DE2538839C3 - Verfahren zur Herstellung einer Biomasse - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer BiomasseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Pantentanspruchs.
Es sind Verfahren zur Herstellung einer Biomasse durch Züchtung von Mikroorganismen-Mischkulturen
unter Belüftung, Ausnutzung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffquelle, beispielsweise
Methan, Erdgas, Verwendung von Standard-Nährmedien, beispielsweise Buschnell-Haas, Kaserer,
R i d e r u. a. m, sowie bekannter wäßriger Nährmedien, welche die wesentlichen Nährstoffquellen wie Stickstoff,
Phosphor, Magnesium, Kalium und Mikroelemente in Form anorganischer oder organischer Verbindungen
enthalten, bekannt (siehe SU-PS 2 65 044, FR-PS \5 54 353).
1) Dabei erhält man im periodischen Prozeß in 38stündigem Kultivieren einer Mischkultur, bestehend
aus Pseudomonas, Mycobacterium und Bacillus, 1,2 g trockene Biomasse/l;
2) unter kontinuierlichen Bedingungen beim Kultivieren einer Mischkultur, bestehend aus Pseudomonas
methanica und Mycobakterium methanica, bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,05St"1 beträgt die
Konzentration der trockenen Biomasse 33 g/l. Somit wachsen die bekannten Mischkulturen unter Methanatmosphäre
langsam und gewährleisten nicht eine genügend hohe Konzentration der Biomasse.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mikroorganismenkultur aufzufinden, die es möglich
macht, unter Belüftung auf bekannten Nährmedien die Ausbeute an Biomasse zu steigern.
Die gestellte Aufgabe wurde durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.
In der US-PS 38 16 252 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Umwandlung von Methan in proteinhaltiges
Material beschrieben, wobei ein methanverbrauchender Mikroorganismus, nämlich Methylococcus
capsulatus kontinuierlich unter einer Produktionsleitung von mindestens 0,81 (Trockengewicht) Mikroorganismus
pro Liter/Stunde in einem wäßrigen Nährmedium, enthaltend Meersalze, und Ammoniumionen in Gegenwart
von Methan und eines Gases, enthaltend freien Sauerstoff, durchgeführt wird, wobei man ein wäßriges
Nährmedium der Nährbrühe zugibt und die Brühe bei einem pH im Bereich von 4,5 bis 8 hält und die
Ammoniumionenkonzentration im Bereich von 2 bis 100 mg pro Liter beträgt.
Das Verhältnis der Konzentration der Biomasse zu der der Salze während der Züchtung der Mikroorganismen
von 1 :1 bis 1 :4 gewährleistet erfindungsgemäß eine O2-Verwertung von 0,4 (in der US-PS 38 16 252
dagegen nur 0,21).
Die kontinuierliche Umwandlung von CH4 zu
Proteinen erfolgt unter konstanten Bedingungen bei einer Leistung von mindestens 1,6 kg absolut trockene
Substanz/m3 · Stunde (in der US-PS nur 0,81 kg).
jo Die kontinuierliche Züchtung erfolgt mit Erdgas, enthaltend S-Verbindungen (Mercaptane).
Die Einführung fakultativer Mikroorganismen in die gemischten obligaten Kulturen ermöglicht die Verringerung
der inhibierenden Wirkung einiger Stoffwechsel-
j5 produkte bei den obligaten methylotrophen Mikroorganismen
und somit eine Steigerung der Biomasse, bezogen auf das Substrat um ca. 30% und der
Konzentration der Biomasse während der Züchtung auf 25 g absolute Trockensubstanz pro Liter.
