DD286372A5 - Verfahren zur zuechtung methanotropher bakterien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuechtung methanotropher Bakterien. Die Erfindung gehoert in das Gebiet der mikrobiologischen Eiweiszgewinnung. Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Prozeszregime fuer das Verfahren der mikrobiologischen Methankonvertierung zu entwickeln, das auszerhalb des explosiven Bereiches von Methan/Luftgemischen arbeitet und gleichzeitig die Vorteile einer optimalen Gaszusammensetzung (optimales Wachstum, minimale spezifische Verbrauchskoeffizienten fuer Methan und Sauerstoff) nutzt und damit Energie und Rohstoffe einspart. Die Aufgabe besteht darin, eine Gaszusammensetzung zu realisieren, die den genannten Forderungen entspricht. Es wurde gefunden, dasz obige Zielstellung realisiert werden kann, wenn Erdgas mit einem Methangehalt von 15-40% (bevorzugt * bei gleichzeitiger Gasrueckfuehrung des Fermentationsgasgemisches verwendet und das gewuenschte Begasungsregime durch geeignete quantitative Verknuepfung prozesztechnischer und physikalischer Kennziffern eingestellt wird.{Zuechtung; Methankonvertierung; Gasrueckfuehrung; Bakterien; Eiweiszgewinnung; Begasungsregime; methanotroph; Verbrauchskoeffizienten}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung gehört In das Gebiet der mikrobiologischen Eiweißgewinnung und kann eingesetzt werden in Anlagen, in denen methanhaltige Gasgemische mit Hilfe methanotropher Bakterien in Gegenwart eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases umgesetzt werden.

Charakteristik de» bekannten Standes der Technik

Die bekannten Verfahren gehen davon aus, daß methanotrophe Bakterien in einem Nährstoffe enthaltenden Fermentationsmedium in Gegenwart eines methan- und sauerstoffhaltigen Gases kultiviert werden, wobei Temperatur und pH-Wert des Fermentationsmediums in den für die jeweilige Kultur optimalen Bereichen gehalten werden. Schwerpunkt vieler Patente (z.B. GB-PS 1166964, DE-OS 2460672) ist der Schutz zahlreicher methanotropher Stämme und weniger die Erarbeitung optimaler, für großtechnische Verhältnisse geeigneter Prozeßführungs- und Auslegungsvarianten. Ökonomische Überlegungen für eine großtechnische Anwenduno sind in der DE-OS 2417848 enthalten. Dieses Verfahren arbeitet aber im explosiven Bereich des Gasgemisches und sollte aus sicherheitstechnischen Gründen vermieden werden.

So erklärt es sich, daß für wichtige Fermentationsparameter oft sehr weito, nicht optimale Bereiche beansprucht werden, z. B. in GB-PS 1150401 ein Druck bis 40at, in GB-PS 1320722 ein Druck bis 1500psig.

Die Zusammensetzung des Begasungsgemisches schwankt ebenfalls in weiten Bereichen, z. B. in DE-OS 2610478 ist das Verhältnis Methan zu Luft 2:1 bis 1:6, in GB-PS 1320722 beträgt der Methangehalt 1-97%, der Oj-Gehalt 3-74%; oder in DE-OS 2241258 Methan 10-50%, O₂10-19%.

Als C-Quelle werden reines Methan oder Erdgas beansprucht, wobei man davon ausgehen kann, daß ein hoher Methangehalt des Erdgases als Vorteil angesehen wird und deshalb neben reinem Methan auch Erdgas zum Einsatz kommt. Die GB-PS 115C401 geht davon aus, daß Methan die dominierende Komponente im Erdgas ist; in GB-PS 1320722 werden zwar als C-Quelle rdines Methan oder Erdgas verschiedener Zusammensetzung genannt, doch betrifft die .verschiedene Zusammensetzung" unterschiedliche geringe Gehalte homologer Kohlenwasserstoffe, Methan ist auch hier die dominierende Komponente. In der DE-OS 2417848 geht aus den beanspruchten Mengenangaben für Methan bzw. Erdgas und Luft hervor, daß der Prozentgehalt des Methans im Erdgas nahe 100% angenommen wird.

Die meisten vorgeschlagenen Verfahren arbeiten außerhalb des explosiven Bereiches des Gasgemisches, wobei eine entsprechende Gaszusammensetzung oft erst durch Zusatz von Inertgasen, z. B. in GB-PS 1150401: N₂ oder CO₂, in GB-PS 1320722: N₂ erreicht wird.

Die Bedeutung der Gaszusammensetzung für den Stoffübergang und dessen Einfluß auf die Geschwindigkeit des Fermentationsprozesses wird oft genannt, aber nicht quantitativ erfaßt.

