DD269164A1 - Verfahren zur gewinnung von biomasse mit verbesserter extrahierbarkeit - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit verbesserter Extrahierbarkeit durch Zuechtung von Mikroorganismen, insbesondere Hefen, auf fluessigen n-alkanhaltigen Kohlenwasserstoffgemischen. Die Erfindung kann in der Biotechnologie, vorwiegend in der Futterhefeindustrie, angewendet werden. Erfindungsgemaess wird die Zuechtung der Mikroorganismen zur Gewinnung einer in ihrer Extrahierbarkeit verbesserten Biomasse so durchgefuehrt, in dem die Menge der organischen Inhaltsstoffe in abgetrennten Prozesswaessern der Aufarbeitungsstufen bei der Rueckfuehrung in den Fermentationsprozess geregelt wird. Als Kenngroesse fuer die Extrahierbarkeit ist dabei der chemische Sauerstoffverbrauch (CSV-Wert) des Prozesswassers geeignet. Mit dessen Hilfe ist eine gezielte Prozessfuehrung des Gesamtwasseranteils des Fermentationsprozesses zur Sicherung hoher Qualitaetsanforderungen an das extraktiv gereinigte Biomasseendprodukt moeglich.

Description

Ar¹·.; -..iungsgebietder Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Povvinnung von Biomasse, die durch Züchtung von Mikroorganismen auf n-alkanhaltigen Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere Erdöldestillaten und -raffinaten im unsterilen Prozoß und durch Aufarbeitungs· sowie Reinigungsprozesse gewonnen wird. Die Erfindung kann in der mikrobiologischen Industrie angewendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren zur Gewinnung von Biomasse, die durch Konvertierung von n-alkr>;;haltigen Kohlenwasserstoffen und durch Aufkonzentrierung der erhaltenen Biomassesuspension gewonnen werden, sind bekannt (WP 105825) Dabei zeichnen sich diese Verfahren gegenüber Verfahren aus, die bei Einsatz konventioneller Substrate arbeiten, wie zum Beispiel Kohlenhydrate, Melasse, Sulfitablauge, daß restlich verbliebene Kohlenwasserstoffe und auch arteigene tiogene Zeilinhaltsstoffe aus organoleptischen, physiologischen und toxikologischen Gründen vor ihrer Verwendung als Futter, littelkomponenten in der Tierproduktion aus der Biorrasse entfernt werden müssen (WP 139650, WP 139651, WP 142439, WP 153494, WP 219039). Bei einem Einsatz von reinen n-Alkangemischen als Substratgrundlage wenden industrielle Verfahren hierfür Methoden an, indem der Züchtungsprozeß der Mikroorganismen so geführt wird, daß die eingesetzten n-Alkangemische fast vollkommen utilisiert werden bzw. durch Waschprozesse bei der Primäraufarbeitung der Biomassesuspension bis auf Spuren entfernt werden. Bei einem Einsatz von n-alkanhaitigen Erdöldestillaten bzw. -raffinaten verbleiben jedoch Anteile von nic'itutilisierbaren Kohlenwasserstoffen auf und in der Biomasse und müssen durch einen nachfolgenden Reinigungsprozeß weite jhendst entfernt werden. Diesem Proze" liegen Verfahren zur FesWflüssig-Extraktion mit organischen Lösungsmitteln bzw. -cemischen zugrunde (WP 139650, WP 139651).

Diese Verfahren stellen sehr hohe Anforderungen an die anzuwendende Technologie und verursachen einen großen volkswirtschaftlichen Aufwand. Außerdem ist es unabdingbar, daß das zur Extraktion eingesetzte Trockenprodukt zur Gewährleistung einer optimalen Diffusion der Extraktionsmittel an das Korn bestimmte Anforderungen hinsichtlich seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften gestellt werden müssen, zum Beispiel an die Größe, den Wassergehalt und die stoffliche Zusammensetzung im Verhältnis Rohprotein-, Lipid- und des Kohlenhydratgehaltes.

Es ist weiterhin bekannt, daß mikrobielle Stoffwandlungsprozesse auf hohe Produktivitäten im Fermentationsprozeß orientieren. Voraussetzungen hierfür stellen die Verwendung eines Hochleistungsproduktionsstammes, ein Hochleistungsfermentor und die Anwendung optimaler Milicubedingungen im Züchtungsprozeß dar. Die letzteren bewirken die Stabilität der Fermentorbiozönose im unsterilen Prozeß und damit die erzielung hoher Wachstumsraten bei gleichzeitig niedrigen stoffspezifischen Verbrauchskennziffern.

