DE2525370B2

DE2525370B2 - Verfahren zum Aufarbeiten von durch Fermentation in Fermentern hergestellten Proteinen, die anschließend einer Trocknung unterworfen werden

Info

Publication number: DE2525370B2
Application number: DE19752525370
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. Erlenbach Mueller (Schweiz)
Original assignee: Fa Dr-Ing Hans Mueller Maennedorf (schweiz)
Current assignee: Chemap AG
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1975-06-06
Publication date: 1980-05-29
Also published as: JPS517191A; FR2273868A1; JPS5646823B2; DE2525370A1; DD118120A5; FR2273868B1; DE2525370C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von durch Fermentation in Fermentern aus Alkoholen, vorzugsweise aus Äthyl- oder Methylalkohol, hergestellten Proteinen, die anschließend einer Trocknung unterworfen werden.

Neuerdings werden Proteine mehr und mehr auf fermentativem Wege hergestellt. Es handelt sich um Bakterien, Hefen oder Pilze, deren hoher Proteingehalt sich für menschliche und tierische Nahrung eignet. Man nennt solche Proteine Einzellereiweiße bzw. »single cell proteins« oder S.C.P. Waren es früher vor allem Kohlenhydrate, welche als Kohlenstoffquelle für die Fermentation verwendet wurden, sind es heute mehr und mehr Paraffine, Äthylalkohol, Methanol und andere ähnliche Substanzen.

Es hat sich gezeigt, daß vor allem Äthyl- oder Methylalkohol sich zur Züchtung solcher Mikroorganismen eignen. Zu diesem Zweck werden solche Alkohole mit Wasser verdünnt und der Fermentation langsam zudosiert. Zu hohe Konzentration von Alkoholen verhindern das Wachstum der Zellen.

Nach der Fermentation muß die Biomasse abgetrennt und getrocknet werden. Die Eindickung, d. h. Abtrennung erfolgt durch Separierung in hochtourigen Separatoren oder eventuell in Filtrationsanlagen. Je nach Art des verwendeten Mikroorganismus beträgt die Konzentration 20-50 g Trockenmasse pro Liter. Separatoren können nun diese Konzentration auf 160-200 g pro Liter anreichern, wobei die wässerige Phase direkt in die Vorfluter geleitet - oder aber teilweise in die Fermenter rezirkuliert wird.

Die 16- bis 20%ige Biomasse, welche nun eine cremeförmige Konsistenz aufweist, wird anschließend eingedickt, d. h. in Trocknungsapparaten zu Trockenmasse getrocknet.

Diese Trocknung, bei welcher pro kg erzeugter Trockensubstanz 5-7 kg Wasser verdampft werden müssen, ist insofern teuer, als große Anlagen erstellt werden müssen und je nach Art der Trocknung (Trommeltrockner, Zerstäubungstrockner) pro kg verdampftes Wasser 1,5-2,5 kg Dampf verbraucht werden. Diese Trocknung belastet die Kosten des Endproduktes einerseits mit großen Amortisationen, andererseits mit großen, laufenden Dampfkosten.

Bei der Herstellung von Hefe auf der Basis von Methanol als einziger Kohlenstoffquelle (FR-OS 2 006 235), die unmittelbar in den Fermenter eingeleitet wird, wird die Biomasse auf diese Weise nach Waschung mit Wasser durch Zentrifugieren und/oder Filtration sowie anschließende Trocknung aus dem aus dem Fermenter abgezogenen Produkt gewonnen. Diese Entwässerung ist apprativ und energetisch aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein energiesparendes Verfahren zur Aufarbeitung von durch Fermentation aus Alkoholen, vorzugsweise aus Äthyl- oder Methylalkohol, hergestellten Proteinen und eine Möglichkeit zur möglichst vollständigen Ausnutzung der Trocknerabluft bezüglich Sauerstoff und Alkoholgehalt anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Aufarbeitung von durch Fermentation in Fermentern aus Alkoholen, vorzugsweise aus Äthyl- oder Methylalkohol hergestellten Proteinen, die anschließend einer Trocknung unterworfen werden, gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der für die Fermentation einzusetzende Alkohol zunächst dazu verwendet wird, um die aus den Fermentern abgetrennte, eingedickte Biomasse durch Austausch resp. Auswaschung mit Alkohol vom Wasser teilweise zu befreien und daß anschließend alle alkoholhaltigen Wasser und Kondensate sowie die Trocknerabluft in den Fermenter eingeleitet werden.

Bei den durchgeführten Fermentationen dienten Äthyl- und/oder Methylalkohol als einzige Kohlenstoffquelle. Es hat sich so gezeigt, daß die beispielsweise durch Separatoren eingedickte Biomasse mit dem für die Fermentierung zu verwendenden Alkohol

»ausgewaschen« werden kann. Das in der Biomasse vorliegende Wasser wird durch den Alkohol extrahiert, d. h. ausgetauscht. Da ja ohnehin der Alkohol vor der Fermentierung mit Wasser au; 10-20% verdünnt werden muß, ist diese Alkoholauswaschung der Biomasse ohne speziellen Aufwand möglich. Der Alkohol braucht also nicht destilliert zu werden, sondern wird lediglich mit Wasser auf die gewünschte Konzentration eingestellt, bevor er in die Fermentierung geht. Eventuelle Vitamine und andere Wuchsstoffe (freie Aminosäuren), die durch die Waschung in den Alkohol gelangen, sind für die Fermentierung vorteilhaft.