4n Die Erfindung macht es möglich, im periodischen Züchtungsverfahren in 30 bis 40 Stunden eine
Konzentration der trockenen Biomasse in einem Bereich von 35 bis 40 g/I zu erzielen und bei
kontinuierlicher Arbeitsweise die Durchflußgeschwindigkeit auf 0,16St-' bei einer Konzentration der
trockenen Biomasse im Bereich von 9 bis 11 g/l zu steigern.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet eine gleichbleibend hohe Ausbeute an Biomasse sowie eine
hohe Qualität der Biomasse mit einem Gehalt an Rohprotein bis 75%, einschließlich sämtlicher wichtiger
Aminosäuren, beispielsweise Methionin bis 3%, Lysin bis 7%, bezogen auf das Rohprotein, Vitamin Bt2 bis
12 mg/kg, Bi 40 mg/kg, B2 75 mg/kg (umgerechnet auf
absolut trockene Substanz).
Die obengenannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens können nicht erzielt werden, wenn man das
genannte Verhältnis der Konzentration der Biomasse und der Konzentration der in dem Nährmedium
enthaltenen Salze nicht einhält. Eine Steigerung der Konzentration der Salze um mehr als vier Male führt zu
einem Inhibieren des Prozesses und zur Senkung der Konzentration der Biomasse.
Die Veränderung der Ausbeute an Biomasse in
μ Abhängigkeit von dem Verhältnis der Konzentration
der Biomasse und der Konzentration der Salze in dem Nährmedium ist in der nachsiehenden Tabelle veranschaulicht.
Ausbeute an Biomasse in g absolut trockene Substanz
Verhältnis der Konzentration der Biomasse zur
Konzentration der Salze
in der Nährlösung
OSt,
10 Su
20St.
30 St.
40St.
65 St.
1:1
1 :2
1 :3
1 :4
1 :5
1 :6
5.0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
10,5
H.O
14,0
7,0
5,0
5,0
| 15,6 | 15,8 | 20,5 | 25,0 |
| 16,0 | 20,0 | 18,0 | 12,0 |
| 9,0 | 12,0 | 8,5 | 5,0 |
| 5,5 | 6,0 | 5,0 | |
| 5,0 | 5,0 | ||
In der Tabelle ist gezeigt, daß beim Züchten der Bakterien-Mischkultur 1—70 auf Nährmedien mit
einem Verhältnis der Konzentration der Biomasse zur Konzentration der Salze im Nährmedium von 1 bis 4
eine Konzentration der trockenen Biomasse bis 25 g/l in 40 Stunden erreicht wird.
Beim Züchten der Bakterien-Mischkultur 1 —70 auf einem Medium, -das die Konzentration der Biomasse um
das 5- bis 6fachc während der gleichen Züchtungsdauer übersteigt, erhält man nur 5 bis 12 g/l trockene
Biomasse.
Die obengenannte Bakterien-Mischkultur 1 —70 ist in der Sammlung des Moskauer wissenschaftlichen Forschungsinstituts für Biosynthese von Eiweißstoffen der
UdSSR deponiert und stellt ein symbiotisches Gemisch der vier Mikroorganismen Methylococcus capsulatus,
Methylosinus sporium var. incoloratus, Methylosinus
trichosporium variant rosaceus und Flavobacterium gasotypicum dar.
Die Kulturen der Mikroorganismen besitzen folgende morphologische und Kultureigensciiaften.
Kokken von 1,4 bis 2 μιη Durchmesser, Diplokokken.
Bilden keine Rosetten. Die Kultur bildet ein Ruhestadium vom Typ unreifer Zysten von Azeotobaceter. Die
Zysten sind geneigt zu refraktieren. Die Zellen sind unbeweglich, gramnegativ, nichtpathogen, bilden kein
Pigment. Der Methanbedarf ist obligat, wächst gut auf flüssigem mineralischem Medium in der Atmosphäre
von Methan, entwickelt sich auf Fleisch-Pepton-Agar und anderen reichen organischen Medien nicht, wächst
auf einem Medium mit 1% Methanol nicht; bevorzugt als Stickstoffquelle die Ammoniumform von Stickstoff.
Die Wachstumstemperatur beträgt 30 bis 42° C.
