DE2609256A1

DE2609256A1 - Verfahren zur herstellung von proteinhaltigen futtermittelzusaetzen

Info

Publication number: DE2609256A1
Application number: DE19762609256
Authority: DE
Inventors: Lennart G Erickson
Original assignee: WORNE HOWARD E
Current assignee: WORNE HOWARD E
Priority date: 1975-04-16
Filing date: 1976-03-05
Publication date: 1976-10-28
Also published as: FR2307477B1; US4041182A; GB1541876A; SE423026B; JPS51128473A; FR2307477A1; SE7602272L; JPS5518518B2

Description

Verfahren zur Herstellung von proteinhaltigen ffiittermittelzusätzen

Im "Staff Report of the National Industrial Pollution Control Council" (U.S. Goverment Printing Office 1971, 431-795/200) vom Februar 1974 sind unter der Überschrift "Tierische Abfälle" (Animal Wastes) die wachsenden Probleme der Verschmutzung des Wassers, des Bodens und der Luft zusammengefaßt, die durch Abfallprodukte von landwirtschaftlichen Mutztieren hervorgerufen werden. Eine Hauptursache für die Umweltverschmutzung sind die Verdauungsabfälle von landwirtschaftlichen Mutztieren an lutterstellen, insbesondere von Rindvieh. Ausführlichere Angaben hierüber finden sich in "The Mounting Problem of Cattle Peedlot Pollution", Agricultural Science Review, U.S. Department of Agriculture, Bd. 9, Fr. 1, 1971.

6098U/G73S

26Ü92S6

In einer Arbeit mit dem Titel "A Systems Approach to Cattle Feedlot Pollution Control", die auf der nationalen Tagung des "American Institute of Chemical Engineers" im Mai 1972 in St. Louis vorgetragen wurde, analysierte Dr. Eugene Coleman die Jauche aus einer Mutterstelle mit Schiitz.boden, die sich in unterirdischen Gruben sammelt, welche periodisch durch an Kabeln gezogene Schabklingen gereinigt werden. Der tägliche Anfall einer Mutterstelle mit 10.000 Stück Vieh mit einem Durchschnittsgewicht von jeweils etwa 370 kg ist ein Brei, der etwa 4-5 Tonnen (Trockengewicht) Feststoffe in etwa 265.000 Liter Wasser enthält, wobei noch Wasser aus dem Überlauf der Tränken und Regenwasser hinzukommt. Jede dieser Mutterstellen mit 10.000 Stück Vieh erzeugt etwa die gleiche Menge Abwasser wie eine Stadt mit 100.000 Menschen Mutterstellen für 50.000 Stück Vieh oder mehr sind nicht ungewöhnlich.

In der USA-Patentschrift 3 859 962 ist ein abspülbarer Boden für Mutterstellen beschrieben, der mehrere geneigte Bodenplatten enthält, über die die Jauche in unterirdische Schlitzkanäle geleitet wird, die durch Wasserspülung gereinigt werden. In Gebieten mit kaltem Klima werden diese Mutterstellen gewöhnlich mit Jaucheflüssigkeit gereinigt, die aus einem Lagersumpf zurückgeleitet wird, welcher seinerseits gelegentlich entleert wird, wobei die Rückstände als Bodendünger verwendet werden.

Im Hinblick auf die Energie- und Mutterausnutzung sind die meisten Viehfütterungsverfahren verhältnismäßig unwirtschaftlich. Gewöhnlich verbraucht ein Stück Vieh täglich etwa 9 kg Kraftfutter, einschließlich teueres Eörnerfutter, sowie etwa 19 Liter Wasser, um täglich etwa 1,1 kg Gewicht zu gewinnen und etwa 30 kg Mist und Jauche zu erzeugen. Ein großer Teil des organischen Nährstoffpotentials des MHitters wird

609844/073«

-3- 26U92S6

durch, die Tiere nicht aufgenommen und geht als teilweise verdaute, biologisch aktive Jauche verloren, wobei noch Umweltverschmutzungsprobleme auftreten, wenn die Jauche in Oberflächenwasser oder Grundwasser geleitet wird oder wenn man sie durch Einwirkung von Sonne und Luft zersetzen und verflüchtigen läßt. Wenn sie in Sümpfen aufbewahrt wird, so wird das Material durch anaerobobe Zersetzung in einem verhältnismäßig wertlosen Schlamm und in Gase, die in die Atmosphäre entweichen, umgewandelt.

Die rohen Abfälle von landwirtschaftlichen Nutztieren werden häufig als Bodendüngemittel verwendet. Ihr Wert beim unmittelbaren Gebrauch ist jedoch dadurch begrenzt, daß das Material nur teilweise zersetzt ist. Im Boden erfolgt die aerobe bakterielle Zersetzung der flüchtigeren organischen Nährstoffe sehr schnell, wobei die Mikroorganismen den Stickstoff verbrauchen, der sonst zur Anregung des Pflanzenwachstums zur Verfügung stehen würde.