Bei den Verfahren zur mikrowellen Großproduktion von Futtereiweiß ist bekannt, daß der Rückführung von abgetrennten Prozeßwässern bei der Biomasseaufkonzentrierung als Intensivierungsmaßnahmeeine große Bedeutung zukommt. So wird das mit Roh-, Hilfsstoffen und Stoffwechselprodukten angereicherte Prozeßwasser aus einer dem Fermentationsprozeß nachgeschalteten Aufrahmungsstufe bei Anwendung von Erdöldestillaten bzw. -raffinaten als Substratgrundlage ebenso in den Fermentationsprozeß zurückgeführt wie auch das Separatorenfiltrat aus der Suspensionsaufkonzentrierung, das zusätzlich noch Thermolyseprodukte enthält (WP 160231, FROMMHOLZ, G., SCHNEIDER, J. und ANNEMÜLLER, W., Chem. Techn. 30,4 (1978), S. 180-185; ASH, S. G. und TOPIWALA, H. H., 5. Internationales Fermentationssymposium Berlin 1976, Session 3, Abstracts 3.16).

Ebenso ist es gebräuchli^rK daß Prozeßwässer aus dem Gesamtprozeß angeschlossenen Raffinationsstufen der Erdöldestillatbzw. Raffinatregenerierung in den Züchtungsprozeß zusätzlich zurückgeführt werden. Alle diese Maßnahmen zur Erhöhung der Kreislaufführung im Prozeß streben vor allem ökonomische Vorteile bezüglich der Reduzierung des Frischwasserbedarfes, der rationellen Verwendung der Kohlenstoffquellen sowie der anorganischen Nähr-, Spuren- und Hilfsstoffe, Senkung der Verluste bei der Biomassekonzentrierung und Verringerung der abwasserseitigen Umweltbelastung an. In der Praxis hat sich dabei gezeigt, daß parallel zu der Erhöhung des Rückführgrades an Prozeßwässern in den Fermentationsprozeß ein Anreicherungseffekt an den im Prozeßwasser mitgeführten Inhaltsstoffen bis zu einer stationären Granze auftritt. Dieser stationäre Zustand ist in Abhängigkeit, speziell ötr angewandten Verweilzeit, verschieden lang und 'jedarf in der Regel einer längeren Applikationsphase des biologischen Systems.

Es ist außerdem bekannt, daf. .Ίη unsterilen Prozeß bei nicht optimalen Fermentationsbedingungen und den Bedingungen einer hohen Rückführrate von Prozeßwässern es zu mikrobiologischen Prozoßstörungen, z. B. dem Auftreten erhöhter Begleithefeanteile, eines zusätzlichen Anteils an Bakterien, zu abnehmender Produktivität des Prozesses, zur Neigung des Mehrphasengemisches zur Emulsionsbildung bzw. zur Veränderung der Biomassezuscmmensetzung kommen kann (WP 155700, WP 218777, WP 241086).

Hohe Risiken für dia Prozeß eherrschung und zusätzliche technologische und damit volkswirtschaftliche Aufwendungen sind die Folge, um die geforderten Leistungskennziffern des Prozesses und die erforderlichen hohen Qualitätsmerkmale der Biomasse zu erfüllen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, in Verfahren zur mikrobiellen Eiweißsynthese auf der B«is flüssiger n-alkanhaltiger Kohlenwasserstoffgemische bei Rückführung von Prozeßwasserphasen die Aufwendungen für den Extraktionsprozeß der getrockneten Biomasse zu reduzieren und bei Abweichungen von vorgegebenen Prozeßparametern die Risiken für die Beherrschung des Extraktionsprozesses zu minimieren.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits durch eine gezielte Einflußnahme auf die Prozeßführung im Züchtungs- und Aufarbeitungsprozeß Bedingungen für ein gutes Extraktionsverhalten der gewonnenen Biomasse zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem als Kenngröße für die Kontrolle der Extrahierbarkeit des Biomasseendproduktes der chemische Sauerstoffbedarf der nach dem Kultivierungsprozeß anfallenden Prozeßwässer /erwendetwird.

