DE102006058465A1 - Process for the biotechnological production of ethanol - Google Patents

Process for the biotechnological production of ethanol Download PDF

Info

Publication number
DE102006058465A1
DE102006058465A1 DE102006058465A DE102006058465A DE102006058465A1 DE 102006058465 A1 DE102006058465 A1 DE 102006058465A1 DE 102006058465 A DE102006058465 A DE 102006058465A DE 102006058465 A DE102006058465 A DE 102006058465A DE 102006058465 A1 DE102006058465 A1 DE 102006058465A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ethanol
phase
biomass
fermenter
product
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102006058465A
Other languages
German (de)
Inventor
Reinhard Dr. Pätz
Jan-Hendryk Listewnik
Christian Görsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HOCHSCHULE ANHALT FH
ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH
Original Assignee
HOCHSCHULE ANHALT FH
ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HOCHSCHULE ANHALT FH, ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH filed Critical HOCHSCHULE ANHALT FH
Priority to DE102006058465A priority Critical patent/DE102006058465A1/en
Priority to PCT/DE2007/002034 priority patent/WO2008071139A1/en
Publication of DE102006058465A1 publication Critical patent/DE102006058465A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06Ethanol, i.e. non-beverage
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/12Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing fuels or solvents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C12M29/08Air lift
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/24Recirculation of gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/22Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes in contact with the bioreactor walls
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation mit folgenden nacheinander ablaufenden Phasen in einem Zyklus: a) Absetzphase (26) der Biomasse (30), b) Austragphase (27) unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase (28) durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase (29) ohne Zufluss.The invention relates to a process for the biotechnological production of ethanol by a cyclic sequencing batch fermentation with the following successive phases in a cycle: a) settling phase (26) of the biomass (30), b) discharge phase (27) with volume reduction in the fermenter, c) filling phase (28) by substrate supply to the original volume and d) product formation phase (29) without inflow.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation.The The invention relates to a method for biotechnological production of ethanol through a cyclic sequencing batch fermentation.

Bei der fermentativen Alkoholsynthese wird mit Hilfe eines Mikroorganismus aus Kohlenhydraten, die als Substrat dienen, Alkohol (Ethanol) auf biotechnologischem Wege erzeugt. Geeignete Mikroorganismen sind beispielsweise die Hefekulturen Saccharomyces cerevisiae, Pichia capsulata, Pichia angusta oder das Bakterium Zymomonas mobilis. In der DE 31 48 329 C2 wird z. B. ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus vergärbaren Substraten unter Benutzung des Zymomonas mobilis – Bakterienstamms ATCC 31 822 beschrieben. Im Allgemeinen wird die Alkoholsynthese anaerob in diskontinuierlicher Betriebsweise durchgeführt. Dabei wird eine Endkonzentration an Ethanol von ca. 10 bis 12 Vol.-% erreicht. Die erreichbare Produktivität wird sowohl durch die Dauer der Fermentation als auch durch den Zeitbedarf für vor- und nachfolgende Prozesse bestimmt. In den nachfolgenden nichtbiologischen Verfahrensstufen erfolgt in der Regel durch thermische Verfahren oder hydrophile Polymermembranen eine Aufkonzentration bis zum reinen Alkohol.In fermentative alcohol synthesis, alcohol (ethanol) is biotechnologically produced by means of a carbohydrate microorganism serving as a substrate. Suitable microorganisms are, for example, the yeast cultures Saccharomyces cerevisiae, Pichia capsulata, Pichia angusta or the bacterium Zymomonas mobilis. In the DE 31 48 329 C2 is z. For example, a method for producing ethanol from fermentable substrates using Zymomonas mobilis bacterial strain ATCC 31,822 is described. In general, the alcohol synthesis is carried out anaerobically in batch mode. In this case, a final concentration of ethanol of about 10 to 12 vol .-% is achieved. The achievable productivity is determined both by the duration of the fermentation and by the time required for preceding and following processes. In the subsequent non-biological process stages is usually by thermal processes or hydrophilic polymer membranes concentration to pure alcohol.

Die überwiegende Zahl der Ethanolerzeugungsanlagen arbeitet diskontinuierlich im so genannten Batch-Betrieb. Bei der diskontinuierlichen Ethanolfermentation werden hohe Ethanolkonzentrationen bei einer gleichzeitig geringen Produktivität erreicht. Ein Problem bei fermentativen Alkoholsynthesen besteht darin, dass sich das Produkt Ethanol während seines Entstehungsprozesses, sowohl auf das Wachstum der Ethanol bildenden Mikroorganismen als auch auf die Produktbildung selbst, inhibierend, d. h. hemmend bzw. verzögernd, auswirkt. Aufgrund der im Fermentationsverlauf einsetzenden Ethanol-bedingten Wachstumsinhibierung der Zellen werden nur geringe Biomassekonzentrationen von bis zu 15 g·l–1 erreicht. Die geringe Produktivität ist vor allem auch darin begründet, dass die Biomasse bei jeder Fermentation neu angezogen werden muss und dadurch nicht an die hohen Glucose- und Ethanolkonzentrationen adaptiert ist. Für die diskontinuierliche Fermentation sind vor- und nachbereitende Prozessschritte erforderlich, was sich ebenfalls negativ auf die Produktivität auswirkt, da während dieser Prozessschritte keine Produktbildung stattfindet.The vast majority of ethanol production plants operate batchwise in so-called batch mode. In the batch ethanol fermentation high ethanol concentrations are achieved with a low productivity at the same time. A problem with fermentative alcohol syntheses is that the product ethanol during its formation process, both on the growth of the ethanol-forming microorganisms and on the product formation itself, inhibiting, ie inhibiting or retarding effects. Due to the onset of ethanol-induced growth inhibition of the cells in the fermentation process only low biomass concentrations of up to 15 g · l -1 can be achieved. Above all, the low productivity is due to the fact that the biomass has to be recaptured during each fermentation and thus is not adapted to the high glucose and ethanol concentrations. For the discontinuous fermentation, pre- and post-processing steps are required, which also has a negative effect on the productivity, since no product formation takes place during these process steps.

Neben der diskontinuierlichen Ethanolfermentation gibt es in steigendem Maße andere Betriebsführungsstrategien. Aus der DD 225 445 A1 geht ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanol mittels Mikroorganismen aus vergärbaren Kohlenhydraten hervor, das auf Fermentationsprozesse angewandt werden kann, die diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich geführt werden. Die DE 29 03 273 C2 beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Alkohol durch kontinuierliche Fermentation eines Kohlenhydrat enthaltenden Substrats in einem Fermenter.In addition to the discontinuous ethanol fermentation, there are increasingly other management strategies. From the DD 225 445 A1 discloses a method for obtaining fermentation ethanol by means of microorganisms from fermentable carbohydrates, which can be applied to fermentation processes, which are conducted discontinuously, semicontinuously or continuously. The DE 29 03 273 C2 includes a process for producing alcohol by continuous fermentation of a carbohydrate-containing substrate in a fermenter.

Aus einer Reihe von Dokumenten zum Stand der Technik sind Verfahren zur fermentativen Ethanolherstellung aus Zucker bekannt, welche eine Steigerung der Produktivität und der Alkoholausbeute zum Ziel haben. Idealerweise beinhalten diese Verfahren Strategien mit Zugabe von neuem Substrat bis zu einem bestimmten Endwert der Fermentationsmasse. Durch Wiederholung des Vorganges entstehen zyklische Betriebsweisen bezüglich eines Fermenters. Ein klassischer Zyklus einer zyklischen Fermentation besteht aus folgenden Phasen:

  • 1. Teilweises Füllen des Fermenters mit Nährlösung und Ethanol bildenden Mikroorganismen,
  • 2. Feed-Zugabe (d. h. Zusatz an Nährlösung) bis zum maximalen Füllvolumen des Fermenters,
  • 3. Ablassen des Fermenters nach Abschluss der maximalen Alkoholbildung.
From a number of prior art documents, methods for fermentative ethanol production from sugars are known, which aim to increase productivity and alcohol yield. Ideally, these methods include strategies with addition of new substrate to a certain final value of the fermentation mass. By repeating the process, cyclic operations with respect to a fermenter arise. A classical cyclic fermentation cycle consists of the following phases:
  • 1. Partial filling of the fermenter with nutrient solution and ethanol-forming microorganisms,
  • 2. feed addition (ie addition of nutrient solution) up to the maximum filling volume of the fermenter,
  • 3. Draining the fermenter after completion of maximum alcohol production.