Diese Nährstoffe werden zwar schließlich bei der Zersetzung des Düngers dem Boden zurückgegeben; bei Nutzpflanzen mit kurzer Lebensdauer können die Ergebnisse jedoch unbefriedigend sein.

In einem noch nicht bekanntgemachten Vorschlag eines der Erfinder (USA-Patentanmeldung 528 070) ist ein verbessertes biochemisches Verfahren zur Ausnützung der flüchtigen organischen fraktion von landwirtschaftlichen Nutztierabfällen als Rohmaterial zur Herstellung eines verbesserten flüssigen Düngers beschrieben. Dieses kontinuierliche Verarbeitungsverfahren zur Erzeugung und Verteilung von flüssigem Dünger über das ganze Jahr ist jedoch in Gegenden, in denen die Temperatur länger unter den Gefrierpunkt fällt, nur beschränkt brauchbar. Der Dünger fällt in einer solchen Menge an,

B Π P, p i_s h I 0 7 Ί

daß dieses Verfahren nur dann wirtschaftlich genutzt werden kann, wenn große Landflachen in der Fähe wirksam ausgenützt werden können.

Erfindungsgemäß sollen flüchtige organische Abfallstoffe als Ausgangsmaterialen für die Erzeugung eines qualitativ hochwertigen, aus einzelnen Zellen bestehenden Bioproteinmaterials als Futtermittelzusatz wirksam und wirtschaftlich ausgenutzt werden; weiterhin sollen biochemisch stabilisierte feste und flüchtige Sekundär-Nebenprodukte erzeugt werden.

Bei dem rohen "Abfallmaterial" handelt es sich in erster Linie um festen bzw. flüssigen Dünger von Rindvieh und anderen landwirtschaftlichen Nutztieren sowie von GeflügeLEs können auch andere organische Abfälle aus der Landwirtschaft, der Hauswirtschaft und der Industrie als Ausgangsmaterialien verwendet werden. Das erfindungsgemäße "Verfahren enthält fünf Stufen, die vorzugsweise nacheinander durchgeführt werden (alle Itοζentangaben beziehen sich auf das Gewicht):

1. Zermahlen oder Zerreißen der eingesetzten Rohstoffe zu groben Teilchen;

2. biolytische Zersetzung in einer flüssigen Lösung, die einen Breitband-Enzymkomplex enthält, der in der Lage ist, die unlöslichen hochmolekularen Eroteine, Stärken und Fette zu löslichen, niedrigmolekularen Zwischenprodukten zu hydrolysieren;

3. Abtrennung der teilchenförmigen Feststoffe auf Cellulose- und Ligninbasis als Nebenprodukt; diese werden auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 50 % entwässert, um eine biochemische Zersetzung während der anschließenden Trockenlagerung über einen längeren Zeitraum zu verhindern. Eine Entwässerung auf diesen Wert ist ifolge der biochemischen Vorbehandlung während der biolytischen Zersetzungsstufe gemäß der Erfindung möglich. Auf diese Weise xvird ein höherer Anteil an Nährstoffen in flüssiger Form für die anschließende Weiterverarbeitung freigesetzt.

K Π Ρ Ά ι λ / Π Ί ^rK 9,

4. Ze11Synthese der organischen Zwischenprodukte in Form eines flüssigen Nährstoffsubstrates in einer belüfteten Lösung, die mit ausgewählten Mikroorganismen beimpft ist, um die Zwischenprodukte des Nährsubstrates abzubauen und einer neuen Synthese in Gegenwart von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft zu Zellmaterial zu unterwerfen. Diese Zellen sind einzellige Bakterien, die sich durch Wachstum und Zellteilung exponentiell vermehren und eine Biomasse von Zellen bilden, wobei das Wachstum nur durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Luft in der Lösung begrenzt ist.

5. Abtrennung der zellförmigen, bio-proteinhaltigen Biomasse, die als hauptsächliches iuttermittelprodukt gemäß der Erfindung dient. Dieses Material ist im entwässerten Zustand biologisch stabil, enthält 40 bis 50 % hochwertiges Protein und kann entweder im entwässerten oder im wasserhaltigen Zustand als Futtermittelzusatz für Rinder oder andere landwirtschaftliche Nutztiere sowie für Haustiere verwendet werden.

Das flüssige Nebenprodukt, das nach dem fünfstufigen Verfahren gemäß der Erfindung hinterbleibt, ist biologisch stabilsiert, geruchsfrei und hat einen niedrigen biologischen Sauerstoffbedarf. Es kann unbeschränkt in einem Teich oder Reservoir gelagert und zwischendurch als Spülflüssigkeit für die Mutterstellen verwendet werden; zu gegebener Zeit kann es auch zur Bewässerung auf Feldern verwendet werden. Dieser wäßrige Rückstand enthält Reste von nichtflüchtigen organischen Substanzen in Lösung, die als Düngemittel bzw. Bodenverbesserungsmittel brauchbar sind.

Das trockene, feste Nebenprodukt auf der Basis von Cellulose bzw. Lignin kann für industrielle Zwecke oder als Brennmaterial verwendet werden; es kann aber auch bei der Bewässerung mit der Lösung vereinigt werden, so daß es den Ackerboden abdeckt und zum Bodenaufbau beiträgt.