So werden in der GB-PS 1175813 der Stoffübergang von CH₄ und O₂ als geschwindigkeitsbestimmender Schritt und die Bedeutung des Verhältnisses von CH₄ zu O₂ erkannt, die Existenz und quantitative Berechnung eines optimalen Gasverhältnisses aus den notwendigen Einflußgrößen bleiben aber unbekannt.

Widersprüchliche Angaben finden sich in der GB-PS 1150401, in der GB-PS 1166964 und in der DE-OS 2604993, in denen gleichzeitig auf die Bedeutung des Gasverhältnisses, die Vermeidung von explosiven Gasgemischen und die Verwendung von Oj-angereicherter Luft hingewiesen wird.

Am deutlichsten wird von einer optimalen Begasung in der DE-AS 2601254 gesprochen (eine quantitative Definition wird nicht gegeben), dort liegt der Schwerpunkt aber auf der Regelung eines bestimmten Verhältnisses von CH₄ zu O₂.

Die Nichteinhaltung eines optimalen Gasverhältnisses, das von den spezifischen Verbrauchskoeffizienten, von den Stoffüberganyskoeflizienten, von den Löslichkeitei von Methan und Sauerstoff sowie von den kinetischen Konstanten in den V-'achstumsmodellen abhängt, hat die Folge, cJaß die spezifischen Verbrauchswerte ober- und unterhalb vom optimalen Gasverhältnis stark ansteigen (WENDLANOT, Dissertation, Leipzig 1979; PRAUSE, Dissertation B, Leipzig, 1982).

Aus ökonomischen Gründen wird oft eine Rückführung des Fermentationsgasgemisches vorgeschlagen, z.B. GB-PS 1150401, GB-PS 1175313, GB-PS 1166964, DE-OS 2604993, DE-OS 2460672 und DE-OS 2308087. doch sind auch diese Angaben oft widersprüchlic i, weil sie gleichzeitig maximales Wachstum und maximale Gasnuüung beanspruchen, was aber wegen der partialdruckser kenden Wirkung einer Rückführung und wegen des Einflusses des Partialdruckes auf den Stoffübergang nicht möglich ist.

Insgesamt haben die bekannten Verfahren den Nachteil, daß nie bei einem optimalen Gasverhältnis gefahren wird, daß dadurch die spezifischen Verbrauchswerte steigen, unnötig hoher Eneroieeintrag für den Stoffübergang erforderlich ist, kein optimales Wachstum stattfinden kann und oft Kosten für Inertgas, das zur Vermeidung explosiver Gasgemische zugegeben wird, entstehen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren zur Züchtung mtithanotropher Bakterien zu entwickeln, das außerhalb des explosiven Bereiches von Methan/Luftgemischen arbeitet, d Vorteile einer optimalen Gaszusammensetzung, wie optimales Wachstum, minimale spezifische Verbrauchskoeffizienten für Methan und Sauerstoff, nutzt und damit Energie und Rohstoffe einspart. Außerdem sollen Kosten für zusätzliches Inertgas vermieden werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gaszusammenseüung zu gewährleisten, die außerhalb des explosiven Bereiches liegt und trotzdem das für den Stoffübergang und für das Wachstum optimale Verhältnis von Methan zu Sauerstoff aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als C-Quelle Erdgas mit niedrigem Methangehalt von 15-40%, bevorzugt 25-35%, als Sauerstoffquelle Luft eingesetzt und gleichzeitig eine Rückführung des Fermentationsgasgemisches vorgesehen wird, wobei man prozeßtechnische und physikalische Kennziffern, wie spezifische Verbrauchskoeffizienten, Gaclöslichkeiten, Stoffübergangskoeffizienten, Druck, Gasrückführgrad, quantitativ so darstellt, daß man das optimale Begasungsverhältnis Im nichtexplosiven Bereich ableiten kann.

Durch den hohen Inertgasanteil des Erdgases und der Luft ist eine zusätzliche Einspeisung von Inertgas zur Vermeidung explosiver Gasgemische nicht erforderlich.

In der Abbildung wird das Wesen der Erfindung näher erläutert. Oberhalb der Kurve 5 liegt der explosive Bereich von Methan/ Luftgemischen. Wie man sieht, liegen die meisten optimalen Gasmischungen (charakterisiert durch die Gerade 4) im explosiven Bereich. Die Geraden 1,2 und 3 stellen verschiedene Frischgasmischungen dar: Gerade 2 eine Mischung aus reinem Methan und Luft, Gerade 1 eine Mischung aus reinem Methan und O₂-angereichnrter Luft und Gerade 3 eine Mischung aus Luft und methanarmem Erdgas. Von den drei dargestellten Fällen wird Gerade 3 am wenigsten vom explosiven Bereich berührt.