1,2 bis 0,7 μιη große Stäbchen, vibrioid, knospenbildend. Das Ruhestadium sind Exosporen in Form eines
Bläschens an dem dem begeißelten Pol gegenüberliegenden Pol. Das Anfangsstadium der Sporulation ist
vibrioid. Die Zellen sind gramnegativ, bilden Rosetten, Kapseln, beweglich im jungen Alter.
Dia Farbe der Kolonien ist weiß, bildet kein wasserlösliches Pigment. Die Kolonien sind bis 2 mm
groß, dicht, gewölbt, glatt, der Rand ist gleichförmig. Die Kultur ist nicht pathogen.
Die Bakterien wachsen obligat auf Methan, wachsen auf einem Medium mit 1% Melhänöl Und auf reichen
organischen Medien (Fleisch-Pepton-Agar und Würzeagar) nicht.
Die Kultur verwertet besser die Ammoniumform des Stickstoffes; wächst auf dem Nährmedium ohne
Stickstoff nicht. Die Wachstumstemperatur beträgt 33° C.
24,0
12,0
j Γ) Methylosinus trichosporium variant rosaceus
2 bis 3,5 χ 1 μιη große Stäbchen bilden Rosetten. Das
Ruhestadium sind Exosporen. Das Anfangsstadium der Sporulation ist birnenförmig. Die Zellen sind im jungen
Alter beweglich, gramnegativ, die Kultur ist nicbtpathojo gen. Das Pigment der Kolonien ist schwach rosafarben,
bildet kein wasserlösliches Pigment
Die Kultur stirbt nicht ab beim Fehlen von Methan, braucht nicht häufig überimpft zu werden.
Der Methanbedarf ist obligat, wächst auf reichen 2-j organischen Nährmedien und auf einem Medium mit
0,1% Methanol nicht; verwertet die Ammoniumform der Stickstoffquelle; entwickelt sich auf dem Nährmedium ohne Stickstoff nicht; wächst gut bei einer
Temperatur von 30 bis 32° C.
Die 2- bis 6tägige Kultur bildet beim Wachstum auf dem mineralischen Nährmedium Buschnell-Haas mit
Methan einzelne unbewegliche 1,5 bis 3 χ 0,6 μπι große
j-, Stäbchen, die keine Verzweigungen bilden.
Auf Kartoffel-Nährmedium sind in der eintägigen Kultur die Zellen langer, leicht gekrümmt, mit
Abmessungen 3 bis 4 χ 0,6 μπι, seltener bis 7 μπι Länge.
In der fünftägigen Kultur werden auf diesem Nährmedi-
4i) um die Zellen kürzer und dicker, ,liegen paarig oder
selten in Ketten, gramnegativ, nicht säurebeständig. Die Kolonien auf mineralischem agarisiertem Nährmedium
mit Methan sind rundlich mit gleichförmigem Rand, gewölbt, glatt, von 03 mm Durchmesser, dicht, zunächst
Vi cremefarben, werden dann hellgelb; wächst auf
Nährmedium mit Äthanol und auf reichen organischen Medien, wächst nicht auf dem Medium mit 0,1 bis 1%
Methanol. Die Kultur verwertet die höher stehenden Homologen von Methan: Äthan, Propan-Butan-Frak
tion.
Wächst gut auf dem Medium mit Glucose und auf dem Kohleagar. Auf dem Fleisch-Pepton-, Hefe- und
Boden-Agar wächst schwach am siebenten Tag, auf dem Kartoffel-Agar nach 20 Stunden.
T> Die Konsistenz auf dem Nährmedium mit Glucose ist
schleimig, auf den übrigen Nährmedien pastenartig. Das Pigment ist auf allen Nährmedien hellgelb, außer dem
Hefe-Agar, auf dem es nicht gebildet wird, verändert die Farbe des Mediums nicht, verflüssigt die Gelatine nicht,
bo verändert die Milch nicht, reduziert Nitrate zu Nitriten,
bildet Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Indol nicht.
