 18-50%, wobei die Verweilzeit zwischen 3 und 5h zur Einstellung dieses Wertes liegt und einer aktuellen Paraffinrestkonzentration im fermentierten Erdöldestillat, die zwischen 20 und 40% liegt

Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Beispiel 1

Zu einem Rührfermentor mit einem Fassungsvermögen von 250m³ und einer Füllmenge von 100t werden in einem kontinuierlichen einstufigen Verfahren Hefen des Stammes Lodderomyces elongisporus IMET H 128 auf einem Erdöldestillat mit dem Siedebereich 24O⁰C bis 36O⁰C kultiviert.

Die Erdöldestillatmenge beträgt 10,2Ma.-%, der n-Alkangehalt im eingesetzten Erdöldestillat durchschnittlich 16,5Ma.-%.

Die Temperatur ist 33°C, der pH-Wert ist 4,1.

Die Nährsalze werden in zwei Nährsalzlösungen in den Fermentor eingebracht, und zwar in Form einer 15%igen Kaliumchloridlösung und einer sauren Salzlösung, die aus Magnesiumsulfat, Kupfersulfat, Zinksulfat, Mangansulfat, Eisen-Ilchlorid, Phosphorsäure und Wasser besteht.

Zur Intensivierung des Fermentationsprozesses wird dem Prozeßwasser eine Hilfsstoffkombination von der Struktur eines Polypropylenethylenoxidadduktes an einem Alkohol oder Wasser in einer Konzentration von 100 bis 500mg/l zugegeben.

Das Aufrahmwasser sowie die wäßrige Phase aus der Separation werden zurückgeführt, und zwar in einer Höhe, die 80% der gesamten zugeführten wäßrigen Phase beträgt. Wenn die Verweilzeit mit 10 Stunden eingestellt wird, dann kann die Fermentation durch folgende Zustände gekennzeichnet werden:

eine Biomassekonzentration von 13,75g/kg und damit eine Produktivität von 1,38g/kg.

Die aktuelle Paraffinkonzentration im fermentierten ED beträgt 1,7g/kg und somit ~ 10%. Sie liegt damit unter dem Mindestbetrag von 20% Restparaffin. Die Anzahl knospender Zellen wurde mit 15% bezogen auf die Gesamtmenge lebender Zellen ermittelt.

Der Extraktgehalt der Biomasse beträgt 0,3g/g TS (30%), seine Zusammensetzung ist wie folgt:

— Kohlenwasserstoffe 52%

— Fette 18%

— Phosphatide 26%

Nun wird die Zuflußgeschwindigkeit gesteigert unter Beibehaltung der adäquaten Nährsalz- und ED-Zufuhr.

Dabei steigt die Anzahl knospender Zellen mit der Geschwindigkeit.

Durch die erhöhten zugeführten Flüssigkeitsmengen stellt sich eine Verweilzeit von 4 Stunden ein, während die Anzahl knospender Zellen 28% beträgt.

- J — ZJ4.O SO

Gleichzeitig sinkt die aktuelle Biomassekonzentration und die Restparaffinkonzentration steigt auf Werte über 20%. Dieser Zustand ist durch folgende charakteristische Daten gekennzeichnet.:

— Biomassenkonzentration 9,0 g/kg

— Produktivität 2,25 g/kg

— Restparaffinkonzentration 6,93 g/kg ~ 60 %

— Menge extrahierbarer

Kohlenwasserstoffe 20% (0,2 g/g TS)

— Zusammensetzung:

— Kohlenwasserstoffe 42%

— Fette 15%

— Phosphatide 22%

Durch die Erhöhung der Anzahl knospender Zellen konnte die in den Zellen enthaltene Kohlenwasserstoffmenge (gesamte extrahierbare Menge) von 0,3g auf 0,2g je Gramm Biomasse gesenkt werden. Das sind ca. 33%.

Beispiel 2

In einem 2200m³Tauch-Strahlfermentor mit einem Arbeitsvolumen von 1223m³ werden in einem kontinuierlichen Verfahren Hefen der Gattung Lodderomyces elongisporus (IMETH 128) auf einer Erdöldestillatfraktion vom Siedebereich 513 bis 633 K gezüchtet.

Der n-Alkangehalt im Erdöldestillat beträgt 16,5%, die zugeführte Erdöldestillatmenge 13,7Ma.-%.

Alle Nähr- und Spurensalze werden in Form von 2 Nährsalzlösungen in den Fermentationsprozeß eingeführt. In das Prozeßwasser wird zur Intensivierung des Fermentationsprozesses ein Polypropylen-polyethylenmischpolymerisat mit Glykol oder Wässer als Polymerisationsstartkomponente in einer Menge von 500mg/l zugesetzt.

Nachdem der kontinuierliche Prozeß stabil läuft, wird die Anzahl knospender Zellen bestimmt und die Verweilzeit so eingestellt, daß der Wert über 18% liegt, bei einer Verweilzeit von 5 h, bezogen auf das gesamte Volumen von Reaktor und den Steigleitungen stellt sich ein Wert von 29% bei einer ausreichenden Versorgung mit Nährsalzen und Sauerstoff ein.

Die sich einstellenden Zellkonzentration beträgt 16,0g/kg. Das entspricht einer Produktivität von 2,9g/kgh.

Das fermentierte Erdöldestillat enthält 20,4% Paraffin und liegt damit gerade an der Grenze der einstellbaren Bedingungen (Nutzungsgrad 79,6%).

Die Exaktmenge beträgt bei dieser Verfahrensweise 24% bezogen auf Hefetrockensubstanz (0,24g Extrakt/g TS). Die Extraktzusammensetzung ist wie folgt:

Kohlenwasserstoffe 44%

Fette 16%

Phosphatide 24%

Die gereinigte Biomasse enthält nach der Reinigung noch Spuren an Kohlenwasserstoffen, die kleiner als 0,05% bezogen auf trockene Biomasse betragen.

Damit ist sie ein qualitativ hochwertiges Produkt.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Biomassen mit Hefen, die einen geringen Gehalt an extrahierbaren Kohlenwasserstoffen besitzen unter Verwendung von paraffinhaltigen Erdöldestillaten als Substrat bei einer Verweilzeit zwischen 3 und 5 Stunden und einem Restgehalt an Paraffinen im fermentierten Erdöldestillat zwischen 20 und 40% entsprechend einem Paraffinnutzungsgrad von 60-80%, gekennzeichnet dadurch, daß die Züchtung der Zellen bei einem Fermentationszustand durchgeführt wird, der mit einem hohen Anteil knospenbildender Zellen verbunden ist, der zwischen und 50%, bezogen auf die Anzahl vorhandener Hefen, liegt.