Wird methanarmes Erdgas bei teilweiser Rückführung mit Luft gemischt, folgt die Zusammensetzung des Gasgemisches der Kurve 6, und man kann eine Mischung (Punkt 7) einstellen, die sowohl optimal ist als auch außerhalb des explosiven Bereiches liegt.

Durch die nachfolgenden Beispiele wird die Erfindung noch näher erläutert.

Ausfuhrungsbelsplele Beispiel 1

Ein Tauchstrahlfermentor mit einem Arbeitsvolumon von 20Om³ (300m¹ Gesamtvolumen) wird kontinuierlich bei einer Temperatur von 38⁰C, einem pH-Wert von 5,7 (mit MHj-Wasser geregelt) und einer Verweilzeit von 6h betrieben. Das Impfmaterial der methanotrophen Kultur ZIMET B5Ü2 wurde vorher im kontinuierlichen Prozeß in einem 32m³ Fermentor gezüchtet. Das Nährmedium, von dem 14,45m³/h zugegeben werden, hat folgende Zusammensetzung:

H₃PO₄ (80%ig) 2,8 l/m³

KHjPO₄ 3,5kg/m^J

MgSO₄ χ 7H,0 2,5 kg/m³

CuSO₄ X 5H₂O 0,785 kg/m³

MnSO₄ χ 4H₂O 1,825kg/m³

FeCI₂ x 4H₂O 1,200 kg/m³

ZnCI₂ 0,322 kg/m³

CoSO₄ x 7H₂O 0,038kg/m³

NiSO₄ x 7H₂O 0,109kg/m³

AI₂(SO₄I₁ χ 18H₂O 0,186kg/m'

Ca(NOj)₂ χ 4H,0 0,883 kg/m³

Na₂MoO₄ χ 2H₂O 0,041 kg/m³

HjBO, 1,286 kg/m³

CrCIj χ 6H₂O 0,077kg/m³

Bei einem Druck von 1 MPa werden 12930 NmVh Erdgas (25% Methan) und 22 280 NmVh Luft zugeführt ifs wird ein Rückführgrad des Fermontationsgasgemisches von 0,75 eingestellt, und Frischgas und rückgeführtes Gas werden vor dem Gaseintritt gemischt.

Bei einer Produktivität von 5,43kg/m³ h hat das Fermentorabgas folgende Zusammensetzung:

4,23% Methan, 6,24% O₂,3,13% CO₂ und 86,4 %N_?.

Am Gaseintritt betragen die Konzentrationen 5,57% Methan und 8,15% Sauerstoff, wodurch das Gasgemisch an jeder Stelle des Fermentors außerhalb des explosiven Bereiches liegt.

Beispiel 2

Ein ROhrfermentor von 200 m³ Arbeitsvolumen wird unter den gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck, pH-Wert, Verweilzeit) wie in Beispiel 1 betrieben. Von der Nährlösung (s. Bespiel 1) werden 19,2 mVh dosiert.

Frischgase und rückgeführtes Gas werden getrennt in den Fermentor geführt. Es werden 14025 NmVh Erdgas (35% Methan) und 34335 NmVh Luft eingeleitet. Der Gasrückführgrad beträgt 0,7.

Bei einer Produktivität von 7,22kg/m³ hat das Fermentorabgas folgende Zusammensetzung, die außerhalb des explosiven Bereiches liegt: 5,5% Methan, 8,3% O₂,3,0% CO₂,83,2% N₂.

Claims (3)

1. Verfahren zur Züchtung methanotropher Bakterien, gekennzeichnet dadurch, daß ein optimales Begasungsgemisch außerhalb des explosiven Bereiches dadurch eingestellt wird, indem als C-Quelle methanarmes, inertgasreiches Erdgas bei gleichzeitiger Gasrückführung verwendet und das gewünschte Begasungsregime durch geeignete quantitative Verknüpfung prozeßtechnischer und physikalischer Kennziffern, wie spezifische Verbrauchskoeffizienten, Gaslöslichkeiten, Stoffübergangskoeffizienten, Druck, Gasrückführgrad, so dargestellt wird, daß man das optimale Begasungsverhältnis im nichtexplosiven Bereich ableiten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Methangehalt des Erdgases in den Grenzen 15 bis 40%, bevorzugt 25-35% liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Fermentation unter Normaldruck oder unter erhöhtem Systemdruck (bis 1 MPa) erfolgt.