Wächst auf Galactose, Saccharose, Dextrin ohne Bildung von Säure: bildet Säure beim Wachstum auf
Glucose, Arabinose, Maltose und schwach auf Mannit,
b5 wächst auf Lactose nicht.
Wächst gut auf Äthanol und wächst nicht auf Methanol, verwertet schwach die Salze der Essigsaure,
Propionsäure, Oxalessigsäure, Zitronensäure, Apfclsiiu-
re, Oxalsäure und Valersäure, wächst nicht auf den
Salzen der Ameisensäure,
Die Mischkultur der Bakterien 1-70 wurde im kontinuierlichen Kultivierungsprozeß aus einem Gemisch
von vier besonders wirksamen Speicherkulturen, s früher aus Naturproben erhalten, abgetrennt. Die
Abtrennung wurde bei einer allmählichen Steigerung der Durchflußgeschwindigkeit von 0,025St-' auf
0,2St-1 durchgeführt. Dabei wurde eine nach der
Artzusamnensetzung und gegen eine Veränderung der ι ο
AuQenbedingungen der Kultivierung beständige physiologisch wirksame Kultur 1 —70 erhalten, die fähig ist,
unter nichtsterilen Bedingungen mit genügend hoher Wachstumsgeschwindigkeit zu wachsen, sich zu entwikkeln
und eine Produktivität von nicht weniger als 1,6 g/l · St zu gewährleisten.
Die genannte Bakterienkultur 1—70 ist unter nichtsterilen Bedingungen der Kultivierung gegen
Infektion beständig und weist eine Wachstumsgeschwindigkeit auf, die um mehrere Male die Wachstums- 2u
geschwindigkeit der einzelnen aus dieser als Reinkultur abgetrennten Stämme übersteigt.
Das Verfahren wird praktisch wie folgulurchgeführt.
Die genannte symbiotische Mischkultur 1 —70 züchtet
man unter den Bedingungen der Belüftung auf einem Nährmedium, welches als Kohlenstoffquelle gasförmige
Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, Erdgas, sowie eine Stickstoffquelle (Ammoniak, Ammoniumsulfat),
eine Phosphorquelle (Phosphorsäure, Superphosphatauszug, Kaliummonophosphat und Kaliumdiphosphat,
Ammoniumrohphosphat) enthält. Als anorganische Verbindungen können dem Nährmedium Magnesiumsulfat,
Kaliumsulfat, Kaliumchlorid, Kupfersuifat, Mangansulfat, Zinksulfat und andere für das Wachstum
der Mikroorganismenzellen notwendige Metallsalze sowie Orthoborsäure zugesetzt werden. Während der
Züchtung hält man das Verhältnis der Konzentration der sich bildenden Biomasse und der Konzentration der
genannten Salze in einem Bereich von 1 :1 bis 1 : 4.
Die Züchtung der obengenannten Kultur wird bei einer Temperatur von 30 bis 38° C und einem pH-Wert
von 5 bis 7,0 durchgeführt. Als Kohlenstoffquelle können gasförmige Kohlenwasserstoffe, beispielsweise
Methan, Erdgas, verwendet werden, die man in das Nährmedium in Gemisch mit Luft in einem Verhältnis 4-,
von 1 :1 bis 1 :8 einleitet. Die Biomasse trennt man aus
dem Kulturmedium nach einem beliebigen bekannten Verfahren ab.
Die Züchtung der genannten Kultur kann sowohl nach der periodischen als auch nach der kontinuierlichen
Arbeitsweise durchgeführt werden.
