DE2417848A1

DE2417848A1 - Verbessertes fermentationsverfahren zur umwandlung von methan in proteinmaterialien

Info

Publication number: DE2417848A1
Application number: DE19742417848
Authority: DE
Inventors: Eric Arthur White
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1973-04-12
Filing date: 1974-04-11
Publication date: 1974-10-17
Also published as: NL7404972A; FR2225518A1; RO71857A; FR2225518B1; JPS5040788A; AT327137B; AU6783274A; IT1004230B; BE813701A; GB1463295A; ATA309674A; ZA742359B

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KRfc!SLE2 DR.-ING. LCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER D1PL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING

5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

2417848 ^Köln' ^{den 2}^-

The British Petroleum Company Limited, Britannic House, Moor Lane, London, EC2Y 9BU (England).

Verbessertes_PeriT!entationsverfahren_zur Umwandlung vcn Methan in Proteinmaterialien

ein
Die Erfindung betrifft/VerbessertesFermentationsverfahren zur Umwandlung von Methan in Pröteinmaterialien.

Für die Umwandlung von Methan in Pröteinmaterialien wurden Fermentationsverfahren vorgeschlagen, bei denen ein methanverwertender Mikroorganismus in einem Fermentationsmedium, das ein wässriges Nährmedium enthält, in Gegenwart eines methanhaltigen Gases und eines •freien Sauerstoff enthaltenden Gases kultiviert wird. Anschließend wird der Mikroorganismus, der das Proteinmaterial enthält bzw. daraus besteht, vom Kulturmedium abgetrennt. Die Verfahren können chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Zweckmäßig wird als methanhaltiges Gas Methan selbst, ein Erdgas oder "Feldgas" und als Gas, das freien Sauerstoff enthält, Luft verwendet.

Bekanntlich bilden Methan und Sauerstoff brennbare Gemische, wenn sie in Volumenverhältnissen im Bereich von 5,1:61,0 Raumteilen Methan zu 94,9 bis 39,0 Raum-

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teilen Sauerstoff vorhanden sind. Die genauen Grenzen dieser Bereiche variieren jedoch in Abhängigkeit von den Bedingungen. Es ist ferner bekannt, daß der Bereich, in dem Gemische von Methan und Sauerstoff entflammbar sind, nicht nur vom jeweiligen Verhältnis von Methan zu Sauerstoff abhängt. Wenn beispielsweise Sauerstoff in einem Gas wie Luft vorhanden ist, liegt das Volumenverhältnis von Methan zu Luft, das zur Bildung eines entflammbaren Gemisches erforderlich ist, normalerweise im Bereich von 5 bis 15 Räumteilen Methan zu 95 bis Raumteilen Luft. Weitere Faktoren, von denen bekannt ist, daß sie den Bereich der Entflammbarkeit beeinflussen, sind der Druck, die Temperatur und verdünnende Gase, z.B. gasförmige Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxyd« Wenn das aiethanhaltige Gas ein Erdgas oder "Feldgas" ist, variiert der Bereich der Mengenverhältnisse, in denen die Gemische entflammbar sind, in weiten Grenzen und hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung des Erdgases oder "Feldgases" ab. Die Frage der Entflammbarkeit von Gemischen von methanhaltigen Gasen mit sauerstoffhaltigen Gasen wird in "U.S. Bureau of Mines Bulletins Fr. 503 (1-952) und Nr. 627 (1965)" behandelt.

.Angesichts der möglichen Entflammbarkeit von Gasgemischen, die bei Fermentationen vorhanden sind, bei denen Methan als Kohlenstoffquelle für die Prozeßkultur verwendet wird, ist es erwünscht, die Fermentation unter Verwendung von Gemischen von methanhaltigen und sauerstoffhaltigen Gasen zu verwenden, deren Zusammensetzung außerhalb des Bereichs der Entflammbarkeit liegt. Ferner ist zwar Methan als eine verhältnismäßig billige Kohlenstoffquelle anzusehen, insbesondere in den Gebieten der Welt, in denen große Erdgasreserven vorhanden sind, jedoch ist es aus wirtschaftlichen Gründen zweckmäßig, die geringste Methanmenge zu ver-

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wenden, die erforderlich ist, um befriedigende technische Ausbeuten an Proteinmaterialien zu erhalten. Angesichts der vorstehenden Erwägungen würde es als vorteilhaft erscheinen, ein Verfahren dieser Art so auszubilden, daß es mit Gemischen eines methanhaltigen Gases und eines sauerstoffhaltigen Gases arbeitet, ^: deren Zusammensetzungen unterhalb des Bereichs der Entflammbarkeit liegen. Verfahren dieser Art werden in der Literatur beschrieben, beispielsweise in einem Artikel, der einen Überblick über die Fermentation gibt, der in Chemical Engineering vom 26.8.19&8, S. 94- bis 108, veröffentlicht ist, und in der britischen Patentschrift 1 150 401.