Im so genannten Fed-Batch-Betrieb wird die Ethanolkonzentration durch eine kontinuierliche oder semikontinuierliche Feed-Zugabe und der daraus resultierenden Vergrößerung des Flüssigkeitsvolumens verdünnt. Ziel ist es dabei, die durch Ethanol bedingte Inhibierung des Wachstums und der Produktbildung zu verringern. Die Fed-Batch-Verfahren ermöglichen eine Ethanolfermentation in Ethanol-Konzentrationsbereichen, indem die Inhibierung durch Ethanol aufgrund einer sequenziellen bzw. kontinuierlichen Zuführung und somit einer Verdünnung mit konzentrierter Feed-Lösung nicht voll ausgeprägt ist. Bei Erreichen eines bestimmten Volumens wird durch Einstellen der Feed-Dosierung die Fermentation bis zur maximalen Ethanol-Konzentration fortgesetzt. So wird bei Alfenore et al. Appl. Microbiol. Biotechnol. (2002) 60: 67-72 ein Fed-Batch-Verfahren beschrieben, bei dem die Ethanolkonzentration unterhalb eines bestimmten Niveaus gehalten wird, um die Inhibierung des Wachstums und der Produktbildung zu verringern. Nach einer einführenden Batch-Fermentation mit einer Glucosekonzentration von 100 g·l–1 wird bei einsetzender Substratlimitation sequenziell eine hoch-konzentrierte Feed-Lösung mit 700 g·l–1 Glucose zugeführt. Diese so genannte Feeding-Strategie dient zu Beginn der Fermentation der Nährmedienversorgung und im weiteren Verlauf der Verdünnung des Ethanolgehaltes. Der Prozess läuft Ethanol-gesteuert ab, so dass bei Erreichen einer definierten Ethanolkonzentration von 90 g·l–1 die Feed-Lösung so lange zudosiert wird, bis eine ausreichende Verdünnung erreicht ist. Dadurch kann die Ethanol-Inhibierung verringert werden. Diese Verfahrensstrategie wird aber durch das Reaktorvolumen begrenzt. Ist das maximale Volumen erreicht, wird die Fermentation bis zur finalen Ethanolkonzentration geführt, wobei die Produktentnahme diskontinuierlich am Ende der Fermentation erfolgt. Nachteilig auf die Produktivität bei der Fed-Batch-Verfahrensstrategie wirken sich vor allem die geringen Startkonzentrationen der Biomasse aus.In so-called fed-batch mode, the ethanol concentration is diluted by a continuous or semi-continuous feed addition and the resulting increase in the volume of liquid. The aim is to reduce the ethanol-induced inhibition of growth and product formation. The fed-batch processes permit ethanol fermentation in ethanol concentration ranges, in that the inhibition by ethanol due to a sequential feed and thus dilution with concentrated feed solution is not fully developed. When a certain volume is reached, the fermentation is continued up to the maximum ethanol concentration by adjusting the feed dosage. This is how it is added Alfenore et al. Appl. Microbiol. Biotechnol. (2002) 60: 67-72 described a fed-batch process in which the ethanol concentration is kept below a certain level to reduce the inhibition of growth and product formation. After an introductory batch fermentation with a glucose concentration of 100 g.l -1 , a highly concentrated feed solution containing 700 g.l -1 of glucose is fed sequentially when the substrate is limited. This so-called feeding strategy is used at the beginning of the fermentation of Nährmedienversorgung and in the further course of the dilution of the ethanol content. The process is ethanol-controlled, so that when reaching a defined ethanol concentration of 90 g · l -1, the feed solution is added until a sufficient dilution is reached. Thereby the ethanol inhibition can be reduced. However, this process strategy is limited by the reactor volume. Once the maximum volume has been reached, the fermentation is carried out to the final ethanol concentration, with the product being taken discontinuously at the end of the fermentation. A disadvantage of the productivity of the fed-batch process strategy is, in particular, the low starting concentrations of the biomass.

Die Betriebsweise mit zyklischer Beschickung des Fermenters innerhalb eines vorgegebenen Füllvolumenbereiches wird in der Biotechnologie als Repeated-Fed-Batch-Fahrweise bezeichnet. Die Repeated-Fed-Batch-Fahrweise ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter beim Ablassen nicht vollständig entleert wird, sondern ein Teil des Fermenterinhaltes im Fermenter verbleibt. Die Konzentrationen an Alkohol, die bei der Repeated-Fed-Batch-Fahrweise für gewöhnlich auftreten, erreichen ähnliche Größenordnungen wie bei der klassischen Batch-Fermentation. Ein weiterer Nachteil für die Produktivität besteht für das Fed-Batch-Verfahren und das Repeated-Fed-Batch-Verfahren darin, dass ein erhöhter Steuerungsaufwand zur Feed-Regulierung sowie vor- und nachbereitende Prozesse bei jeder Fermentation notwendig sind.The Operation with cyclic loading of the fermenter within a predetermined filling volume range is referred to in biotechnology as a repeated fed-batch procedure. The Repeated fed-batch mode is characterized in that the Fermenter is not completely emptied when draining, but a part of the fermenter content remains in the fermenter. The concentrations Alcohol that typically occurs in the repeated fed-batch mode achieve similar Orders of magnitude like in the classical batch fermentation. Another downside to productivity exists for the fed-batch process and the repeated fed-batch method in that an increased control effort for Feed regulation and pre- and Post-processing processes are necessary for every fermentation.