Das Fertigprodukt stellt eine nichttoxische bakterielle Ma\.se dar, die bis 75% Eiweiß enthält, einschließlich
sämtlicher wesentlicher Aminosäuren, darunter Methionin bis 3%, Lysin bis 7%, bezogen auf das Rohprotein, si
Vitamin Bi2 bis 12 mg/g, B( 40 mg/kg, B2 75 mg/kg,
umgerechnet auf absolut trockene Substanz. Dieses Fertigprodukt kann in der Landwirtschaft als Futterzusatz,
in der Nahrungsmittelindustrie für die Herstellung von Aminosäuren, Fermenten, im Bergbau zum bo
Einleiten in das Flöz zur Senkung des CH4-Gehaltes in der Grube, in der Textilindustrie als Zusätze zu den
entsprechenden Materialien zwecks Verbesserung der Qualität der Massenbedarfsartikel und in anderen
Zweigen der Volkswirtschaft eine breite Verwendung finden.
Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beisoiele erläutert.
In einen Fermenter von 10 Liter Fassungsvermögen
mit Ejektorsystem zur Belüftung leitet man 6 Liter Nährmedium ein, welches in 1 Liter Wasser 8,4 g
(NH4J2SO4; 1,4 g HiPO4; 0,3 g MgSO4; 0,75 g KCI;
0,0048 g ZnSO4 ■ 7 H2O; 0,02 g MnSO4 · 4 H2O; 0,008 g
CuSO4 · 5 H2O; 0,0043 g H3BO3 enthält. Den pH-Weri
des Mediums hält man selbsttätig durch kontinuierliche Zugabe 10%iger NaOH-Lösung auf 6,7. Die Temperatur
des Prozesses beträgt 33° C.
Ein Gemisch von Erdgas mit Luft bei einem Verhältnis von 1 :3 wird in einer Menge von 1,0 l/l · min
dem Fermenter kontinuierlich zugeführt und das nichtverwertete Gasgemisch aus dem Fermenter
herausgeleitet. Das Nährmedium in dem Fermenter beimpft man mit der Bakterien-Mischkultur 1—70 in
einer Menge von 5 g/l.
Als Inokulat dient die in vorhergehenden Versuchen erhaltene Biomasse. Das Gewichtsverhältnis zwischen
der Konzentration der Biomasse :;nd der Konzentration der genannten Salze beträgt 1 :3.
Die Ausgangskonzentration der Biomasse in dem Fermenter beträgt 5 g/l. Nach 20 Stunden des
periodischen Kultivierens erhält man 20 g/: trockene Biomasse mit einem Eiweißgehalt von 70%.
In einen Fermenter von 10 Liter Fassungsvermögen, der dem in Beispiel 1 beschriebe^n analog ist, leitet
man 6 Liter Nährmedium ein, welches in 1 Liter Wasser 5,66 g (NH4J2SO4; 0,87 g H3PO4; 0,2 g MgSO4; 0,5 g KCl;
0,0029 g ZnSO4 · 7 H2O; 0,014 g MnSO4 · 4 H2O;
0,0054 gCuSO4 · 5 H2O; 0,0029 g H3BO3 enthält
Während der Fermentation wird kontinuierlich die Zufuhr eines Gemisches von Erdgas und Luft in einer
Menge von 1,01/1 · min in einem Verhältnis von 1 :3,
das Herausleiten des nichtverwerteten Gasgemisches, die Zufuhr der Nährsalze und das Herau-.leiten der
Bakteriensuspension aus dem Fermenter vorgenommen. Man hält in dem Fermenter den pH-Wert durch
kontinuierliches Zuführen 10%iger NaOH-Lösung auf 6,7. Die Kultivierungstemperatur beträgt 33°C, die
Ausgangskonzentration der Biomasse der genannten Bakterien Mischkultur 1—70 in dem Fermenter 10 g/l
Trockensubstanz. Das Verhältnis zwischen dir Konzentration
der Biomasse und der Konzentration der genannten Salze beträgt 1:1. Nach 1 bis 2 Stunden
Züchten der Kultur nach der periodischen Arbeitsweise beginnt man die kontinuierliche Züchtung mit einer
Durchflußgeschwindigkeit des Mediums von 0,13St"1
bei einer Konzentration der Biomasse von 11 g/l (trockene Biomasse) mit einem Eiweißgehalt von 73%.