Die alkoholische Biomasse kann nun viel leichter auf Separatoren und sogar auf Filtern weiter verarbeitet werden. Sie liegt in »krümeliger« Form vor, läßt sich leicht filtrieren, und der überschüssige Alkohol kann mit wenig überhitztem Dampf ausgeblasen, kondensiert und ebenfalls in die Fermentierung geführt werden.

Es wurde weiter gefunden, daß bei dem beschriebenen Verfahren nicht nur die alkoholhaltige Flüssigkeit in die Fermentieranlage eingeleitet werden kann, sondern auch die Trocknungsluft aus den Trocknern. Es ist einleuchtend, daß diese Trocknungsluft nicht nur das Restwasser aus der eingedickten Biomasse mitführt, sondern auch den restlichen Alkohol von der Verdünnung resp. Auswaschung.

Je nach der Art des zum Einsatz gebrachien Trocknungsapparats (Zerstäubungstrockner, Wirbelbett-Trockner, Trommeltrockner, Heißlufttrockner, Direktrockner mit Brüdenabsaugung etc.) ist die Luftmenge verschieden, welche für die Trocknung von 1 kg Biomasse benötigt wird.

Auch in Trocknungsapparaten mit einem relativ großen Luftverbrauch entspricht die Luftmenge ungefahr der Luftmenge, welche für die Fermentation benötigt wird.

Das Verfahren hat zudem noch den Vorteil, daß im Fermenter nicht nur der restliche Alkohol aus der Luft ausgewaschen und demzufolge wiedergewonnen wird für die Fermentation, sondern daß im Fermenter durch das »Auswaschen« der Luft viele Stoffe absorbiert werden, welche bei der Trocknung eine Luftverschmutzung erzeugen könnten.

Wenn es sich bei der Trocknung um Apparate handelt, die bei relativ kleinem Luftdruck oder drucklos arbeiten, wird die aus dem Trocknungsapparat ausströmende Lisft abgesaugt und durch Kompression in den Fermenter zurückgeführt. Die Abkühlung der Luft kann mit dem Kühlwasser der Fermentieranlage erfolgen, bevor sie in den Fermenter eintritt. Bei der Kompression eventuell ausgeschiedene Flüssigkeit (Alkohol-Wasser) wird ebenfalls in den Fermenter geführt.

Die normalen Staubverluste aus den Trocknungsanlagen fallen beim beschriebenen Verfahren weg, wenn die Abluft im Fermenter ausgewaschen wird.

Das ganze Verfahren bildet also ein in sich geschlossenes System mit totalem Recycling der Luft und Flüssigkeit. Das Verfahrensoll an zwei Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1 (Fig. 1)

Die im Fermenter 1 erzeugte Biomasse wird über einen Separator 2 abgetrennt. Die abgetrennte Flüssigkeit wird über eine Leitung 3 dem Kanalsystem zugeleitet. Die Biomasse geht in einen Behälter 4 und wird dort mit Alkohol resp. Methanol über die Leitung 5 versetzt und vermischt. Über eine Trennvorrichtung 6, die ein Separator oder Filter sein kann, wird die Alkohoi/Wasser- resp. Methanol/Wasser-Miscbung von der Biomasse abgetrennt und dem Fermenter 1 über die Leitung 7 zugeführt. Die nun krümelige Biomasse wird über die Leitung 8 in einer Vorrichtung 9 zugeführt und dort vom Restalkohol befreit, der kondensiert und gleichfalls dem Fermenter über die Leitung 10 zugeleitet wird. Der Vorrichtung 9 kann beispielsweise Dampf über eine Leitung 11 zugeführt werden. Das Trockenprodukt wird über die Leitung 12 ausgetragen.

Das Alkohol- oder Methanol-Auswaschverfahren hat noch den Vorteil, die schmierige, wäßrige Biomasse zu koagulieren, wobei der günstigste pH-Wert eingestellt werden muß.

Die Auswaschung der wässerigen Biomasse mit Alkohol resp. Methanol kann im Gegenstrom-Verfahren auf geeigneten Apparaten erfolgen, so daß nur noch Spuren von Wasser in der Biomasse verbleiben. Durch Osmose geht auch das Zellwasser in den Alkohol über, so daß praktisch kein Wasser mehr bei der Trocknung verdampft werden muß.

Beispiel 2 (Fig. 2)

Das Verfahren soll als Variante anhand von Fig. 2 beschrieben werden. Es handelt sich hierbei um eine Hefefermentierung, bei welcher Methanol als Kohlenstoffquelle benutzt wird.