Im Bereich der Ethanolfermentationen mit kontinuierlicher Betriebsweise sind einige Verfahren bekannt, mit denen die aktive Biomassekonzentration und die Produktivität gesteigert werden sollen. Im Wesentlichen geschieht das durch die Immobilisierung der Biomasse, wobei die Biomasse an Trägermaterialien oder durch Einlagerung fixiert wird. Die immobilisierte Biomasse kann durch technische Einbauten im Reaktor verweilen und am Austrag gehindert werden. Der Biomasseaustrag durch die kontinuierliche Produktentnahme und die daraus resultierenden geringen Biomassekonzentrationen im Reaktor werden durch den Biomasserückhalt kompensiert, wobei die Produktivität gesteigert werden kann. Die Immobilisierung der Biomasse erfolgt dabei im Allgemeinen außerhalb des Reaktorsystems. Erreichbare Produktivitäten in Systemen mit immobilisierter Biomasse sind durch Roca, C. Appl. Microbiol. Biotechnology (2003) 60; 560-563 bekannt. Die in dieser Druckschrift ausgewiesenen hohen Produktivitäten täuschen jedoch eine hohe Gesamtproduktivität vor. Zwar wird eine Produktivität von ca. 100 g·l–1·h–1 vorgerechnet, die resultierende Alkoholkonzentration liegt dabei jedoch bei 10 bis 15 g·l–1. Um diese hohen Produktivitäten und einen vollständigen Stoffumsatz zu erreichen, wird in der Regel mit sehr geringen Substratkonzentrationen und hohen Verdünnungsraten gearbeitet. Daraus ergeben sich folglich nur geringe Ethanolkonzentrationen, die unterhalb derer diskontinuierlicher Verfahren liegen. Die geringen Ethanolkonzentrationen erfordern einen wesentlichen Mehraufwand bei der Aufarbeitung des Ethanols und ermöglichen es Fremdorganismen, sich im System zu etablieren, wodurch die Qualität stark beeinträchtigt wird.In the field of ethanol fermentations with continuous operation, some methods are known with which the active biomass concentration and productivity should be increased. Essentially, this is done by immobilizing the biomass, the biomass being fixed to support materials or by intercalation. The immobilized biomass can remain in the reactor due to technical installations and be prevented from discharging. The biomass discharge through the continuous product removal and the resulting low biomass concentrations in the reactor are compensated by the biomass retention, whereby the productivity can be increased. The immobilization of the biomass generally takes place outside the reactor system. Achievable productivities in systems with immobilized biomass are due to Roca, C. Appl. Microbiol. Biotechnology (2003) 60; 560-563 known. However, the high productivity reported in this document belies a high overall productivity. Although a productivity of about 100 g · l -1 · h -1 is calculated, but the resulting alcohol concentration is at 10 to 15 g · l -1 . In order to achieve these high productivities and a complete metabolic rate, very low substrate concentrations and high dilution rates are generally used. As a result, only low ethanol concentrations result, which are below those of discontinuous processes. The low ethanol concentrations require a significant overhead in the work-up of the ethanol and allow foreign organisms to establish themselves in the system, severely compromising quality.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines kostengünstigen und effektiven Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol, das eine hohe Produktivität aufweist, ohne jedoch die zuvor beschriebenen Nachteile kontinuierlicher Fermentationen aufzuweisen.The The object underlying the invention is to provide a cost-effective and effective process for the biotechnological production of ethanol, That's a high productivity has, but without the disadvantages described above more continuous Have fermentations.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol gelöst, das eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation beinhaltet. Dabei lässt sich ein Zyklus der Sequencing-Batch-Fermentation in folgende nacheinander ablaufende Phasen unterteilen:

  • a) Absetzphase der Mikroorganismen (Biomasse),
  • b) Austragphase unter Volumenreduzierung im Fermenter,
  • c) Auffüllphase durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und
  • d) Produktbildungsphase ohne Zufluss.
The object is achieved by a method for the biotechnological production of ethanol, which includes a cyclic sequencing batch fermentation. One cycle of the sequencing batch fermentation can be subdivided into the following successive phases:
  • a) settling phase of the microorganisms (biomass),
  • b) discharge phase with volume reduction in the fermenter,
  • c) filling phase by substrate supply to the original volume and
  • d) Product formation phase without inflow.

Die Konzeption der Erfindung besteht in der Reduzierung der durch das entstehende Ethanol bedingten Hemmungen des Wachstums der Ethanol bildenden Mikroorganismen und der Produktbildung. Die Hemmwirkung des Ethanols wird durch die erfindungsgemäße zyklische Betriebsführung reduziert, in welche eine Absetzphase der Mikroorganismen integriert ist. Das heißt, dass dem Schritt b), der Austragsphase, in welcher eine Abtrennung eines Teils des Fermenterinhaltes erfolgt, ein Schritt a) in Form einer Absetzphase vorgeschaltet ist, in der sich die Mikroorganismen zuvor absetzen können.The Conception of the invention consists in the reduction of the ethanol caused inhibition of the growth of ethanol forming microorganisms and product formation. The inhibitory effect of the ethanol is reduced by the cyclic operational management according to the invention, in which a settling phase of the microorganisms is integrated. The is called, that the step b), the discharge phase, in which a separation a part of the fermenter content is carried out, a step a) in shape preceded by a settling phase in which the microorganisms previously settle.

Die Mikroorganismen werden durch bewusste Nutzung der Veränderung der Zelloberflächeneigenschaften während des Fermentationsverlaufs und durch gezielte Strömungsführung zum Absetzen veranlasst. Untersuchungen haben gezeigt, dass Mikroorganismen – insbesondere die genannten Hefen – in der Lage sind, durch Agglutination Zellverbände in kompakten Flockenstrukturen zu bilden. Dazu werden gezielt Strömungen erzeugt, die durch das Einblasen von Luft in ein Strömungsführungsrohr (Riser) ausgelöst werden. Die mikrobiologischen Prozesse, die zu einer Agglutination führen, basieren auf den gleichen Vorgängen, wie Zellen an Trägerkörpern fixiert werden können. Die Flockulation von Mikroorganismen ist ein natürlicher Prozess, der z. B. auch beim Bierbrauen genutzt wird. Durch Flockulation bzw. Agglutination verdichten sich die Zellen, so dass sie bei fehlendem Energieeintrag (z. B. Luft) schneller sedimentieren und die Produktseparation sowie den Biomasserückhalt erleichtern. Der Prozess der Flockenbildung basiert auf der Verbindung von Molekülen (Flocculin und Mannoseüberrest) zweier benachbarter Zellen. Durch die gewählte Prozessführung und Medienbedingungen kommt es zu einer Anpassung der Oberflächeneigenschaften durch die Mikroorganismen. Der hohe physiologische Stress bewirkt eine Stärkung der Zellwandstrukturen (z. B. durch Einlagerung von Trehalose). Eine hohe Ethanolkonzentration bewirkt ebenfalls eine verbesserte Flockenbildung, während sich Glucose negativ auf Flockenstrukturen auswirkt. Durch diese Beobachtungen konnte festgestellt werden, dass die Flockulation kein ausschließlich biochemischer Prozess ist, sondern dass auch physikalische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. So müssen die Zellen Kontakt zueinander aufnehmen können, um sich aneinander zu binden. Folgende Faktoren verbessern die Flockenbildung:

  • – gerichtete Strömungsverhältnisse im Fermenter mit hohen Zellkontakten,
  • – Vergrößerung des hydrophoben Charakters und
  • – Verringerung der negativen elektrischen Ladung in der Zellwand.
The microorganisms are caused by deliberate use of the change in cell surface properties during the course of fermentation and by targeted flow control for settling. Studies have shown that microorganisms - in particular the yeasts mentioned - are capable of forming cell aggregates in compact flake structures by agglutination. For this purpose, targeted flows are generated, which are triggered by the injection of air into a flow guide tube (riser). The microbiological processes that lead to agglutination are based on the same processes as cells can be fixed to carrier bodies. The flocculation of microorganisms is a natural process that z. B. is also used in beer brewing. By flocculation or agglutination densify the Cells so that they sediment faster in the absence of energy input (eg air) and facilitate product separation and biomass retention. The process of flocculation is based on the combination of molecules (flocculin and mannose residue) of two neighboring cells. The selected process control and media conditions lead to an adaptation of the surface properties by the microorganisms. The high physiological stress causes a strengthening of the cell wall structures (eg by incorporation of trehalose). High ethanol concentration also causes improved flocculation, while glucose has a negative effect on floc structures. These observations showed that flocculation is not a purely biochemical process, but that physical interactions also play a crucial role. So the cells must be able to contact each other to bind to each other. The following factors improve flocculation:
  • Directed flow conditions in the fermenter with high cell contacts,
  • - enlargement of the hydrophobic character and
  • - Reduction of negative electric charge in the cell wall.

Daraus können drei übergeordnete Gruppen von Einflussfaktoren abgeleitet werden:

  • – genetischer Hintergrund,
  • – natürliche (biochemische) Faktoren und
  • – physikalische Wechselwirkungen.
From this, three superordinate groups of influencing factors can be derived:
  • - genetic background,
  • - natural (biochemical) factors and
  • - physical interactions.