609844/0738

26ü92b6

Erfindungsgemäß sollen hydrolytische Enzyme verwendet werden, um die flüchtige organische !Fraktion von organischen Abfallsubstanzen biochemisch abzubauen; ferner sollen ausgewählte Mikroorganismen verwendet werden, um die erhaltenen Nährstoff-Zwischenprodukte zu einer Biomasse aus einzelligem proteinhaltigem Material zu synthetisieren, das als Futtermittelzusatz verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß soll ferner die Cellulose-Lignin-Fraktion der organischen Abfallsubstanzen biolytisch verarbeitet werden, um eine wirksame !Trennung von der flüchtigeren organischen Fraktion dieser Anfälle und eine Entwässerung bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 50 % zu ermöglichen; letzterer ist notwendig, um eine bakterielle Zersetzung während der Lagerung zu verhindern.

Ferner sollen erfindungsgemäß flüchtige organische Nährstoffe und nichtflüchtige feste organische Nährstoffe aus den eingesetzten Abwässern entfernt werden, um ein flüssiges Nebenprodukt zu erhalten, das gelagert, als Spülflüssigkeit zurückgeleitet und wirksam zur Bewässerung und zur Bodenverbesserung von verhältnismäßig kleinen Ackerbauflächen verwendet werden kann.

Ferner soll erfindungsgemäß ein Verfahren geschaffen werden, mit dem unter allen klimatischen Bedingungen flüchtige organische Abfallsubstanzen in stabilisierte feste, flüssige und synthetisierte Nährstoff-Fraktionen umgewandelt werden können, die gelagert und zum gewünschten Zeitpunkt verwendet werden können.

609844/0738

Schließlich sollen erfindungsgemäß die Energiepotentiale von landwirtschaftlichen und anderen organischen Abfallsubstanzen erhalten und wirksam ausgenutzt werden, anstatt daß sie, wie bisher, ungenutzt bleiben und häufig die Umwelt nachteilig beeinflussen.

In der Figur ist schematisch ein abspülbarer Stallboden 11 dargestellt, wie er in der USA-Patentschrift 3 859 962 beschrieben ist. Die Jauchesuspension, die als Quelle für das erfindungsgemäß zu verarbeitende Rohmaterial dient, wird über die Rohrleitung 12 abgezogen. Der tägliche Jaucheanfall von 1000 Stück Vieh mit einem Gewicht von jeweils etwa 360 kg beträgt etwa 29.500 bis 29.700 Liter. Davon sind etwa 86 % Wasser und 8 % ein verhältnismäßig stabiles organisches Material, einschließlich Cellulose und Lignin und einige Mineralsalze. Der Rest (etwa 6 % oder 1.770 kg) ist aus flüchtigen organischen Feststoffen, meist unlöslichen Proteinen, Stärken, Fett und teilweise hydrolysierter Cellulose zusammengesetzt. Diese hochmolekularen Komponenten liegen zusammen mit Wasser als viskose halbfeste Masse vor. Der erhaltene Brei hat eine viskose gelatinöse Textur, wodurch eine Entwässerung auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 60 % auf übliche Weise, z.B. durch Zentrifugen oder Hochdruckfilter, nicht möglich ist. Diese flüchtigen festen organischen Fährstoffe werden normalerweise sowohl durch aerobe als auch durch anaerobe Bakterien unkontrolliert zersetzt; sie oxidieren und verflüchtigen sich, wenn sie mit warmer Luft und Sonnenlicht in Berührung kommen. Durch diese ungesteuerten Reaktionen wird der potentielle wirtschaftliche Wert dieses Materials zerstört. Die Nebenprodukte einer solchen Zersetzung enthalten schädliche Gase, die zur Umweltverschmutzung beitragen und für die landwirtschaftlichen Nutztiere und das Personal gesundheitsschädlich sind.

η η q R ', /₄ / ο 7 3 Π

ü U 9 2 b b

Bei der ersten Stufe des erfinaungsgemäßen Verfahrens wird das Rohmaterial, falls erforderlich, mit Hilfe der Zerkleinerungsvorrichtung 13 zu groben Teilchen gemahlen und zerrissen. Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt. Der Zweck dieser Maßnahme besteht darin, die Feststoffe des Rohmaterials soweit zu zerkleinern, daß der Angriff durch die Enzyme erleichtert und die Suspendierbarkeit in der Lösung verbessert wird. Es kann Wasser zugesetzt werden,um den IPe st st off gehalt auf etwa 10 bis 15 % einzustellen.

JCn der zweiten Stufe wird ein. mit einem Abzug versehener Biolysebehälter 21 verwendet, der das rohe Ausgangsmaterial in Lösung,vorzugsweise in Teilmengen, aufnimmt, bis er praktisch voll ist. Um die teilchenförmigen Substanzen in Suspension zu halten, kann man gegebenenfalls eine Umwälzung mit Hilfe eines unter der Oberfläche liegenden Propellers vornehmen, der durch die Welle 23 und den Motor 24 bzw. durch andere, an sich bekannte Mittel, angetrieben wird.