Es wurde gefunden, daß der CSV-Wert der genannten Prozeßwässer eine direkte Korrelation zur Extrahiorbarkeit der Biomasse aufweist. Hohe CSV-Worte signalisieren eine im Prozeßablauf normalerv/eise erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt feststellbare schlechte Extrahierbarkeit, d. h. hohe Gehalte anRestkohlenwasserstoffen und Rohfetten der extrahierten Biomasse.

Es hat sich gezeigt, daß der CSV-Wert des Aufrahmwassers nicht höher als 8000mg O₂/l, der des Separationswassers nich' höher als 23000mg O₂/l betragen darf, wenn die sprühgetrocknete Biomasse mittels eines Extraktionsmittelgemisches, bes'ehend aus Hexan/Ethanol/Wasser im Verhältnis 80/19/1 im kontinuierlichen Drehscheibenextraktionsprozeß extrahiert wird und danach einen Restgehalt an Kohlenwasserstoffen von <0,5Ma.-% und einen Rohfettgehalt von <5Ma.-% aufweisen soll. Vorzugsweise sollten die Obergrenzen für den CSV-Wert des Aufrahmwassers 6500mg O₂/l, für das Separationswasser 21000mg O₂/I betragen.

Die Heranziehung des CSV-Wertes der genannten Prozeßwasserphasen stellt somit eine Vorinformation fir die zu erwartende Endproduktqualität dar und gestattet es, bereits im Fermentations- und Aufarbeitungsprozeß Maßnahmen durchzuführen, die eine Senkung der CSV-Werte zur Folge haben.

Unter den möglichen Maßnahmen sind demzufolge alle solche zu verstehen, die direkten oder indirekten Einfluß auf Art und Konzentration organischer Prozeßwasserinhaltsstoffe besitzen. Dies können sowohl organische Stoffwechsel- wie auch Thermolyseprodukte darstellen. Es handelt sich dabei insbesondere um Polysaccharide, organische N-Verbindungen und Fettsäuren, die sich bei einer wiederholten Rückführung der Prozeßwasserstrcme in den Fermentationsschritt auf dem Biomasseendprodukt anreichern können. Dabei haben sich vor allem die Polysaccharidverbindungen als sehr nachteilig für eine sich anschließende Extraktion herausgestellt.

Überschreitungen der CSV-Werte können insbesondere durch Abweichungen von den vorgegebenen Parametern des mikrobiellen Wachstumsprozesses sowie des Zeit- und Temperaturregimes der Aufarbeitungsschritte auftreten. Über die CSV-Kontrolle kann ein Rückschluß auf nichtvorgabegerechte Prozeßparameter erfolgen und die Abweichung lokalisiert sowie korrigiert werden.

Um jedoch unmittelbar die angestrebten Extrahierbarkeitseigenschaften des Biomasseendproduktes zu sichern, ist das Verhältnis Prozeßwasserrückführung-Frischwasserdosierung in den Kultivierungsprozeß so zu verändern, daß die angegebenen Obergrenzen der CSV-Werte erreicht werden. Durch diese einfach durchführbare Maßnahme wird die Stabilität des Gesamtprozesses hinsichtlich der Erzielung einer hohen Biomasseausbeute im Prozeß sowie die Sicherung hoher Qualitätsansprüche an das Endprodukt Futterhefe hinsichtlich des Restkohlenwasserstoff- und Rohfettgehaltes erreicht.

Zusätzlich technologische und damit volkswirtschaftliche Belastungen durch Maßnahmen zur extraktiven Reinigung der Biomasse entfallen, und zusätzliche Verluste an Endprodukt worden vermieden. Gleichzeitig wird für die Handhabung des Gesamtprozesses die abwasserseitige Belastung bei einer erfindungsgemäßen Betriebsführung geringer. Die Erfindung soll an nachfolgenden Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Beispiel 1

In einem 2200m³ Tauchstrahlfermentor mit einem Arbeitsvolumen von 1 225m³ werden in einem kontinuierlichen Verfahren Hefen der Gattung Candida maltosa auf einer Erdöldestillatfraktion vom Siedebereich 513 bis 633 K gezüchtet. Der n-Alkangehalt im Erdöldestillat beträgt 14,1 %, die eingesetzte Erdöldestillatmenge 15,2 Ma.-%. Die Verweilzeit im Reaktor beträgt 4,2 hund der pH-Wert des Fermentatir\-.smediums liegt bei 4,1. Die Fermentationstemperatur ist 305K.