Der hohe Selektionsdruck bewirkt, dass Mikroorganismen (Hefen als auch Fremdorganismen), die nicht in der Lage waren, sich dem System durch hohe Sedimentationsgeschwindigkeiten (kein gutes Flockulationsverhalten) anzupassen, aus dem System ausgespült werden.Of the high selection pressure causes microorganisms (yeasts as well Foreign organisms) who were unable to get through the system high sedimentation rates (no good flocculation behavior) to be flushed out of the system.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Fahrweise einige zusätzliche, nicht vorhersehbare Vorteile beinhaltet. Diese werden im Folgenden aufgeführt und erläutert:

  • 1. Durch die zuflusslose Betriebsweise in der Produktbildungsphase in Schritt d) wird eine Ethanolkonzentration erreicht, die wesentlich höher als die Ethanolkonzentration bei kontinuierlicher Betriebsweise ist. Die hohe Ethanolkonzentration reduziert den notwendigen Aufwand für die weiteren nichtbiologischen Stufen des Verfahrens. Allerdings wird das Ethanolniveau unterhalb der Konzentration gehalten, die bei der diskontinuierlichen Betriebsweise erreicht wird, damit die Aktivität der Mikroorganismen für die quasikontinuierliche Betriebsweise erhalten bleibt. Ab einer Ethanolkonzentration von mehr als 6 Vol.-% kommt es zu einer wesentlichen Verlangsamung des Wachstums der Mikroorganismen durch die Inhibierung des Wachstums (Wachstumshemmung) aufgrund des Ethanols und in dessen Folge zu einer Inhibierung der Produktbildung. Der Einfluss der Ethanolkonzentration ist berechenbar, so dass eine Optimierung der Prozessführungsstrategie vorausschauend möglich ist.
  • 2. Das Verfahren ist ein unsteriles Hochleistungsverfahren, bei dem kein fremder Mikroorganismus in der Lage ist, sich als Substratkonkurrent oder als schädigender Mikroorganismus durchzusetzen. Nahrungskonkurrenten oder störende Mikroorganismen werden, sofern sie sich nicht in der Absetzphase in Schritt a) mit der Produktionskultur absetzen, in der Austragsphase in Schritt b) mit dem flüssigen Überstand ausgetragen und somit in ihren möglichen störenden Einflüssen reduziert. Dadurch werden die Kosten für die Abwehr von Fremdkeimen reduziert.
  • 3. Durch die ständige Wiederholung bei der zyklischen Betriebsweise wird die Produktionskultur in ihrer Leistungsfähigkeit trainiert. Der ständige Wechsel zwischen hoher Substratbelastung am Anfang der Produktbildungsphase in Schritt d) und hoher Produktkonzentration am Ende dieser Produktbildungsphase reduziert zudem die Gefahr der Veränderung der Produktionskultur durch Mutationen.
Surprisingly, it has been found that the driving method according to the invention contains some additional, unpredictable advantages. These are listed and explained below:
  • 1. Due to the continuous operation in the product formation phase in step d), an ethanol concentration is achieved which is substantially higher than the ethanol concentration in continuous operation. The high ethanol concentration reduces the effort required for the further non-biological stages of the process. However, the ethanol level is kept below the concentration achieved in the batch mode to maintain the activity of the microorganisms for the quasi-continuous mode of operation. From an ethanol concentration of more than 6% by volume, there is a significant slowing down of the growth of the microorganisms by the inhibition of growth (growth inhibition) due to the ethanol and, as a result, to inhibition of product formation. The influence of the ethanol concentration is calculable, so that an optimization of the process management strategy is possible in a forward-looking manner.
  • 2. The method is a non-sterile high performance process in which no foreign microorganism is able to prevail as a substrate competitor or as a damaging microorganism. Food competitors or interfering microorganisms, unless they settle in the settling phase in step a) with the production culture, discharged in the discharge phase in step b) with the liquid supernatant and thus reduced in their possible disturbing influences. This reduces the cost of defending against foreign germs.
  • 3. By constantly repeating the cyclical mode of operation, the production culture is trained in its efficiency. The constant change between high substrate load at the beginning of the product formation phase in step d) and high product concentration at the end of this product formation phase also reduces the risk of altering the production culture by mutations.

Für eine hohe Produktivität bei der Ethanolbildung ist eine optimal hohe Konzentration an aktiver mikrobieller Biomasse erforderlich. Die Austragsphase in Schritt b) des Verfahrens wird genutzt, um die Konzentration an aktiver Biomasse zu regeln und dabei auf einem konstanten optimalen Niveau zu halten. Das geschieht vorzugsweise dadurch, dass bei hohen Biomassekonzentrationen im Fermenter nicht nur der Überstand mit dem Produkt, sondern zum Teil auch die überschüssige Biomasse ausgetragen wird. Mit der Regelung der Biomassekonzentration wird auch gewährleistet, dass immer ein hoher Grad an aktiver Biomasse im System vorhanden ist. Tote oder inaktive Zellen werden ausgetragen.For a high productivity in the ethanol formation is an optimally high concentration of active microbial biomass required. The discharge phase in step b) the process is used to increase the concentration of active Regulate biomass while maintaining a constant optimal level to keep. This is preferably done by having high biomass concentrations not only the supernatant in the fermenter with the product, but also partially discharged the excess biomass becomes. The regulation of the biomass concentration also ensures that that there is always a high level of active biomass in the system is. Dead or inactive cells are discharged.

Die aerobe Fermentation stimuliert sowohl das Biomassewachstum, was für eine aktive Kultur notwendig ist, als auch die Ethanolbildung. In anaeroben Prozessen wird der eingesetzte Rohstoff zu Ethanol reduziert. Da aber die meisten hier verwendbaren Mikroorganismen so genannte glucosesensitive Mikroorganismen sind, bewirkt eine limitierte aerobe Betriebsweise eine schnellere Produktbildung und trägt somit zu einer höheren Produktivität bei. Glucosesensitive Organismen können die Aufnahme des Substrats (z. B. Glucose) nicht steuern. Daher werden sie leicht von zu hohen Konzentrationen inhibiert, was sich speziell bei anaeroben Prozessen nachteilig auswirkt. Ein vollständig anaerober Stoffwechsel verfügt nur über einen eingeschränkten Substratstoffwechsel, der nur mit einer auf 40 bis 50% reduzierten Enzymaktivität arbeitet. Durch das Überangebot an Substrat werden diese Mikroorganismen jedoch auch aerob zur so genannten oxido-reduktiven Bildung von Ethanol gebracht. Dies ist für die Mikroorganismen lebensnotwendig, um die hohe Substratkonzentration innerhalb der Zellen abzubauen. Ihre Atmungskapazität ist aber nur eingeschränkt; man spricht hierbei von einer Limitation der Oxidation, da nur ein Teil des Substrats ohne die Bildung von Ethanol „veratmet" werden kann. Das über die Atmungskapazität hinaus aufgenommene Substrat muss in einer Superflow- oder Hyperflow-Reaktion in Ethanol umgewandelt werden. Somit ist ein ausreichendes Wachstum gegeben, um Biomasseverluste auszugleichen und eine Aktivkultur, die aufgrund der Superflowreaktion schneller Ethanol bildet, zu wahren. Durch den hohen Substratfluss in die Mikroorganismen wird trotz des Zusatzes an Sauerstoff eine Repression verursacht, die zu geringeren Wachstumsgeschwindigkeiten führt, als dies bei geringen Substratkonzentrationen der Fall wäre. Somit ist die Biomassebildung zwar höher als bei anaeroben Prozessen, erreicht aber nicht die Geschwindigkeiten aerober Prozesse bei geringen Substratkonzentrationen. Dieser Effekt wird genutzt, um trotz des Biomassewachstums viel Energie in die Produktbildung zu lenken. Das Verhältnis zwischen Substratverbrauch, Biomasse- und Produktbildung wird im Hinblick auf eine verbesserte Ausbeute durch Zusatz an Sauerstoff optimiert.Aerobic fermentation stimulates both biomass growth, which is necessary for active culture, and ethanol production. In anaerobic processes, the raw material used is reduced to ethanol. However, since most of the microorganisms usable here are so-called glucose-sensitive microorganisms, a limited aerobic mode of operation causes a faster product formation and thus contributes to a higher productivity. Glucose sensitive organisms can not control uptake of the substrate (eg, glucose). Therefore, they are easily inhibited by too high concentrations, which is especially an anaerobic Process adversely affects. A completely anaerobic metabolism has only a limited substrate metabolism, which works only with a 40 to 50% reduced enzyme activity. Due to the oversupply of substrate, however, these microorganisms are also aerobically brought to the so-called oxido-reductive formation of ethanol. This is vital for the microorganisms to reduce the high substrate concentration within the cells. Your respiratory capacity is limited; This is called a limitation of oxidation, since only part of the substrate can be "respired" without the formation of ethanol, and the substrate taken beyond the respiratory capacity must be converted to ethanol in a superflow or hyperflow reaction sufficient growth to compensate for biomass losses and to maintain an active culture that forms ethanol faster due to the superflow reaction The high substrate flow into the microorganisms causes repression despite the addition of oxygen, which leads to slower growth rates than at low substrate concentrations Thus, while biomass formation is higher than in anaerobic processes, it does not reach the velocities of aerobic processes at low substrate concentrations, and this effect is used to channel much energy into product formation despite biomass growth smoke, biomass and product formation is optimized for improved yield by adding oxygen.