Die biolytische Zersetzung wird dadurch in Gang gesetzt, daß aus einem Zugabebehälter 25 über ein Steuerventil 26 eine Lösung von hydrolysierenden Breitband-Enzymen in den Behälter 21 geleitet wird. Bei den verwendeten Enzymen handelt es sich um proteolytische, amylolytische, lipolytische und cellulolytische Enzyme, die in der Lage sind, die hochmolekularen Substrate zu niedrigmolekularen Zwischenprodukten zu hydrolysieren.

Die Enzyme können entweder durch Züchten ausgewählter Organismen in hierfür besonders geeigneten Medien und Abtrennung der Organismen gewonnen werden, worauf die Enzymbrühe zur Behandlung des Substrates verwendet wird; es können aber auch gepulverte, Breitband-Hydrolyse-Enzyme in Wasser gelöst und dem Biolysebehälter 21 zugesetzt werden. Die Menge des für

r: η q ρ /. /. / η 7 '] g

"⁹~ 26U92S6

eine wirksame Hydrolyse erforderlichen !Enzymkonzentrats beträgt etwa 0,10 % des Trockengewichts der flüchtigen organischen Feststoffe in der Lösung. Weiterhin kann ein biologisch abbaubares, nichtionisches Benetzungsmittel zur Verminderung der Oberflächenspannung und der Grenzflächenspannung des Wassers in einer Konzentration von 1 Teil auf 2500 bis 5000 Teile zugesetzt werden, um die Emulgierung und den anschliessenden biologischen Abbau der Fette und Öle zu erleichtern. Die Enzymkonzentration reicht aus, um die unlösliche, flüchtige Fraktion des organischen Materials innerhalb von 1 bis 4 Stunden zu hydrolysieren und zu verflüssigen. Dieses Material besteht hauptsächlich aus feinteiligen organischen Substanzen, verglichen mit den verhältnismäßig nichtflüchtigen Fraktionen der Cellulose-Lignin-Komponenten, die sich viel langsamer zersetzen. '

Bei der biolytischen Zersetzung hat die Flüssigkeit vorzugsweise eine Temperatur von mindestens etwa 15°G (60⁰F), Die Reaktion kann durch Erwärmen der Flüssigkeit im Biolysebehälter 21 auf eine optimale Temperatur von etwa 38 bis 49⁰G (100 bis 120⁰F) beschleunigt werden, wobei aber die Temperatur nicht höher als etwa 60⁰O (140⁰F) sein sollte. Diese Erwärmung kann durch Umwälzung über die Pumpe 27, das Ventil 28 und den Erhitzer 29 oder mit Hilfe eines Taucherhitzers geschehen. Wenn in der Anlage Verbrennungsmotoren verwendet werden, so kann die Abwärme zum Aufwärmen des Inhalts des Biolysebehälters 21 verwendet werden. Weiterhin kann dieser Behälter aus einem\;thermisch isolierenden Material gebaut und bedeckt sein. Die biolytische Zersetzung kann gegebenenfalls auch dadurch beschleunigt werden, daß man Puff er sub stanzen zusetzt, um den pH-Wert der Lösung auf einen für die verwendeten spezifischen Enzyme optimalen Wert einzustellen,,

609844/0738

" ¹⁰ " 26Ü92bb

Ih der dritten Stufe erfolgt eine mechanische Trennung und Entwässerung der nichtflüchtigen Feststoff-Fraktion des im Biolysebehälter 21 hinterbleibenden Materials. Diese Fraktion enthält hauptsächlich Cellulose und Lignin, die durch die Einwirkung der hydrolytischen Enzyme der zweiten Stufe auf die Hemicellulose und die anderen in der Zellstruktur dieser Cellulose-Lignin-Materialien im rohen Zustand teilweise zersetzt wurden. Infolge dieser biolytischen Vorbehandlung wird das darin enthaltene Wasser vollständiger freigesetzt, beispielsweise mit Hilfe einer Zentrifuge 31 j in die der verflüssigte Inhalt des Behälters über die Pumpe 27 und das Zweiwegeventil 28, das im Uhrzeigersinn um 90° gedreht wird, geleitet wird. Das feste !Nebenprodukt wird über das Rohr 32 auf den Lagerhaufen 33 entleert; es hat einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 50 %, der so niedrig ist, daß eine biochemische Zersetzung praktisch nicht mehr auftritt. Falls erforderlich, kann eine kleine Menge Milchsäure oder eine andere genießbare Säure zugesetzt werden, um die biochemische Zersetzung mit Sicherheit zu verhindern. Dieses Material kann zugedeckt unbeschränkt gelagert werden, ohne daß eine nennenswerte Zersetzung eintritt. Ohne die angegebene biolytische Vorbehandlung hätte dieses Material nach dem üblichen Entwässern einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 60 % und würde sich bei der Lagerung biochemisch zersetzen und verderben.