In einem Fermenter 1 von 100m' Nutzvolumen, welcher mit oder ohne Rührwerk 13 ausgebildet sein kann, wird mit einer Produktivität von 4 kg Trockensubstanz Biomasse pro Stunde und pro m' aus Methanol gearbeitet. Dies entspricht 400 kg Trockenhefe pro Stunde. Dazu wird die 2,5fache Menge Methanol als Kohlenstoffquelle benötigt, d.h. 1000kg pro Stunde. Die Salze werden aus Gefäß 14 zudosiert. Im Separator 2 wird kontinuierlich die im Wasser (Substrat) aufgeschlemmte Hefe abgezogen und auf ca. 20%ige Biomasse eingedickt. Im Biomassebehälter 4 wird nun das Methanol aus Tank 5' über die Leitung 5 zugesetzt, und zwar auf 1 kg Trockenmasse gerechnet 2,5 kg Methanol. Die Zusammensetzung im Biomassetank 4 ist also:

1 kg Hefetrockensubstanz
4 kg Wasser

2,5 kg Methanol

Auf dem Filter 6' wird nun so weit eingedickt, daß die Hefekonzentration 30-40% beträgt, was leicht möglich ist, da sich mit Methanolzusatz leicht filtrieren läßt.

Die Zusammensetzung nach dem Filter ist demzufolge:

ca. 1,2 kg Wasser
0,8 kg Methanol
1 kg Hefe

Diese Masse wird unter Temperatur in einer Apparatur 15 autolysiert und verflüssigt und auf den Trockner 16 gegeben.

Da die Produktion 400 kg Trockenhefe beträgt, müssen also stündlich

1,2 X 400 = 480 kg Waser

+ 0,8 X 400 = 320 kg Methanol
verdampft werden.

Da Methanol eine Verdampfungswärme von ca. '/, des Wassers aufweist, müssen auf Wasser umgerech^: net ca. 640 kg verdampft werden.

Wenn man mit einem Zerstäubungstrockner rech-

net, welcher in der Lage ist, 640 kg/h Wasser zu verdampfen, muß dieser ein Luftdurchsatz von ca. 400-450 mVmin Luft aufweisen oder bei erhöhter Temperatur 300-350 m'/min.

Da für eine Produktivität von 4 kg/m'/h Methanol mit 3 vvm Luft gerechnet werden muß im Fermenter, entspricht dies bei 100 m¹ Fermentervolumen 300 nrVmin, d. h. genau der in einem guten Gas-Trockner notwendigen Luftmenge.

Anstelle des Zerstäubungstrockners 16, der in diesem Beispiel erwähnt ist, können auch Trockner verwendet werden, welche weniger Luft benötigen. So können auch Walzentrockner eingesetzt werden, bei welchen durch direkte Wärme getrocknet wird. Hier werden die Brüden mit relativ wenig Luft abgesaug und in den Fermenter geführt.

Die Luftansaugung vom Trockner 16 kann direk durch einen Kompressor 17 erfolgen, welcher die Luf ■ in den Fermenter 1 preßt. Eventuell entstehende! Kondensat wird in 18 gesammelt und in den Fermen ter gepumpt. Die aus dem Trockner 16 kommendt Luft wird mit dem Fermenter-Kühlwasser gekühlt.

Die Einsparung an Trocknungsenergie beträgt ca " 70-80%.

Das so erzeugte alkohol- resp. methanolfeuchU Produkt läßt sich nicht nur leicht auspressen, sonderr auch mit Dampf strippen, um alle Reste von Alkoho zu entfernen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufarbeitung von durch Fermentation in Fermentern aus Alkoholen, vorzugsweise aus Äthyl- oder Methylalkohol, hergestellten Proteinen, die anschließend einer Trocknung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Fermentation einzusetzende Alkohol zunächst dazu verwendet wird, um die aus den Fermentern abgetrennte, eingedickte Biomasse durch Austausch resp. Auswaschung mit Alkohol vom Wasser teilweise zu befreien, und daß anschließend alle alkoholhaltigen Wasser und Kondensate sowie die Trocknerabluft in den Fermenter eingeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Wassers gegen Alkohol durch Separierung über Zentrifugen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Wassers gegen Alkohol durch Sedimentation im Gegenstrom erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Wassers gegen Alkohol durch Anrühren und anschließende Filtration erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die alkoholhaltige Biomasse anschließend an den Austausch durch Pressung vom größten Teil des Alkohols befreit wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die alkoholhaltige Biomasse anschließend mit Dampf vom Restalkohol befreit wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die alkoholhaltige Biomasse durch Erhitzen vom Alkohol befreit wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Wassers gegen Alkohol bei erhöhter Temperatur erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Restverdampfung des Alkohols im Vakuum unter Verwendung der Abwärme des Fermenters erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse mit Lauge gelöst, mit Säure gefällt, filtriert oder separiert und mit Alkohol gewaschen und anschließend getrocknet wird.