Die Nähr- und Spurensalze werden in Form von zwei Nährsalzlösungen in den Fermentationsprozeß eingeführt und zwar eine etwa 15%ige Kaliumchloridlösung und eine Nährsalzlösung, bestehend aus l ^Λη Salzen Mangancarbonat, Magnesiumsulfat, Kupfersulfat, Zinksulfat, Eisen-lll-chlorid, Schwefelsäure und Wasser.

Zur Intensivierung des Fermentationsprozesses wird in das Prc;eßwass3r ein Poly, ropylen-polyethylenmischpolymerisat in einer Menge bis zu 200mg/l zugesetzt.

Die zugeführte Trinkwassermenge beträgt 45m³/h.

Der Leistungseintrag in den Fermentor wird unter den vorstehenden Arboitsparametern so eingestellt, daß eine Produktivität des Fermentationsprozesses von 3,0g/kg · h erreicht wird und ein Fermentormassendurchsatz von 250t/h.

Die Aufkonzentrierung des Fermentorablaufes erfolgt durch eina Aufrahmung des Vierphasengemisches Erdöldestillat/ Biomasse/Prozeßwasser/Luft, wobei der Abscheidegrad 0,75 und der Rückführgrad an Aufrahmwasser 0,50 beträgt.

Im Aufrahmwasser wurden folgerte Inhaltsstoffe bestimmt:

Organischer Stickstoff (mg/l): 65

Summe wasserdampfflüchtiger

Fettsäuren (mg/l): 130

Kohlehydrate (mg/l): 420

Chemischer Sauerstoffverbrauch

(K₂Cr₂O₇) (mgO₂/l): 6500

Die Biomassesuspension wird mit dem obengenannten Tensid versetzt und zweistufig bei einer Temperatur von 353-358 K vom größten Teil des teüentparaffinieiten ErdöldesiiMates und von weiterem Prozeßwasser bis zu einer Hefetrockensubstanzkonzentra.ion von 22% aufkonzentriert. Bei der Heißbehandlung treten TherrrHyseerscheinungen des Eiweißes auf, wobei Zellinhaltsstoffe aus der Zelle in die öligen und wäßrigen Medien treten. Die Polysaccharide werden nahezu vollständig an das wäßrige Medium abgegeben. 45m³ Separationssrozeßwasser wird abgetrennt, wobei etwa 30m³ wieder in den Fermentationsprozeß zurückgeführt werden. Das Separationswasser weist folgende Kennwerte auf:

Organischer Stickstoff (mg/l):	500
Anorganische. Stickstoff (mg/l):	170
Summe wasserdampfflüchtiger
Fettsäure (mg/l):	385
Kohlehydrate (mg/l):	1050
Phosphor(mg/I):	142
Kalium (mg/l):	1010
/;Ü-Wert:	6,0
Chemischer Sau^rstoffverbrauch
(K2Cr2O7) (mgO2/l):	21000

Das abgetrennte Er^ ,destillat wird in einem mehrstufigen Raffinationsprozeß wieder für seinen Einsatz als Mineralölkompoiiente aufbereitet. Dabei fallen fettsaure Ammoniakwaschwässer und organisch beladene Phosphorsäure an, die in den Fermentationsprozeß in einer Größenordnung von 20 bzw. 10m³/h zurückgeführt werden. Die Biomassesuspensic η wird in einem Sprühtrockner getrocknet. Das erhaltene Trockenprodukt mit einem mittleren Korndurchmesser von 180 Mikrometer und einem Wassf ahalt von 7 bis 10Ma.-% wird in einem kontinuierlichen Drehscheibenextraktionsprozeß mit Hilfe eines Extrakt» ',mittelgemisches aus einem Hexanschritt/Ethanol/Wasser der Zusammensetzung 80/19/1 extrahiert, wobei restlich ν iliebene Kohlenwasserstoffe und Lipide entfernt werden. Der lösungsmittelfeuchte Feststoff wird in einem Horizonte Λ/irbelsohichttrockner zweistufig getrocknet. Die ermittelte Zusammensetzung des erfinrlungsgemi'> gewonnenen Endproduktes, lautet:

Kohlenwasserstoffgehalt (Ma.-%): 0,25

Rohfettgehalt (Ma.-%): 3,80

Rohproteingehalt (Ma.-%): 67,1

Beispiel 2

Im Vergleich zu Beispiel 1 wird ein weiterer Produktionsversuch unter den beschriebenen Arbeitsbedingungen durchgeführt.