Die aus der ersten Trennvorrichtung 31 durch das Rohr 3^ austretende Flüssigkeit kann gegebenenfalls durch eine zweite Trennvorrichtung 35 geleitet werden, um feinteilige Substanzen mit einem Durchmesser von mehr als etwa 10 al zu entfernen. Die über das Rohr 36 in den Synthesebehälter 41 geleitete Flüssigkeit enthält praktisch alle Stoff Wechselprodukte der Biolyse der zweiten Stufe in Form von löslichen niedrigmolekularen Zwischenprodukten, gelöst in Wasser. Diese Uahrstofflösung ergibt die NährstoffSubstratsubstanzen zur Ernährung

609844/0738

der endogen synthetisierenden Mikroorganismen, die bei der Zellsynthese nach der vierten Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet werden.

Diese zellbildenden Mikroorganismen haben üblicherweise einen Durchmesser von etwa 0,35 bis 10 /u. Sie ernähren sich selektiv von den lysierten und teilweise abgebauten Zwischenprodukten, die durch Stoffwechselvorgänge der hydrolatischen Enzyme der Biolysestufe (Stufe Ur. 2)des vorliegenden Verfahrens) erzeugt wurden. Da sie aufgrund von natürlichen Gegebenheiten auf Einzeller beschränkt sind, vermehren sie sich durch Zellwachstum und Zellteilung, wie es für bakterielle Mikroorganismen üblich ist. Jede Zelle teilt sich etwa alle 25 bis 30 Minuten, und dieses exponentielle Wachstum führt zu einer Zunahme der Biomasse, die in etwa 10 Stunden einen Faktor von 1000 bis 1 Million erreicht. In der Praxis wird das Wachstum schließlich dadurch beschränkt, daß eine Verarmung an den verfügbaren ausgeglichenen Nährstoffen und an Luft eintritt und daß durch die Stoffwechselprodukte der Zellen in Lösung eine Hemmwirkung auftritt.

Die Erzeugung und Gewinnung der erhaltenen Biomasse aus einzelligen Mikroorganismen kann gewissermaßen als Wasserkultur in einem, belüfteten flüssigen Medium angesehen werden. Die Analyse ergibt, daß die Zellen der entwässerten Biomasse etwa 95 % Feststoffe enthalten, von denen etwa die Hälfte hochwertige Proteine in ausgeglichener Nährstoffqualität darstellen, die als Futtermittelzusatz sehr gut geeignet sind. Die restlichen Feststoffe sind zum größten Teil Kohlenhydrate und daneben kleine Mengen an Mineralsalzen. Das Zellprotoplasma ist reich an aktiven Enzymen. Die bemerkenswert konstante Analyse der Fahrstoffkomponenten dieses mikroorganischen Futtermittels zeigt die Fähigkeit dieser Mikroorganismen, aus den verfügbaren Fährstoffen in der Lösung

- 12 - / b U 9 Z b b

bestimmte, für ihr Wachstum notwendige Substanzen zu erkennen und auszuwählen und überschüssige Substanzen in einem nicht ausgeglichenen Nährmedium zurückzuweisen. In dieser Hinsicht haben sie das Unterscheidungsvermögen von bestimmten Pflanzenarten.

Etwa 15 % des für die St off Wechselvorgänge bei der Zellsynthese erforderlichen Stickstof fs werden durch die Mikroorganismen aus der in Lösung gegangenen Luft gewonnen; der Rest wird aus den Substanzen des Fährstoffsubstrates gewonnen. Dieser elementare Stickstoff wird durch die Mikroorganismen in Form von Zellprotein synthetisiert und fixiert und stellt damit einen wichtigen Beitrag zu der mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Wertverbesserung dar.

Die vierte Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung, d.h. die Zellsynthese, ist dadurch erläutert, daß aus einem Vorratsbehälter 42 über ein Steuerventil 43 eine Impflösung von synthetisierenden Mikroorganismen dem Behälter 41 zugesetzt wird. Wenn ein flüssiges Kulturinokulat von heterotropen synthetisierenden Mikroorganismen in Form von aeroben Zellen verwendet wird, so wird die Kultur bis zu einer Konzentration von 10 Millionen Mikroorganismen je Milliliter gezüchtet und in einer Menge von etwa 5 Vol.-% zu der Nährstoffsubstratlösung im Behälter 41 gegeben. Wird eine getrocknete Kultur verwendet, so wird sie in einem Verhältnis von etwa 1 Gewichtsteil auf 200 Volumteile in Wasser dispergiert, und zwar etwa 2 Stunden vor dem Zusatz des Ihokulats in dem Behälter 41. Das Gewichtsverhältnis zwischen den rohen, getrockneten Mikroorganismen und dem in den Vorstufen als Zwischenprodukt erhaltenen gelösten Nährstoffsubstrat beträgt etwa 1:1000.