Im Gegensatz zu Verfahren der vorstehend genannten Art ist das Verfahren gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß es unter Verwendung von Gemischen eines methanhaltigen Gases und eines sauerstoffhaltigen Gases durchgeführt wird, deren Zusammensetzung oberhalb des Bereichs der Brennbarkeit liegt, und das methanhaltige Restgas in Wärmeenergie, die für die Deckung des Energiebedarfs der Fermentationsanlage verwendet wird, umgewandelt wird. i

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Fermentationsverfahren zur Umwandlung von Methan in Proteinmaterial in einer Fermentationsanlage, wobei man einen Methan verwertenden Mikroorganismus in einem Fermentationsmedium, das ein wässriges Nährmedium enthält, in Gegenwart eines methanhaltigen Gases und eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases kultiviert. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein aus methanhaltigem Gas und freien Sauerstoff enthaltendem Gas bestehendes Gemisch verwendet, dessen Zusammensetzung oberhalb des Bereichs der Brennbarkeit liegt, und das aus dem Kulturmedium austretende methanhaltige Gas in

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Wärmeenergie umwandelt und die Wärmeenergie zur Deckung wenigstens eines Teils des Energiebedarfs der Fermentationsanlage ausnutzt.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß das methanhaltige Gas dem Kulturmedium in einer solchen Menge zugeführt werden kann, daß die durch Verbrennung des methanhaltigen Eestgases erzeugte Energie den gesamten Energiebedarf der Fermentationsanlage deckt.

Diese Menge kann für jede Kombination von Fermentationsbedingungen durch einfache Routineversuche empirisch ermittelt werden. Die Menge hängt von Faktoren wie dem auf Methan bezogenen Ausbeutefaktor der Prozeßkultur, der Zusammensetzung des verwendeten Gemisches von methanhaltigem Gas und freien Sauerstoff enthaltendem Gas und den Arbeitsbedingungen der Fermentationsanlage ab. Wenn beispielsweise als methanhaltiges Gas Methan selbst und als freien Sauerstoff enthaltendes Gas Luft verwendet wird und das Methan-Luft-Gemisch aus 16 Saumteilen Methan und 84- Räumt eil en Luft besteht, kann die dem Kulturmedium zugeführte Methanmenge das 1,75- bis 2,2$fache der Methanmenge betragen, die durch die Prozeßkultur verwertet wird.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß das Verfahren kontinuierlich mit kommerziell annehmbaren Wachstumsgeschwindigkeiten durchgeführt werden kann und das methanhaltige Gas dem Kulturmedium in einer solchen Menge zugeführt wird, daß die durch Verbrennung des methanhaltigen Restgases erzeugte Energie dem gesamten Energiebedarf der Fermentationsanlage entspricht. Die Fermentationsanlage besteht aus dem Fermenter und seinen Hilfseinrichtungen.

Es ist überraschend, daß es bei kontinuierlichem Betrieb mit kommerziell annehmbaren Wachstumsgeschwindigkeiten

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möglich ist, die Fermentationsbedingungen so einzustellen, daß die dem Fermentationsmedium zugeführte Menge an methanhaltigem Gas den Bedarf der Prozeßkultur deckt, während die durch das methanhaltige Restgas gelieferte Wärmeenergie dem gesamten Energiebedarf der Fermentationsanlage entspricht und damit ausgeglichen ist.

Die für die Fermentationsanlage insgesamt erforderliche Energie ist die Summe der Energie, die zum Betrieb des Fermenters und der Hilfseinrichtungen erforderlich ist, und der verlorenen Energie. Energie kann beispielsweise bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie verloren gehen. Ih der Praxis kann ein Teil der durch Verbrennung des methanhaltigen Bestgases erzeugten Wärmeenergie als solche für den Betrieb der Hilfseinrichtungen, z.B. von Sprühtrocknern, verwertet werden. Es ist jedoch zweckmäßig, einen größeren Teil der Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln, . die dann zur Versorgung des·größten Teils der Anlage mit Energie verwendet wird. " j

Die Fermentationsanlage erfordert Energie für Arbeitsgänge wie Herstellung des wässrigen Nährmediums, Pumpen, Luftverdichtung, Rühren, Kühlung des Fermenters einschließlich Tiefkühlung, falls erforderlich, Produktabscheidung und Konzentrierung sowie Trocknung des Produkts. - ·

Bei kontinuierlichem Betrieb mit technisch annehmbaren Produktionsraten unter Verwendung von Methan-Luft-Gemischen beträgt der Methananteil, der dem Kulturmedium zugeführt wird, normalerweise 16 Raumteile im Verhältnis zu 84- Raumteilen Luft. Zweckmäßig ist ein Verhältnis von Methan zu Luft im Bereich von 16 bis 4-0 Raumteilen Methan zu 84- bis 60 Raumteilen Luft.