In einen Fermenter von 200 Liter Fassungsvermögen mit einem Ejektorsystem zum Belüften feitet man 100
Liter Nährmedium der im Beispiel 2 angeführten Zusammensetzung ein und beimpft dieses mit der
genannten Mi-.chkultur 1 —/0 in einer Menge, die einer
Ausgangskonzentration der trockenen Biomasse im Fermenter von 5 g/l entspricht. Dem Fermenter führt
man 1,01/1 · min ein Gasgemisch, bestehend aus 25% Erdgas und 75% Luft, zu. Die Fermentationstempel atur
beträgt 33°C, den pH-Wert hält man durch Zugabe
10%iger NaOF Lösung auf 6,7. Das Gewichtsverhältnis der Konzentration der Biomasse und der Konzentration
der Salze beträgt 1 :2. Im periodischen Prozeß erreicht
die Konzentration der Biomasse während 5 Stunden 10 g/l. Danach beginnt man die kontinuierliche Kultivierung
zunächst mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,05St-' und erhöht dann die Durchflußgeschwindigkeit
auf 0,13St1. wobei die Konzentration der
trockenen Biomasse 11 bis 12 g/l beträgt.
Die Zusammensetzung der erhaltenen Biomasse ist
Die Zusammensetzung der erhaltenen Biomasse ist
wie folgt. Gehalt an Aminosäuren in %, bezogen auf das Rohprotein: Lysin 7,3; Hystidin 1,5; Arginin 5,0;
Asparginsäure 7,6; Threonin 3,9; Serin 3,3; Glutaminsäure 10,0; Prolin 5,8; Glycin 5,4; Alanin 6,0; Zysteinsäure
0,7; Valin 5,3; Methionin 2,5; Isoleucin 4.2; Leucin 7,8; Phenylalanin 3,5; Tryptophan 2,4.
Claims (1)
- Potentanspruch:Verfahren zur Herstellung einer Biomasse durch Züchten von Mikroorganismen-Mischkulturen unter Belüftung auf einem wäßrigen, mineralischen Nährmedium, welches gasförmige Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoffquelle, Quellen von Stickstoff, Phosphor, Kalium, Magnesium und Mikroelemente in Form entsprechender Salze enthält und wobei das in Verhältnis zwischen der Konzentration der Biomasse und der Konzentration der genannten Salze während des Prozesses im Bereich von 1:1 bis 1:4 gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß man als Mikroorganismen-Mischkultur die Bakterien-Mischkultur 1—70, hinterlegt am Moskauer wissenschaftlichen Forschungsinstitut für Biosynthese von Eiweißstoffen der UdSSR, einsetzt.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2538839A DE2538839C3 (de) | 1975-09-01 | 1975-09-01 | Verfahren zur Herstellung einer Biomasse |
| CS6058A CS173651B1 (de) | 1975-09-01 | 1975-09-05 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2538839A DE2538839C3 (de) | 1975-09-01 | 1975-09-01 | Verfahren zur Herstellung einer Biomasse |
| CS6058A CS173651B1 (de) | 1975-09-01 | 1975-09-05 |
Publications (3)
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|---|---|
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| DE2538839B2 DE2538839B2 (de) | 1978-07-20 |
| DE2538839C3 true DE2538839C3 (de) | 1979-03-29 |
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ID=25746301
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE2538839A Expired DE2538839C3 (de) | 1975-09-01 | 1975-09-01 | Verfahren zur Herstellung einer Biomasse |
Country Status (2)
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|---|---|
| CS (1) | CS173651B1 (de) |
| DE (1) | DE2538839C3 (de) |
-
1975
- 1975-09-01 DE DE2538839A patent/DE2538839C3/de not_active Expired
- 1975-09-05 CS CS6058A patent/CS173651B1/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2538839B2 (de) | 1978-07-20 |
| DE2538839A1 (de) | 1977-03-03 |
| CS173651B1 (de) | 1977-03-31 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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