Demgegenüber wird anstelle eines Erdöldestillates ein im Mitteldruckverfahren hydroraffiniertes Erdöldestillat im analogen Siedebereich eingesetzt.

Das erzeugte Endprodukt weist folgende charakteristischen Kennwerte auf:

Kohlenwasserstoffgehalt (Ma.-%): 0,23

Rohfettgehalt (Ma.-%): 4,0

Rohproteingehalt (Ma.-%): 66,7

Beispiel 3

Nach Beispiel 1 wurde ein Endprodukt gewonnen, wobei jedoch der Grad der Rückführung des in der Separation abgetrennten Prozeßwassers gegenüber dem in dsn Fermentationsprozeli eingebrachten Trinkwasseranteil erhöht wurde. So wurden 50m³/h Separationswasser in den Fermentiitionsprozeß eingebracht und dieTfinkwassermenge auf 20m³/h reduziert.

Im Prozeßwasser nach der Aufrahm itufe wird ein Anstieg der organischen Inhaltsstotfe wie folgt festgestellt:

OrganischerStickstofffmo/l): 190

Summe waoäerdampfflüc.itiiier

Fettsäuren (mg/l): 345

Kohlehyd'atG "(mg/1): 890

Chemischer Sauerstoffverbrauch

(K₂Cr₂O₇) (mgO₂/l): 9900

Das im kontinuierlichen Prozoß abgetrennte Separationswasser hat hiernai h einen chemischen Sauerstoffverbrauch von 29950mg O₂/l.

Das Biomasseendproduki hat folgende Zusammensetzung:

Kohlenwasserstoffgohalt (Ma.-%): 0,85

Rohfettyehalt(Ma.-%): 5,1

Rohproteingehalt'Ma.-%): 65,3

Beispiel 4

Entsprechend Beispiel 3 wurde gleichzeitig die Rückführung von Prozeßwässern aus den Raffinationsstufen der Regenerierung des Erdöldestillates in den Fermentationsprozeß mit 26m³/h Ammoniakwaschwasser und 12m³/h organisch beladene Phosphorsäure erhöht.

Der chemische Sauerstoffverbrauch im Aufrahmwasser stellt sich mit 9800, im Separationswasser mit 30800mg O₂/l ein. Die erzeugte Biomasse besitzt folgende Kennzahlen:

Kohlf-nwas -stoffgehalt(Ma.-%): 0,91

Roh'- .gel· !(Ma.-%): 4,9

Rohproteingehalt(Ma.-%: 64,9

Gleichzeitig ist im Prozeß in den Mehrphasensystemen der Fermentation, Aufrahmun.j und Separation eine Erhöhung der Emulgierbarkeit der Stoffe visuell feststellbar, die speziell für Trennprozesse technologische Nachteile bei der Beiriebsführung bewirken können.

Claims (3)

1. Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit verbesserter Extrahierbarkeit durch Züchtung von Mikroorganismen, insbesondere Hefen, auf flüssigen Kohlenwasserstoffgemischen als Substrat, insbesondere n-alkanhaltigen Erdöldestillaten bzw. -Raffinaten, Aufkonzentrierung der Biomassesuspension und extraktive Reinigung des Trockenproduktes, gekennzeichnet dadurch, daß als Kenngröße für die Kontrolle der Extrahierbarkeit des Biomassenproduktes der chemische Sauerstoffverbrauch (CSV-Wert) der nach dem Kultivierungsprozeß anfallenden Aufrahmungsund Seperationsprozeßwässer ν ^rwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, grKennzeichnet durch die Obergrenzen des CSV-Wertes für die Aufrahmwasserphase von 8000 (mg O₂/l), vorzugsweise von 6500 (mg O₂/l) und für die Seperationsprozeßwasserphase von 23000 (mg O₂/l), vorzugsweise von 21000 (mg O₂/l).

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Obergrenzen der CSV-Werte durch Änderung der Volumenverhältnisse der in den Fermentor zurückgeführten Prozeßwasserphasen zum dosierten Frischwasser eingestellt und nicht überschritten werden.