Durch die aerobe Ethanolbildung in einem Schlaufenreaktor ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens bei semikontinuierlichem Betrieb neben dem in der Austragsphase erfolgenden Produktaustrag über den Produktstrom aus dem Fermentermedium ein zweiter Produktaustrag über einen sekundären Produktstrom aus der Gasphase möglich. Dieser kontinuierliche Produktaustrag wird durch Gasstrippen in ein Gas-Luft-Gemisch erreicht. Einerseits besteht dabei ein Vorteil in der kostengünstigen Separation des Ethanols aus der Gasphase aufgrund der Tatsache, dass sofort höher konzentriert werden kann, andererseits reduziert der Abzug auch die inhibierende Wirkung des Ethanols auf die Produktionskultur. Das gasförmige Ethanol wird durch Kondensation zusammen mit weiteren flüchtigen Bestandteilen gewonnen. Das erhaltene Rohprodukt ist dabei frei von Partikeln, wodurch nachfolgende Aufbereitungsschritte minimiert werden. Als besonders vorteilhaft erwies sich die Verwendung eines Luft-CO2-Gemisches als Gasstrom für das Gasstrippen. Durch die Erhöhung des CO2-Anteils wird die Superflowreaktion des Substrats zu Ethanol weiter gefördert, wodurch wiederum mehr Ethanol über die Gasphase entweicht. Die Steigerung des CO2-Anteils wird durch eine bevorzugte teilweise Kreislaufführung der Abluft erreicht. Der ständige Gasaustrag durch das Gasstrippen führt zu einem Kondensationsprodukt, das mindestens 30 Vol.-% Ethanol enthält. Der Aufwand und die Kosten für die nachfolgende Aufkonzentrierung des Ethanols verringern sich dadurch wesentlich, zumal in Betracht gezogen werden muss, dass die Primärenergiekosten – unabhängig vom Substrat – den Hauptkostenfaktor jeder Ethanolerzeugung bilden.Due to the aerobic ethanol formation in a loop reactor, in a particularly preferred embodiment of the method in semicontinuous operation, in addition to the product discharge in the discharge phase via the product stream from the fermenter medium, a second product discharge via a secondary product stream from the gas phase is possible. This continuous product discharge is achieved by gas stripping into a gas-air mixture. On the one hand there is an advantage in the cost-effective separation of the ethanol from the gas phase due to the fact that it can be concentrated higher immediately, on the other hand the deduction also reduces the inhibiting effect of the ethanol on the production culture. The gaseous ethanol is recovered by condensation along with other volatiles. The crude product obtained is free of particles, whereby subsequent treatment steps are minimized. The use of an air-CO 2 mixture proved to be particularly advantageous as a gas stream for gas stripping. By increasing the CO 2 content, the superflow reaction of the substrate to ethanol is further promoted, which in turn escapes more ethanol through the gas phase. The increase in the CO 2 content is achieved by a preferred partial recycling of the exhaust air. The continuous gas discharge by the gas stripping leads to a condensation product containing at least 30 vol .-% ethanol. The cost and the costs for the subsequent concentration of the ethanol are thereby significantly reduced, especially since it must be considered that the primary energy costs - regardless of the substrate - form the main cost factor of any ethanol production.

Zur weiteren Erhöhung der Produktivität in Verbindung mit der Reduzierung von Abfallkosten werden vorteilhafterweise die Inhaltsstoffe der abgetrennten Biomasse (Schlempe) genutzt. Die Schlempe ist der Rückstand der Aufkonzentrierung bzw. Destillation eines Teils des Fermenterinhalts, der durch nicht mehr genutzte Biomasse, nicht verwertete Ausgangsverbindungen und ethanolhaltiges Wasser gebildet wird. Dabei erfolgt eine Aufbereitung der anfallenden Schlempe durch Hydrolyse und Eindicken vor deren Rückführung in den Reaktor. In der Schlempe sind unter anderem wichtige Vitamine und Spurenelemente enthalten, die das Wachstum, die Produktivität und die Ethanolresistenz der Produktionskultur als Biomasse erhöhen. Durch die Rückführung wird die zu entsorgende Schlempe reduziert. Die Bereitstellung der Inhaltsstoffe erfolgt vorzugsweise durch eine thermische Behandlung, wobei ermittelt wurde, dass durch die Anwesenheit von Ethanol die Zellhydrolyse begünstigt wird. Damit ergibt sich eine Teilstrombehandlung des Fermenterinhaltes vor der Destillation.to further increase productivity in conjunction with the reduction of waste costs will be beneficial the ingredients of the separated biomass (vinasse) used. The vinasse is the residue the concentration or distillation of a part of the fermenter content, the unused biomass, unused starting compounds and ethanol-containing water is formed. This is a preparation the resulting vinasse by hydrolysis and thickening before Return to the Reactor. In the vinasse are, among other important vitamins and Contain trace elements that increase growth, productivity and the Increase ethanol resistance of the production culture as biomass. By the repatriation will reduces the waste to be disposed of. The provision of the ingredients is preferably carried out by a thermal treatment, wherein determined was that by the presence of ethanol cell hydrolysis favored becomes. This results in a partial flow treatment of the fermenter content before distillation.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Figuren und die Tabelle 1.Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference to the figures and the table 1.

Es zeigen:It demonstrate:

Tabelle 1: die Zusammensetzung der Feed-Lösung,table 1: the composition of the feed solution,

1: ein allgemeines Strömungsbild eines Schlaufenreaktors, 1 : a general flow pattern of a loop reactor,

2: ein Fließschema des Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol und 2 : A flow chart of the process for the biotechnological production of ethanol and

3: die Schrittfolge der Sequencing-Batch-Fermentation. 3 : Sequence of Sequencing Batch Fermentation.

Die Ethanol-Fermentation wird mit der Hefekultur Saccaromyces cerevisiae bei einem pH-Wert im Bereich von pH2 bis pH5 und einer Temperatur von kleiner als 45°C im Sequencing-Batch-Reaktor-Betrieb (SBR-Betrieb) unter aeroben bis quasi-anaeroben Bedingungen mit CO2-Kreislaufführung durchgeführt. Die Zusammensetzung der Feed-Lösung ist in Tabelle 1 dargestellt. Die bevorzugt gewählte Ethanolkonzentration in der Feed-Lösung (Substrat) beträgt 200 g·l–1. In einer weitergehenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ethanolfermentation analog zum oben genannten Verfahren mit einer Glucosekonzentration in der Feed-Lösung von 300 g·l-1.The ethanol fermentation is carried out with the yeast culture Saccaromyces cerevisiae at a pH in the range of pH2 to pH5 and a temperature of less than 45 ° C in sequencing batch reactor operation (SBR operation) under aerobic to quasi-anaerobic conditions carried out with CO 2 circulation. The composition of the feed solution is shown in Table 1. The preferred selected ethanol concentration in the feed solution (substrate) is 200 g · l -1 . In a further embodiment of the process according to the invention, the ethanol fermentation is carried out analogously to the abovementioned process with a glucose concentration in the feed solution of 300 g.s -1 .