κ π Q R /_; /, / η 7 "] ς

Es ist eine große Menge Luft in gelöster Form für einen optimalen Stoffwechsel der synthetisierenden Mikroorganismen erforderlich. Die Pampe 44 wird dazu verwendet, um die Lösung durch das Ventil 45 und eine Luftansaugvorrichtung zu pumpen. Diese nimmt Luft durch das Einleitungsrohr 47 auf und gibt einen Strahl von mit Luft gesättigtem Wasser durch die Düse 48 ab, um die Flüssigkeit zu belüften und umzuwälzen. Es können aber auch andere an sich bekannte Belüftungsverfahren verwendet werden; beispielsweise kann Luft durch Rohre mit Öffnungen unter der Flüssigkeitsoberfläche eingeblasen werden oder es kann durch eine Oberflächenturbine Luft eingeblasen werden. Ferner können Wasserpumpen und unter der Oberfläche angeordnete Drehmischer mit Flügelarmen, in denen Lufteinlaßdüsen angeordnet sind, verwendet werden. '

Falls erforderlich, können chemische Puffersubstanzen zugesetzt werden, um einen erwünschten pH-Wert von etwa 6,8 bis 7,2 aufrecht zu erhalten. Es können auch Flüssigkeitsheizvorrichtungen verwendet werden, um die an sich beträchtlichen Wärmemengen aufgrund der Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen zu ergänzen, falls dies notwendig sein sollte. Ein bevorzugter Temperaturbereich beträgt etwa 27 bis 35°C (80 bis 95°F).

Im belüfteten und umgewälzten flüssigen Uahrmedium im Synthesebehälter 41 wachsen die synthetisierenden Mikroorganismen und vermehren sich exponentiell durch Zellteilung, bis das verfügbare liährsubstratmaterial praktisch verbraucht ist, was in etwa 6 Stunden der Fall ist. Während dieser Zeit werden etwa 75 bis 80 % der als Zwischenprodukt anfallenden Hährstoffsubstratsubstanzen in der Lösung zum Wachstum und zur Synthese einer Biomasse aus Mikrobenzellen verwendet. Ein Teil dieser Zellen stirbt zu diesem Zeitpunkt ab; dadurch wird aber ihr Wert für die anschließende Gewinnung und den

6098U/07 3

26U92b6

Gebrauch als Futtermittelzusatz nicht vermindert. Die Gewinnung sollte jedoch zu diesem Zeitpunkt schnell erfolgen, um einen anschließenden Abbau dieser Zellen durch endogene enzymatische Autolyse zu verhindern.

Die fünfte Stufe umfaßt die mechanische Trennung und Entwässerung der im Synthesebehälter gewachsenen und synthetisierten Biomasse von Zellen. Es kann eine schalenförmige Zentrifuge 51 verwendet werden, in welche der fließfähige Inhalt des Behälters 41 durch die Pumpe 44 und ein Zweiwegeventil 4>j das im Uhrzeigersinn um 90 gedreht wird, eingefüllt wird.

Das so abgetrennte zellförmige Bioproteinmaterial wird über das Rohr 52 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 45 % (in der Hauptsache intrazellulare Protoplasmaflüssigkeit) in den Behälter 55 entleert. Man erhält auf dieser Trennstufe (fünfte Stufe) ein verhältnismäßig reines Endprodukt, da die meisten teilchenförmigen Feststoffe, die nach der Biolyse (zweite Stufe) noch vorhanden waren, in der Trennstufe (dritte Stufe) entfernt wurden. Die dem Synthesebehälter 41 zugeführte Fährlösung ist also praktisch frei von teilchenförmigen Substanzen, und die Funktion der Trennvorrichtung 51 kann speziell an die Abtrennung der Biomasse aus den Zellen angepaßt werden, die aus der Impflösung der vierten Stufe des Verfahrens gezüchtet und synthetisiert wurde

Es kann eine kleine Menge Milchsäure oder einer anderen genießbaren Säure zugesetzt werden, um das nicht in den Zellen enthaltene Wasser anzusäuern, so daß während der Lagerung eine weitere biochemische Aktivität verhindert wird. Soll das Produkt längere Zeit gelagert werden, so soll die Luft ausgeschlossen werden, was gewöhnlich durch Verpacken in Kunststoffsäcken geschieht. Falls erforderlich,

6098 4 4/0738

kann das Produkt durch Erhitzen bei einer Temperatur von etwa 80 bis 85°C (180⁰P) über einen Zeitraum von 5 bis 10 Minuten pasteurisiert oder durch Behandlung mit Ozon oder nach anderen, an sich bekannten Verfahren sterilisiert werden. Das Produkt kann im Austausch für teure Protein-Futtermittelzusätze, die üblicherweise für die Viehfütterung notwendig sind, an Ort und Stelle verwendet werden; es kann aber auch als proteinreiche Komponente in Futtermitteln für landwirtschaftliche Nutztiere oder Haustiere bzw. für Geflügel oder Fische in den Handel gebracht werden.