Bei Verwendung von Erdgas-Luft-Gemischen beträgt das Yolumenverhältnis von Erdgas zu Luft in dem Gemisch, das dem Kulturmedium zugeführt wird, normalerweise 15 Baumteile Erdgas zu 85 Saumteilen Luft. Zweckmäßig ist ein Mengenverhältnis von I5 bis 40 Räumt eilen Erdgas zu 85 bis 60 Saumteilen Luft.

Das methanhaltige Hestgas kann leicht brennbar sein, jedoch sind in gewissen Fällen spezielle Arbeitsverfahren erforderlich, um es in Wärmeenergie umzuwandeln« Ob das Gas leicht brennbar ist oder nicht, hängt von Faktoren wie der Zusammensetzung des Gemisches von methanhaltigem Gas und säuerstoffhaitigern Gas und von den Fermentationsbedingungen ab. Die speziellen Methoden, die erforderlich sind, um das Gas brennbar zu machen, sind bekannt. Beispielsweise kann das Gas mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen, z.B. Methan, angereichert und dann in üblichen Anlagen verbrannt werden. Bei Verwendung einer Kombination aus Gasturbine und Generator zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie kann das heiße Abgas der Turbine beispielsweise z-ur Deckung des Wärmebedarfs des Produkttrockners, z.B. eines Sprühtrockners, ausgenutzt werden.

Die Prozeßkultur kann entweder einer Seinkultur von Methan verwertenden Mikroorganismen oder ein Gemisch von Methan verwertenden Mikroorganismen und Methan nicht verwertenden Mikroorganismen sein.

Vorzugsweise wird ein Methan verwertender Mikroorganismus verwendet, der eine innere Membran des Typs I oder II aufweist, wie von Whittenbury und Mitarbeitern in "The Journal of General Microbiology" (1970), Bd. 61, Seite 213_T beschrieben. Dieser Typ von Mikroorganismen wird in die Gruppen Methylomonas, Methylöbacter, Methylosinus und Methylococcus eingeteilt. Eine beson-

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ders geeignete Gruppe ist Methylococcus, die von Whittenbury in der vorstehend genannten Veröffentlichung beschrieben wird. Eine bevorzugte Spezies ist Methylococcus capsulatus. Diese Spezies wurde erstmals von J.W. Poster und H.H. Davis in J. Bacteriology 1966, Bd. 91, S. 1924, und später von Whittenbury und Mitarbeitern in J. Gen. Microbiology 1970, Bd. 61, S. 205, beschrieben. Der Foster-Stamm von Methylococcus capsulatus wurde bei der American Culture Collection hinterlegt, wo er die Nummer 19069 erhielt.

Der Methan verwertende Mikroorganismus kann nach einem bekannten Isolierungsverfahren für diesen Typ von Mikroorganismen erhalten werden. Geeignete Methoden werden von Sheehan und Johnson in "Applied Microbiology", Bd. 21, Nr. 3 (1971), S. 511-515, und von Whittenbury, Phillips und Wilkinson in The Journal of General Microbiology (1970), Bd. 61, S. 205-218, beschrieben.

Das Verfahren kann in bekannter Weise und unter Verwendung von Medien, die für die Züchtung von Methan verwertenden Mikroorganismen bekannt sind, durchgeführt werden.

Der pH-Wert des" Kulturmediums wird normalerweise im Bereich von 4,5 bis 8,0, vorzugsweise 5*5 bis 7,0 gehalten. Ein Alkali, z.B. Ammoniak, Ammoniumhydroxyd oder ein Alkalihydroxyd, z.B. Natriumhydroxyd, eignet sich zur Regelung des pH-Wertes. Bei Verwendung von Ammoniak oder Ammoniumhydroxyd kann dieses gleichzeitig als Stickstoffzelle für die Kultur dienen. Die Ammoniumkonzentration im Kulturmedium sollte nicht höher sein als 300 mg/1 und vorzugsweise im Bereich von 2 bis 100 mg/1 liegen. Vorzugsweise wird bei einem pH-Wert von etwa 6,5 und einer Temperatur von etwa 35 bis 50⁰C gearbeitet, besonders wenn Methylococcus capsulatus

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als Prozeßmikroorganismus verwendet wird.