Als Reaktionsgefäß dient ein Schlaufenreaktor 1, der allgemein ein Strömungsbild gemäß 1 aufweist und der in einen Bereich mit aufsteigender Flüssigkeit – den Riser 2 – sowie in einen Bereich mit absteigender Flüssigkeit – den so genannten Downcomer 3 – unterteilt ist. Die vollständige Durchmischung des Fermentermediums im Schlaufenreaktor wird durch eine Gasumwälzung nach dem Mammutpumpenprinzip gewährleistet. Der Lufteintrag (Airflow) erfolgt am Lufteinlass 4 am unteren Teil des Schlaufenreaktors 1 durch eine feinporige Düse in den Riser 2. Der Luftauslass 5 befindet sich am oberen Teil des Schlaufenreaktors 1. Der Luftstrom 6 wird so eingestellt, dass sich eine Gasleerrohrgeschwindigkeit von 1 bis 4 cm/s im Riser 2 einstellt. Parallel zum Luftstrom im Fermentermedium 10 verläuft der Substratstrom 11 aufsteigend im Riser 2 und abströmend im Downcomer 3. Der Schlaufenreaktor 1 ist von einem Temperiermantel 7 mit einem Temperiermitteleingang 8 im unteren Bereich und einem Temperiermittelausgang 9 im oberen Bereich des Schlaufenreaktors 1 umhüllt.The reaction vessel is a loop reactor 1 , which generally has a flow pattern according to 1 and in an area with rising liquid - the riser 2 - As well as in an area with descending liquid - the so-called Downcomer 3 - is divided. The complete mixing of the fermenter medium in the loop reactor is ensured by a gas circulation according to the mammoth pump principle. The air intake takes place at the air inlet 4 at the bottom of the loop reactor 1 through a fine-pored nozzle in the riser 2 , The air outlet 5 is located at the top of the loop reactor 1 , The airflow 6 is adjusted so that a gas empty tube speed of 1 to 4 cm / s in the riser 2 established. Parallel to the air flow in the fermenter medium 10 the substrate current runs 11 ascending in the riser 2 and flowing down in the downcomer 3 , The loop reactor 1 is of a tempering jacket 7 with a temperature control input 8th in the lower area and a Temperiermittelausgang 9 in the upper part of the loop reactor 1 envelops.

Ein Fließschema des Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol ist in 2 dargestellt. Es wird einerseits Zuluft 12 über die Gasleitung 13 in den Schlaufenreaktor 1 eingeleitet. Für die Führung der Abluft 14 gibt es zwei verschiedene Wege. Einerseits kann die Abluft 14 so geführt werden, dass sie als Abluftstrom 14a aus dem System ausgetragen wird. Über die Einstellung von Dreiwegeventilen 15, 16 kann aber auch eine Kreislaufführung der Abluft 14 erreicht werden und damit eine Rückführung der Abluft 14 über den Abluftstrom 14b in die Gasleitung 13 und schließlich in den Schlaufenreaktor 1 erfolgen.A flow chart of the process for the biotechnological production of ethanol is in 2 shown. It is on the one hand supply air 12 over the gas line 13 into the loop reactor 1 initiated. For the management of the exhaust air 14 There are two different ways. On the one hand, the exhaust air 14 be guided so that they as exhaust air flow 14a is discharged from the system. About the setting of three-way valves 15 . 16 But also a circulation of the exhaust air 14 be achieved and thus a return of the exhaust air 14 over the exhaust air flow 14b in the gas line 13 and finally into the loop reactor 1 respectively.

Gemäß 2 gelangt das Substrat in Form der Feed-Lösung über einen Zulauf der Substratstromleitung 17 in das Fermentermedium 10. Die Produktentnahme kann prinzipiell auf zwei Wegen erfolgen. Einerseits gelangt Ethanol über einen Produktstrom 18 aus dem Fermentermedium 10. Anderseits kann Ethanol aus der Abluft 14 erhalten werden. In der Fermentationsphase wird das in der Abluft 14 enthaltene Gemisch aus flüchtigen Mediumsbestandteilen in mehreren Phasen kondensiert und als sekundärer Produktstrom 20 abgeführt. Dazu wird die Abluft 14 im Gegenstromprinzip in Kühlern 19 bzw. in Kühlfallen auf 10°C bis –20°C gekühlt und das Kondensat mit einem Ethanolgehalt von 25 bis 70 Vol-% zur weiteren Aufbereitung gewonnen. Der kontinuierliche Ethanolaustrag ermöglicht einen vollständigen Umsatz der Glucose, wobei eine Ethanolkonzentration bei der Produktentnahme aus dem Reaktor 1 von 50 bis 80 g·l–1 erreicht wird.According to 2 the substrate passes in the form of the feed solution via an inlet of the substrate current line 17 in the fermenter medium 10 , The product removal can in principle be done in two ways. On the one hand, ethanol passes through a product stream 18 from the fermenter medium 10 , On the other hand, ethanol can be extracted from the exhaust air 14 to be obtained. In the fermentation phase, this is in the exhaust air 14 contained mixture of volatile medium components in several phases condensed and as a secondary product stream 20 dissipated. This is the exhaust air 14 in countercurrent principle in coolers 19 or cooled in cold traps to 10 ° C to -20 ° C and recovered the condensate with an ethanol content of 25 to 70% by volume for further processing. The continuous ethanol discharge allows complete conversion of the glucose, with an ethanol concentration in the product removal from the reactor 1 is reached from 50 to 80 g · l -1 .

Zur weiteren Erhöhung der Produktivität in Verbindung mit der Reduzierung von Abfallkosten werden vorteilhafterweise die Inhaltsstoffe der abgetrennten Biomasse (Schlempe 21) genutzt. Dabei erfolgt eine Aufbereitung der anfallenden Schlempe 21, die aus dem Produktstrom 18 aus dem Fermentermedium 10 abgetrennt wird und in die Schlempeaufbereitungsanlage 22 gelangt, durch Hydrolyse und Eindicken. Ein so aufbereiteter Teil 21a der Schlempe 21 kann in den Schlaufenreaktor 1 über die Substratstromleitung 17 zurückgeführt werden. Dadurch kann der zu entsorgende Teil 21b der Schlempe 21 wesentlich reduziert werden.To further increase the productivity in connection with the reduction of waste costs are advantageously the ingredients of the separated biomass (vinasse 21 ) used. In this case, there is a treatment of the resulting vinasse 21 from the product stream 18 from the fermenter medium 10 is separated and in the Schlempeaufbereitungsanlage 22 passes through hydrolysis and thickening. Such a processed part 21a the vinasse 21 can in the loop reactor 1 over the substrate power line 17 to be led back. This allows the part to be disposed of 21b the vinasse 21 be significantly reduced.

Über einen Korrekturmedienzulauf 23 im oberen Teil des Schlaufenreaktors 1 können Korrekturmedien, wie z. B. Säuren und Basen zur pH-Regulierung sowie Antischaummittel zur Eindämmung der Schaumbildung, in das Fermentermedium 10 eingeleitet werden. Wie bereits in 1 gezeigt, verfügt der Schlaufenreaktor 1 über einen Temperiermantel 7 für die Temperierung des Schlaufenreaktors 1. Die Temperatur des Temperiermittels, das – im Temperiermittelkreislauf 24 geführt – am Temperiermitteleingang 8 in den Temperiermantel 7 gelangt und diesen am Temperiermittelausgang 9 wieder verlässt, wird durch den Wärmeübertrager 25 geregelt.About a correction media feed 23 in the upper part of the loop reactor 1 can correction media, such. As acids and bases for pH regulation and anti-foaming agents to control the formation of foam, in the fermenter medium 10 be initiated. As already in 1 shown, has the loop reactor 1 via a tempering jacket 7 for the temperature control of the loop reactor 1 , The temperature of the temperature control, the - in Temperiermittelkreislauf 24 guided - at the Temperiermitteleingang 8th in the tempering jacket 7 arrives and this at Temperiermittelausgang 9 leaves again is through the heat exchanger 25 regulated.