Das restliche flüssige Nebenprodukt, das über das Rohr 54-in den Behälteroder in den Sumpf 61 entleert wird, ist biologisch stabil, da praktisch alle flüchtigen organischen Fährstoffe und organischen Feststoffe durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung entfernt wurden. Das Produkt ist praktisch geruchlos und kann gesammelt und unbeschränkt gelagert werden, bis es benötigt wird; es kann aber auch dem Oberflächenwasser oder dem Grundwasser zugesetzt werden, ohne daß diese nennenswert verschmutzt werden. Dieses flüssige Nebenprodukt enthält jedoch in Lösung einen nennenswerten Anteil der nichtflüchtigen organischen Substanzen, die im ursprünglichen Abwasser enthalten waren. Dieses Material eignet sich bis hinauf zu hohen Konzentrationen als Bodenaufbaumittel. Da aber der größte Teil des ursprünglichen Stickstoffgehalts durch die Vorbehandlung entfernt wurde, hat das flüssige Nebenprodukt nur einen geringen Wert als Düngemittel und kann etwa wie Bewässerungswasser verwendet werden. Es kann also wirksam auf verhältnismäßig kleinen landwirtschaftlichen Nutzflächen in jedem Klima für einen weiten Bereich von Feldfrüchten und bei allen klimatischen Gegebenheiten, bei denen eine gelegentliche Bewässerung vorteilhaft ist, verwendet werden. Die Figur zeigt eine Pampe und eine Ableitung 63 für das im Behälter oder Sumpf 61 befindliche flüssige Nebenprodukt; das Zweiwegeventil 64 wird

ρ η 9 q /, a / η 7 Ί 8

2 b U 9 2 b b

hierbei um 90 gegen den Uhrzeigersinn gedreht

Das Cellulose bzw. Lignin enthaltende trockene, feste Nebenprodukt kann wegen seiner auflockernden und bodenaufbauenden Eigenschaften wieder dem Boden zugeführt werden. Dies kann dadurch geschehen, daß das Material auf dem Boden ausgebreitet bzw. mit der Lösung des flüssigen Nebenproduktes vereinigt wird, so daß das kombinierte Material zur Bewässerung und zum Bodenaufbau dienen kann. Da dieses entwässerte Material verhältnismäßig frei von flüchtigem organischem Material ist, kann es aber auch für folgende Zwecke gebraucht werden:

Als Brennstoff zum Erwärmen des Biolysebehälters 21 oder des Zellsynthesebehälters 61; als Abdeck- und Auflockerungsmaterial für den Gartenbau oder bei der hydraulischen Neukultivierung von unfruchtbaren Flächen. Wenn es sich um verhältnismäßig reines Cellulosematerial handelt, so kann es als Rohmaterial zur enzymatischen Hydrolyse von Cellulose zu chemischen Futtermittel-Zwischenprodukten nach an sich bekannten Verfahren verwendet werden.

Nach der Figur kann das flüssige Nebenprodukt über die Pumpe 62, das Zweiwegeventil 64- und die Rohrleitung 65 zum Futterplatz 11 zurückgeleitet werden, wo es zum Wegspülen und zur Förderung des Düngers oder Mistes dient. Dies ist aus Gründen der Wassereinsparung und zur Verminderung der Flüssigkeitsmengen, die während der Wintermonate in kalten Gegenden gelagert werden müssen, vorteilhaft. Da das flüssige Nebenprodukt ferner biochemisch stabil ist, bringt das Abspulen nicht die Geruchsbelästigung mit sich, die oft auftritt, wenn unbehandelte Jauche für diesen Zweck verwendet wird.

<\n η π α /_: / η 7 3 fj

- 17 - ^bU^cJ2b6

Zur Erläuterung der Erfindung wurde ein typisches .Anwendungsbeispiel angegeben, nach welchem der rohe flüssige Dünger aus einem Viehstall als organisches Ausgangsmaterial zur Durchführung des "Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet wurde. Es können aber auch andere organische Abfallstoffe oder Kombinationen dieser Abfallstoffe als Ausgangsmaterialien verwendet werden. In der Figur ist ein Vorratsbehälter 14 dargestellt, über welchen andere organische Rohstoffe zugeführt werden können, die durch die Zerkleinerungsvorrichtung zerkleinert und dem Biolysebehälter 21 zugesetzt werden können, wobei gegebenenfalls Wasser zugesetzt werden kann, um einen erwünschten Feststoffgehalt von etwa 10 bis 15 % zu erzielen. Geeignete Quellen für organische Rohstoffe sind beispielsweise:

Trockene Düngerrückstände aus den üblichen offenen Viehställen bzw. Futterplätzen; Dünger und Einstreuabfälle von Milchviehställen; Dünger von anderen landwirtschaftlichen Mutztieren, z.B. von Schweinen, Hühnern, Truthühnern usw.; landwirtschaftliche Abfälle, Nutzpflanzenabfälle, Bagasse usw.; Abfälle von Frucht- und Gemüse-Versandunternehmen; Abfälle von Schlachthäusern und Tierkörper; Reste von WaIdbäumen, Holzschnitzel und Sägespäne; kommunale Abwasserkonzentrate .

Zur Erläuterung des fünfstufigen Verfahrens gemäß der Erfindung ist in der Figur ein geradliniger Materialfluß zur Umwandlung des breiförmigen eingesetzten Rohmaterials in die cellulosehaltigen bio-proteinhaltigen und flüssigen Produkte gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dem beschriebenen ansatzweisen Betrieb werden die Pump- und Trennoperationen nacheinander durchgeführt, und zwar jeweils innerhalb einiger Stunden. Es können aber auch andere Rohr- und Ventilanordnungen verwendet werden, so daß ein einziger Satz aus Pumpe und Trennvorrichtung in wirtschaftlicher Weise

6098U/0738

für alle Stufen verwendet werden kann. Bei Einrichtungen mit sehr großen Strömungsgeschwindigkeiten können in an sich bekannter Weise Anordnungen mit kontinuierlichem Materialfluß verwendet werden. Bei einigen Rohstoffen ist die Zerkleinerung bzw. das Mahlen gemäß Stufe ETr. 1 nicht unbedingt erforderlich. Bei dieser Stufe handelt es sich also um eine Eventualmaßnahme, die weggelassen werden kann, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Innerhalb des Rahmens der Erfindung, der durch den Schutzumfang der Ansprüche bestimmt ist, können zahlreiche Änderungen, Abwandlungen oder Auslassungen vorgenommen werden.

- Patentansprüche -

609844/0738

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur Herstellung von bio-proteinhaltigen Futtermittelzusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß man einer Lösung von organischen Abfall sub stanzen mit flüchtigen Komponenten hydrolysierende Enzyme zusetzt, um das darin enthaltene Protein zu wasserlöslichen Zwischenprodukten mit niedrigerem Molekulargewicht zu hydrolysieren, daß man die löslichen niedrigmolekularen Zwischenprodukte von den nicht flüchtigen Feststoffen in der Abfallösung abtrennt, daß man die abgetrennten niedrigmolekularen Zwischenprodukte unter solchen Bedingungen mit zellsynthetisierenden Mikroorganismen kombiniert, daß sich die Mikroorganismen von den löslichen niedrigmolekularen Zwischenprodukten ernähren und hierbei wachsen und eine Biomasse von einzelligen Mikroorganismen erzeugen können, und daß man die Biomasse aus den Zellen in einer zur Verwendung als Futtermittelzusatz geeigneten Form gewinnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als organischen Abfall den Dünger bzw. die Jauche von landwirtschaftlichen ITutztieren verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung, die die hydrolysierenden Enzyme enthält, bei einer Temperatur von etwa 15 bis 60°G (60 bis 14-0⁰J¹) hält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung, die die hydrolysierenden Enzyme enthält, bei einer Temperatur von etwa 38 bis 49⁰G (100 bis 120⁰F) hält.

fi Π q R A /, / 0 7 Ί ß

- 20 - /BUÜ'Zbb

5>. "Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die von den Zwischenprodukten mit dem niedrigeren Molekulargewicht abgetrennten nichtfluchtigen Feststoffe mechanisch bis auf einen Wassergehalt von weniger als etwa 50 % entwässert, um eine biochemische Zersetzung zu hemmen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung, die die synthetisierenden Mikroorganismen enthält, praktisch während des gesamten Wachstums der Biomasse belüftet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die vereinigten niedrigmolekularen Zwischenprodukte und die zellsynthetisierenden Mikroorganismen in einer Lösung mit einem pH-Wert von etwa 6,8 bis 7)2 und bei einer Temperatur von etwa 26 bis 35⁰C (80 bis 95°F) hält.

8. Verfahren zur Herstellung von bio-proteinhaltigen Futtermittelzusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß man den Dünger in einem Stall bzw. einer Futterstelle sammelt, die Teilchengröße des gesammelten Düngers vermindert, dem Dünger in einem wäßrigen Medium hydrolyseerende Breitband-Enzyme zusetzt, um das darin enthaltene Protein zu Zwischenprodukten mit niedrigerem Molekulargewicht zu hydrolysieren, daß man die löslichen niedrigmolekularen Zwischenprodukte von den unlöslichen Peststoffen trennt, die löslichen niedrigmolekularen Zwischenprodukte mit zellsynthetisierenden Mikroorganismen in einer Lösung unter solchen Bedingungen kombiniert, daß die Mikroorganismen wachsen und eine Biomasse von einzelligen Mikroorganismen erzeugen, daß man die Biomasse aus Mikroorganismen von dem Rest der Lösung, in der sie gewachsen ist, zur Verwendung, als Futtermittelzusatz abtrennt und daß man den hinterbleibenden flüssigen Anteil der Wachstums lösung zur hydraulischen Entfernung und zum Transport von weiterem Dünger von der Futterstelle zur Weiterverarbeitung zu einem Futtermittelzusatz zurückleitet.

G ^{n Q}. R !>. ¹^ I Π 7 3 B

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Biomasse der Mikroorganismen mechanisch von einer ausreichenden Menge seiner Wachstumslösung abtrennt, um einen Proteingehalt von etwa 40 bis 50 % zu erhalten.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß man der Biomasse zur biochemischen Stabilisierung eine ausreichende Menge einer genießbaren Säure zusetzt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den gesammelten Dünger mit einer ausreichenden Menge Wasser versetzt, um einen Peststoffgehalt von etwa 10 bis 15 % einzustellen.

609844/07 3 8

Leerse ite