Als methanhaltige Gase kommen "beispielsweise Methan selbst, Erdgas und "Feldgas" infrage.

Das Verfahren wird am vorteilhaftesten kontinuierlich durchgeführt. Die Bedingungen, unter denen das Verfahren durchgeführt werden kann, sind normalerweise selektiv für Methan verwertende Mikroorganismen. Es ist nicht wesentlich, die Fermentation aseptisch durchzuführen. Bevorzugt wird nicht-aseptisches Arbeiten hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen.

Es. ist ein Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung, daß es einen eingebauten Sicherheitsfaktor aufweist, da die Prozeßkultur mehr als 1 Mol Sauerstoff pro Mol des verwerteten Methans verbraucht. Demzufolge besteht von Natur aus die Tendenz für das Volumenverhältnis von Methan zu Sauerstoff im Fermentationsgas, zu steigen und sich somit weiter in den nicht brennbaren Bereich zu verschieben.

Ferner ist die Fermentation wirksamer als bei den vorstehend genannten bekannten Verahren, bei denen die Zufuhr des methanhaltigen Gases so begrenzt wird, daß •die Zusammensetzung des Gasgemisches und dem Bereich der Brennbarkeit gehalten wird.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel weiter erläutert.

Beispiel

Ein Fermenter, der mit einem Turbinenrührer mit sechs Schaufeln versehen ist und ein Arbeitsvolumen (d.h. bearbeitetes oder "begastes" Volumen des Kulturmediums) von 305 nr (Gesamvolumen 596 m^) hat, wird nicht-aseptisch und kontinuierlich bei einer Produk-409842/0919

tionsrate von täglich 10.000 kg (Trockengewicht) Proteinmaterial betrieben, wobei als Prozeßkultur das methanverwertende Bakterium Methylococcus capsulatus, Stamm ATCC 19069, verwendet wird, Kulturen des Stammes ATCC 19069 von Methylococcus capsulatus sind bei der American Type Culture Collection erhältlich.

Ein wässriges Nährmedium der nachstehend genannten Zusammensetzung wird in Stadtwasser hergestellt und in einer Menge von 34,3 m /Std. dem Kulturmedium

zugepumpt.	6H₂O	mg/1
Nährsalζ	2°	9,70
CuSO., · 5H_o0 H- £-	%)	25,4
ΤΑ_ΛΟΛ -^l iT /*\	%)	9,78
ZnSO.. · 7H_o0	Stadtwasser	1,63
MnSO₄-H₂O		301
K₂SO₄	574
MgSO₄-7H₂O	1,47
Co (N0_$)₂·	4,66
Na₂MoO₄-2H	51,2
H₂SO₄ (98	1218
H₃PO₄ (88	enthält K
Das verwendete

105 ppm Ca⁺⁺-Ionen.

Die zur Auflösung der Nährsalze und zur Auffüllung des Mediums erforderliche elektrische Energie beträgt 10 kW. Weitere 10 kW sind erforderlich, um das Nährmedium in das Kulturmedium zu pumpen.

Das als Hauptstickstoffquelle verwendete gasförmige Ammoniak wird dem Kulturmedium in einer Menge von 58 kg/Std^%. zugepumpt. Der pH-Wert des Kulturmediums wird durch geregelte Zugabe von 10%iger Natriumhydroxydlösung bei 6,5 gehalten.

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Dem Kultlirmedium wird Methan in einer Menge von 182? Nm⁵/Std. und Luft in einer Menge von 9593 zugeführt. Die zur Verdichtung des Methans und der Luft erforderliche elektrische Energie beträgt 1245 kW (199 bzw. 104-6 kW). - :

Das Kulturmedium wird mit 87 UpM gerührt. Die für den ßührermotor erforderliche Energie beträgt 535 kv¥. Das Kulturmedium wird bei 45 C gehalten, indem ein Strom des Kulturmediums durch einen äußeren wassergekühlten Plattenwärmeraustauscher umgewälzt wird. Die zum Pumpen des Kulturmediums und des Kühlwassers erforderliche Energie beträgt 85 kW.

Die Verdünnungsrate des Kulturmediums betrat 0,15 Std. und die Zelldichte 11,7 ^

Das Kulturmedium aus dem Fermenter wird einem Entgasungsgefäß zugeführt und in eine Batterie von drei hochtourigen Zentrifugen in einer Menge von 35»5 m / Std. gepumpt. Die elektrische Energie, die erforderlich istj um das Kulturmedium in die Zentrifugen zu pumpen, beträgt 5 kV/, und die Leistungsaufnahme der Zentrifugen betragt 135 kV/. Eine Creme, die die Prozeßkultur, enthält und einen Feststoffgehalt von 15 Gew.-% (Trockengewicht) hat, wird aus der Zentrifuge gewonnen und in einer Menge von 2778 kg/Std. zu einem Sprühtrockner gepumpt. Der Sprühtrockner wird bei einer Eintrittstemperatur des Gases von 35O°C und einer Austrittstemperatur von 105°C· betrieben. Das sprühgetrocknete _: Proteinmaterial wird dann durch einen Förderer einem Lagerbunker zugeführt, der eine intermittierend gespeiste Sackfüllanlage speist . Der Sprühtrockner erfordert eine 7/ärmeenergie von 2070 kW, während der Sprühtrockner, der Förderer, die Sackfüllanlage und andere verschiedene Pumpen 80 kW erfordern. Die insgesamt für die Fermentationsanlage erforderliche 409842/0919

Energie beträgt somit 2090 kW elektrische Energie und 2070 kW Wärmeenergie, während der Energieverlust 4880 kW beträgt. Der Energi ever lust tritt bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie auf. Die Wärmeenergie, die potentiell aus dem Methan verfügbar ist_t das dem Kulturmedium zugeführt wird,,beträgt 1826 χ 10 kW. Der durch die Prozeßkultur verwertete Anteil des Methans beträgt 50,5 %· Die Wärmeenergie aus dem methanhaltigen Bestgas vom Kulturmedium beträgt 9040 kW. Ein Teil des Bestgases wird einem direkt gefeuerten Lufterhitzer zugeführt, der die für den Sprühtrockner erforderliche Hitze liefert . Der Best wird in einer Gasturbine verbrannt, die einen Generator mit einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 30 % antreibt. Bei der Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie durch die Kombination von Gasturbine und Generator geht eine Energie von 4880 kW verloren. Das Bestgas ist nicht leicht brennbar, so daß es vor dem Verbrennen mit einem methanhaltigen Gas angereichert wird. Die elektrische Energie aus der Kombination von Gasturbine und Generator wird zum Betrieb der Fermen— tationsanlage verwendet.

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß das Verfahren unter Verwendung des dem Kulturmedium zugeführten Methans als einzige Energiequelle durchgeführt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1. Fermentationsverfahren zur Umwandlung von Methan in Proteinmaterial in einer Fermentationsanlage, wobei man einen Methan verwertenden Mikroorganismus in einem Kulturmedium, das ein wässriges Nährmedium enthält, in Gegenwart eines methanhaltigen Gases und eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases kultiviert, dadurch gekennzeichnet, daß man die Zusammensetzung des Gemisches aus methanhaltigem Gas und freien Sauerstoff enthaltendem Gas oberhalb des Bereichs der Brennbarkeit hält und das methanhaltige fiestgas aus dem Kulturmedium in Wärmeenergie umwandelt und die Wärmeenergie zur Deckung wenigstens eines Teils des Energiebedarfs der Fermentationsanlage ausnutzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Kulturmedium das metharihaltige Gas in einer solchen Menge zuführt, daß die durch Verbrennung des methanhaltigen Restgases erzeugte Wärmeenergie den gesamten Energiebedarf der Fermentationsanlage deckt.

3. Verfahren nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren kontinuierlich durchführt und das methanhaltige Gas dem Kulturmedium in einer solchen Menge zuführt, daß die durch Verbrennung des methanhaltigen Restgases erzeugte Wärmeenergie dem gesamten Energiebedarf der Fermentationsanlage entspricht.

4-, Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als methanhaltiges Gas Methan selbst und als Gas, das freien Sauerstoff enthält, Luft verwendet und das Methan und die Luft dem Kulturmedium in einem Volumenverhältnis von 16 bis 40 Raumteilen Methan zu 84- bis 60 Raumteilen Luft zuführt.

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5. Verfahren nach. Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als methanhaltiges Gas Erdgas und als Gas, das freien Sauerstoff enthält, Luft verwendet und das Erdgas und die Luft dem Kulturmedium in einem Volumenverhältnis von 15 his 4-0 Räumt eilen Erdgas zu 85 bis 60 Raumteilen Luft zuführt.