Ein Zyklus der Sequencing-Batch-Fermentation lässt sich gemäß 3 in folgende nacheinander ablaufende Phasen unterteilen:

  • a) Absetzphase 26 der Mikroorganismen (Biomasse),
  • b) Austragphase 27 (Produktentnahme) unter Volumenreduzierung im Fermenter,
  • c) Auffüllphase 28 durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und
  • d) Produktbildungsphase 29 (Fermentationsphase 29) ohne Zufluss.
One cycle of sequencing batch fermentation can be performed according to 3 subdivide into the following successive phases:
  • a) settling phase 26 the microorganisms (biomass),
  • b) Discharge phase 27 (Product removal) with volume reduction in the fermenter,
  • c) refill phase 28 through substrate feed to the original volume and
  • d) product development phase 29 (Fermentation phase 29 ) without inflow.

Die Fermentationsphase 29 ist durch die Produktbildungsphase 29 und das Biomassewachstum gekennzeichnet. Die entstehende Abluft 14 wird gekühlt und das Kondensat entweder in den Schlaufenreaktor 1 zurückgeführt oder wie bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert, als sekundärer Produktstrom 20 aus der Abluft 14 aufgefangen.The fermentation phase 29 is through the product development phase 29 and the biomass growth ge features. The resulting exhaust air 14 is cooled and the condensate is either in the loop reactor 1 attributed or as already related to 2 as a secondary product stream 20 from the exhaust air 14 collected.

Nach vollständigem Verbrauch der Kohlenstoffquelle wird die Gasleitung 13 und damit die Gasumwälzung abgestellt und es erfolgt die Absetzphase 26. Das Abstellen der Gasumwälzung bewirkt aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen der Biomasse 30 und dem übrigen Fermentermedium 10 ein Absetzen der Biomasse 30 innerhalb einer Zeitspanne von einer bis 60 Minuten. Die Produktentnahme 27 in der Austragphase 27 endet bei 50% der Füllhöhe des Reaktors 1. Die abgesetzte Biomasse 30 verbleibt dabei im Schlaufenreaktor 1. In der darauf folgenden Auffüllphase 28 wird das Substrat in Form der Feed-Lösung bzw. aufbereitete Schlempe 21a von unten über die Substratstromleitung 17 in den Schlaufenreaktor 1 gepumpt, bis der ursprüngliche Füllstand des Fermentermediums 10 erreicht ist. Das Verfahren wird anschließend mit der Fermentationsphase 29 fortgeführt. Das Absetzen der Biomasse 30 in der Absetzphase 26 bewirkt einen Biomasserückhalt von 50 bis 95%. Nach dem Erreichen eines stationären Zustands (Steady-State) stellt sich aufgrund des Wachstums der Biomasse 30 eine aktive Biomassekonzentration von etwa 30 bis 50 g·l–1 ein.After complete consumption of the carbon source becomes the gas line 13 and thus the gas circulation is turned off and it takes place the settling phase 26 , The shutdown of the gas circulation causes due to the density difference between the biomass 30 and the rest of the fermentor medium 10 discontinuation of biomass 30 within a period of one to 60 minutes. The product removal 27 in the discharge phase 27 ends at 50% of the filling height of the reactor 1 , The deposited biomass 30 remains in the loop reactor 1 , In the following replenishment phase 28 the substrate is in the form of the feed solution or processed vinasse 21a from below over the substrate power line 17 into the loop reactor 1 pumped until the original level of the fermentor medium 10 is reached. The process is then followed by the fermentation phase 29 continued. The discontinuation of biomass 30 in the weaning phase 26 causes a biomass retention of 50 to 95%. After reaching a steady state (steady state) arises due to the growth of biomass 30 an active biomass concentration of about 30 to 50 g · l -1 .

11
Schlaufenreaktorloop reactor
22
Riserriser
33
Downcomerdowncomer
44
Lufteinlassair intake
55
Luftauslassair outlet
66
Luftstromairflow
77
Temperiermanteltempering
88th
TemperiermitteleingangTemperiermitteleingang
99
TemperiermittelausgangTemperiermittelausgang
1010
Fermentermediumfermenter medium
1111
Substratstromsubstrate current
1212
Zuluftsupply air
1313
Gasleitunggas pipe
1414
Abluftexhaust
14a14a
Abluftstrom (aus dem System ausgetragen)exhaust air flow (discharged from the system)
14b14b
Abluftstrom in die Gasleitung 13 Exhaust air flow into the gas line 13
1515
DreiwegeventilThree-way valve
1616
DreiwegeventilThree-way valve
1717
SubstratstromleitungSubstrate power line
1818
Produktstrom aus dem Fermentermedium 10 Product stream from the fermenter medium 10
1919
Kühlercooler
2020
sekundärer Produktstromsecondary product stream
2121
Schlempemash
21a21a
aufbereiteter Teil der Schlempe 21 processed part of the vinasse 21
21b21b
zu entsorgender Teil der Schlempe 21 to be disposed of part of the vinasse 21
2222
SchlempeaufbereitungsanlageSchlempeaufbereitungsanlage
2323
KorrekturmedienzulaufCorrection media feed
2424
Temperiermittelkreislauftemperature control medium
2525
WärmeübertragerHeat exchanger
2626
AbsetzphasePCT
2727
Austragsphase, Produktentnahmedischarge phase, product withdrawal
2828
Auffüllphase, Substratzufuhrfilling phase, substrate feed
2929
Produktbildungsphase, FermentationsphaseProduct formation phase, fermentation phase
3030
Biomassebiomass

Tabelle 1: Bestandteile Konzentration Einheit C6H12O6 200 g·l–1 NH4H2PO4 5000 mg·l–1 KH2PO4 2500 mg·l–1 MgSO4·7H2O 1000 mg·l–1 FeCl3·6H2O 2 mg·l–1 Ca(NO3)2·4H2O 20 mg·l–1 H3BO3 0,5 mg·l–1 CuSO4·5H2O 0,1 mg·l–1 KJ 0,1 mg·l–1 MnSO4·4H2O 0,4 mg·l–1 ZnSO4 0,4 mg·l–1 Na2MoO4 0,2 mg·l–1 CoSO2 0,1 mg·l–1 Table 1: ingredients concentration unit C 6 H 12 O 6 200 g · l -1 NH 4 H 2 PO 4 5000 mg · l -1 KH 2 PO 4 2500 mg · l -1 MgSO 4 .7H 2 O 1000 mg · l -1 FeCl 3 .6H 2 O 2 mg · l -1 Ca (NO 3 ) 2 .4H 2 O 20 mg · l -1 H 3 BO 3 0.5 mg · l -1 CuSO 4 .5H 2 O 0.1 mg · l -1 KJ 0.1 mg · l -1 MnSO 4 .4H 2 O 0.4 mg · l -1 ZnSO 4 0.4 mg · l -1 Na 2 MoO 4 0.2 mg · l -1 CoSO 2 0.1 mg · l -1

Claims (11)

Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation mit folgenden nacheinander ablaufenden Phasen in einem Zyklus: a) Absetzphase (26) der Biomasse (30), b) Austragphase (27) unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase (28) durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase (29) ohne Zufluss.Process for the biotechnological production of ethanol by a cyclic sequencing batch fermentation with the following successive phases in one cycle: a) settling phase ( 26 ) of biomass ( 30 ), b) Discharge phase ( 27 ) with volume reduction in the fermenter, c) filling phase ( 28 ) by substrate supply to the original volume and d) product formation phase ( 29 ) without inflow. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Austragsphase (27) der Überstand ausgetragen wird.Method according to claim 1, characterized in that in the discharge phase ( 27 ) the supernatant is discharged. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an aktiver Biomasse (30) geregelt wird, indem in der Austragsphase (27) bei hohen Biomassekonzentrationen im Fermenter die abgesetzte Biomasse (30) teilweise ausgetragen wird.Process according to claim 1 or 2, characterized in that the concentration of active biomass ( 30 ) in the discharge phase ( 27 ) at high biomass concentrations in the fermenter the settled biomass ( 30 ) is partially discharged. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Biomasse (30) durch Lufteintrag zum aeroben Wachstum angeregt wird.Method according to claim 3, characterized in that a part of the biomass ( 30 ) is excited by air intake to aerobic growth. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem in der Austragsphase (27) erfolgenden Produktaustrag über den Produktstrom (18) aus dem Fermentermedium (10) zusätzlich ein zweiter Produktaustrag über einen sekundären Produktstrom (20) stattfindet.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in addition to the in the discharge phase ( 27 ) product discharge via the product stream ( 18 ) from the fermenter medium ( 10 ) additionally a second product discharge via a secondary product stream ( 20 ) takes place. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Produktaustrag über den sekundären Produktstrom (20) durch Gasstrippen mit einem Gas-Luft-Gemisch erfolgt und dass das im Gas-Luftgemisch enthaltene Ethanol durch Kondensation mit weiteren flüchtigen Bestandteilen gewonnen wird.Process according to claim 5, characterized in that the second product discharge via the secondary product stream ( 20 ) Is carried out by gas stripping with a gas-air mixture and that the ethanol contained in the gas-air mixture is obtained by condensation with other volatiles. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasstrom für das Gasstrippen ein Luft-Kohlendioxid(CO2)-Gemisch genutzt wird.A method according to claim 6, characterized in that as the gas stream for the gas stripping an air-carbon dioxide (CO 2 ) mixture is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der CO2-Anreicherung im Fermenter die Abluft zumindest teilweise im Kreislauf geführt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that for the purpose of CO 2 enrichment in the fermenter, the exhaust air is at least partially recycled. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallende Schlempe (21) hydrolysiert und eingedickt wird, bevor sie in den Schlaufenreaktor (1) zurückgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the resulting vinasse ( 21 ) and thickened before entering the loop reactor ( 1 ) is returned. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Feed-Lösung 200 g·l–1 Glucose enthalten sind.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the feed solution 200th g · l -1 glucose are included. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Feed-Lösung 300 g·l–1 Glucose enthalten sind.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the feed solution 300 g · l -1 glucose are contained.
DE102006058465A 2006-12-12 2006-12-12 Process for the biotechnological production of ethanol Ceased DE102006058465A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006058465A DE102006058465A1 (en) 2006-12-12 2006-12-12 Process for the biotechnological production of ethanol
PCT/DE2007/002034 WO2008071139A1 (en) 2006-12-12 2007-11-10 Process for the biotechnological generation of ethanol

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006058465A DE102006058465A1 (en) 2006-12-12 2006-12-12 Process for the biotechnological production of ethanol

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102006058465A1 true DE102006058465A1 (en) 2008-06-19

Family

ID=39326710

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102006058465A Ceased DE102006058465A1 (en) 2006-12-12 2006-12-12 Process for the biotechnological production of ethanol

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102006058465A1 (en)
WO (1) WO2008071139A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4703007A (en) * 1984-03-27 1987-10-27 Ontario Research Foundation Separation of volatiles from aqueous solutions by gas stripping
JPH0689A (en) * 1992-06-17 1994-01-11 Shinenerugii Sangyo Gijutsu Sogo Kaihatsu Kiko Production of alcohol by repeated batch fermentation method
US5688674A (en) * 1995-09-29 1997-11-18 Cha-yong Choi Continuous fermentation process for the production of metabolities using a moving filter
WO2006040955A1 (en) * 2004-10-08 2006-04-20 Sapporo Breweries Limited Process for producing cohesive alcohol fermentation yeast and cohesive alcohol fermentation yeast

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4443543A (en) * 1980-12-08 1984-04-17 Unisearch Limited Semibatch ethanol production
AU631527B2 (en) * 1987-12-18 1992-12-03 Pinnan Soong The continuous process of removing ethanol from mash during ethanol fermentation (crem process)
US6861248B2 (en) * 2001-01-26 2005-03-01 M. Clark Dale High speed, consecutive batch or continuous, low effluent process for the production of ethanol from molasses, starches, or sugars

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4703007A (en) * 1984-03-27 1987-10-27 Ontario Research Foundation Separation of volatiles from aqueous solutions by gas stripping
JPH0689A (en) * 1992-06-17 1994-01-11 Shinenerugii Sangyo Gijutsu Sogo Kaihatsu Kiko Production of alcohol by repeated batch fermentation method
US5688674A (en) * 1995-09-29 1997-11-18 Cha-yong Choi Continuous fermentation process for the production of metabolities using a moving filter
WO2006040955A1 (en) * 2004-10-08 2006-04-20 Sapporo Breweries Limited Process for producing cohesive alcohol fermentation yeast and cohesive alcohol fermentation yeast

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008071139A1 (en) 2008-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3535050C2 (en)
DE69833489T2 (en) METHOD OF CONVERTING BIOMASSA IN CHEMICALS AND FUELS
DE3108386A1 (en) CONTINUOUS PROCESS FOR PRODUCING AETHANOL BY CELL RECYCLING
DE2938339B2 (en) Process for the continuous fermentation of aqueous mashes for the production of alcohol and yeast biomass
DE102006040567A1 (en) Process for the production of bioethanol
WO2009047275A2 (en) Method and device for microbial production of a certain product and methane
DE3689966T2 (en) Fermentation process with a liquid-liquid extraction of the fermentation product.
EP2803655B1 (en) System and method for producing aliphatic alcohols
AU591736B2 (en) A process for the production of ethanol through molasses fermentation
EP3950914B1 (en) Method for a combined operation of a bioethylene recovery plant and a biogas plant
EP0185010A1 (en) Method of continuously recovering fermentation products
DE3307796C2 (en)
DE102020118668A1 (en) Fermentation process and bioreactor for carrying out anaerobic, aerobic and micro-aerophilic fermentations comprising an airlift shaft overflow
DE102006058465A1 (en) Process for the biotechnological production of ethanol
DE102019211242A1 (en) Production of an alcohol-free or low-alcohol beer
WO2009065504A1 (en) Preparation of alcohols from a biomass by means of in situ distillation
DE3025098A1 (en) METHOD FOR PRE-TREATING HYDROLYSATES OBTAINED FROM LIGNOCELLULOSE MATERIALS, PRODUCTS THEREFORE OBTAINED AND THE USE THEREOF FOR THE PRODUCTION OF AETHYL ALCOHOL
CN107604007A (en) A kind of method that organic fertilizer is produced using cassava as raw material
EP0190610A1 (en) Method for producing alcohol and protein-enriched vinasse from raw materials containing sugar, starch and/or cellulose
DE102015210871A1 (en) Process for material utilization of organic substrate
DE202013102153U1 (en) System for the production of aliphatic alcohols
DD273853A1 (en) METHOD FOR GROOMING FUEL RANGE
DD210553A3 (en) METHOD FOR THE CONTINUOUS CULTIVATION OF MICROORGANISMS
DD254028A1 (en) METHOD FOR CONTROLLING AND CONTROLLING MICROBIAL FABRIC CONVERSION PROCESSES
DD262872A1 (en) PROCESS FOR SYNTHESIS OF PROTEIN-MICROBIAL BIOMASS

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection