DE2642944A1

DE2642944A1 - Verfahren zur abtrennung von bakterienzellmassen aus waessrigen kulturmedien

Info

Publication number: DE2642944A1
Application number: DE19762642944
Authority: DE
Inventors: Joachim Walter Di Birkenstaedt; Arnold Grosse; Reinhold Dipl Ing Seipenbusch
Original assignee: Veba Oel AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1978-03-30
Also published as: DE2642944C2

Description

Verfahren zur Abtrennung von Bakterienzellmassen aus
wässrigen Kulturmedien Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Bakterienzellmassen aus einer wässrigen Kulturlösung durch Flotation, indem durch Elektrolyse erzeugte feine Bläschen von nascierendem 02 und H2 zum Flotieren eingesetzt werden.
Die Abtrennung von Bakterienze'lmasse aus einer sie enthaltenen Kulturlösung ist ein schwieriges und aufwendiges Problem. Bakterienzellen sind sehr klein, 0,8 - 1,5 », sie sind in sehr niedriger Konzentration von 0,5 - 5 Gew.-% in der Kulturbrühe enthalten. Ausserdem sind sie vielfach mit einem Schleimschleier umgeben, so dass die im Schwerefeld ausnutzbare Dichtedifferenz sehr klein ist.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Bakterienzellen aus Suspensionen abzutrennen. Es wurde z.B. vorgeschlagen, durch gezielte Variation des pH-Wertes z.T. gleichzeitig oder alternativ durch die Einwirkung höherer Temperaturen die Suspension zum Ausflocken zu bringen, um dann das ausgeflockte Zellmaterial in bekannter Weise entweder direkt mit Hilfe eines Separators oder nach Vorkonzentrierung im Schwerefeld durch einen Separator weiterzukonzentrieren, Diese Trennverfahren haben folgende Nachteile: 1. Die erzeugten Flocken erweisen sich vielfach als sehr lose und voluminös. Das Volumen an wässrigen Nährmedium, das von den Flocken festgehalten wird ist gross, so dass die Dichtedifferenz zwischen Flocke und Suspension sehr gering ist. Die Sedimentation im Schwerefeld führt daher nur zu einer mässigen Konzentrierung, da die Komprimierung des Feststoffes im Sediment nur unvollkommen gelingt. Wegen der niedrigen Sinkgeschwindigkeit der voluminösen Flocken wird die Aufenthaltszeit im Absetzbecken so gross, dass das Zellmaterial beginnt in Lysis überzugehen, 2. die Abtrennung von ausgeflockter Baterienzellmasse im Separator führt zwar, wenn auf schonenden Einlauf geachtet wird, zu einer mässigen Anreicherung, jedoch sind die erreichbaren Durchsätze so gering, dass es unmöglich ist, diese Trennstufe auf wirtschaftliche Weise durchzuführen. Wegen der wolkigen Konsistenz der Flocke kommt es bei mässigen Durchsätzen bereits zu einer Ueberladung der Schlammkammer und damit zu einem Rückstau in dem Klärteil der Maschine mit entsprechend negativer Auswirkung auf die Trennschärfe.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vorkonzentrierung von Bakterienzellen zu entwickeln, das diese genannten Nachteile vermeidet und die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses auf wirtschaftliche Weise ermöglicht.
Es wurde gefunden, dass sehr feine Gasbläschen wie sie z.B.
bei der Elektrolyse wässriger Salzlösungen entstehen sich an in bekannter Weise durch Lauge/Säurebehandlung ausgeflocktes Zeilmaterial ankuppeln können und ihm einen Auftrieb verleihen.
Die dabei beobachteten Steigegeschwindigkeiten betragen ein Vielfaches der bei der Sedimentation beobachteten Absitzgeschwindigkeit Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Gewinnung von Bakterienzellmasse aus diese enthaltende wässrige Sulturlösungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass diese bzw.
daraus gebildete Agglomerate durch Flotation mit Hilfe elektrolytisch erzeugter Gasbläschen konzentriert werden.
Eine für die Abtrennung durch Flotation besonders geeignete Flocke lässt sich erfindungsgemäss erzeugen, wenn in bekannter Weise durch Lauge/Säurebehandlung erzeugten Zellagglomeraten wässrige Lösungen hochmolekularer langkettiger Naturstoffe, wie z.B. Alginate und Stärken zugesetzt werden. Die vorteilhaftere Flockung äussert sich in einer Verbesserung der Trennschärfe und in einer höheren Feststoffanreicherung im Flotationsschaum.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass die Flotation in zwei oder mehreren in Strömungsrichtung hintereinander geschalteten Kammern durchgeführt wird, die verschieden licht mit Elektrodenflächen bestückt sind. Diese Aufteilung des Flotationsraumes wirkt sich sowohl günstig auf die Trennschärfe aus als auch auf den spezifischen Energie aufwand0 Das Zellmaterial, mit dem die in den folgenden Beispielen durchgeführten Flotationsversuche durchgeführt wurden, wurde einheitlich unter folgenden Fermentationsbedingungen gewonnen: Stamm: DSM 640 Substrat: Methanol Fermenter: 3 m3 - Multistage-Rührfermenter Drehzahl: 250 Upm Begasungsrate: 1 vvm Fermentationstemperatur: 36 °C pH-Wert: 6,5 Zusammensetzung der Nährlösung: H5PO4 konz. 2,0 ml/l NH4OH konz. 2,8 ml/l K2SO4 1,4 g/l MgSO4.7 H20 0,6 gil Na2SO4 0,2 g/l Ca(NO3)2#4 H2O 0,3 g/l Spurenlösung 1,0 ml/l Beispiel 1: Aus dem Fermenter, der unter den oben angegebenen Bedingungen betrieben wurde, wurde kontinuierlich ein Volumenstrom abgezogen mit einer Zellkonzentration von ca. 16 g/l. Diese Zellernte wurde über die Rohrleitung (1) in Figur l der Flotationszelle (8) zugeführt. In bekannter Weise wurde durch die geregelte Zugabe von 10 zeiger KOH mittels Leitung (2) in die Rohrleitung (1) am Punkt A ein pH-Wert von 10,5 eingestellt. Das Ausflocken der Zellsubstanz erfolgt in ebenfalls bekannter Weise durch Ansäuern mit 10 % H2SO4 auf pH 2,5 (Zugabe am Punkt B derselben Rohrleitung).
Nach Passieren der Rohrstrecke (1) wurde in die mit einem langsam laufenden Rührer (6) ausgerüsteten Vorlage (5) durch die Zuleitung (4) wechselnde Mengen Na-Alginat oder Stärkepräparate zugesetzt. Der Ueberlauf aus Vorlage (5) gelangt über Leitung (7) in die Flotationszelle (8). In der Flotationszelle (8) war eine Elektrodenfläche (9) von 0,167 m2 installiert, an die eine Gleichspannung von 6 Volt angelegt wurde. Dabei floss ein Strom von 40 Ampere. Der entstehende Schaum wurde durch eine in der Höhe fixierte, in Längsrichtung bewegliche Absaugevorrichtung (10) abgesaugt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Beispiel 2: Die Flotationszelle wurde mit Zellernte aus der gleichen Fermentation beschickt wie in Beispiel 1; sie wurde ausserdem derselben Lauge/Säure-Behandlung unterworfen wie in Beispiel 1 beschrieben;25 ppm Stärkepräparat wurde zudosiert. Die Flotation wurde in einer Zelle gleichen Volumens wie in Beispiel 1 vorgenommen, die Jedoch durch eine Trennwand (11) (Figur 2) in zwei Klammern (12 und 13) mit einem Volumenverhältnis 2 : 1 unterteilt ist. Die Zellernte läuft der grösseren Kammer (12) zu, in der kleineren Kammer (13) wird die Nachbehandlung vorgenommen. Die Elektrodenfläche (9) von insgesamt 0,167 m2 wurde im Vergleich der Volumina aufgeteilt. Die angelegte Spannung betrug wie in Beispiel 1 6 Volt Gleichspannung. Eine aus dem Schaumsammelbehälter entnonunene Probe enthielt 106 g/l TS (Trockensubstanz), während im Klarlauf 0,15 g/l enthalten war.
Beispiel 3: Die Zellernte aus dem Fermenter wurde derselben Säure/Laugenbehandlung unterworfen wie in Beispiel 1 und 2 beschrieben, jedoch wurde auf die Zudosierung von Alginat bzw. Stärke verzichtet.
Die Anordnung der Elektroden entsprach der in Beispiel 2 beschriebenen; die angelegte Spannung betrug 6 Volt. Eine aus dem Schaumsammelbehälter entnommene Probe enthielt 86 g/l TS, während im Klarlauf noch 1,5 g/l enthalten war.

Tabelle 1

Versuch Zusatz von Na-Al- TS-Konzentra- TS in der

Nr. ginat bzw. Stärke- tion im Schaum Klarphase

präparat

1 25 ppm-Na-Alginat 92 g/l 0,25 g/l

2 100 ppm Na-Alginat 91 g/l 0,19 g/l

3 15 ppm Stärkeprä- 95 g/l 0,21 g/l

parat

4 50 ppm Stärkeprä- 97 g/l 0,29 g/l

parat

5 ohne Zusatz 51 g/l 1,2 g/l

e e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Verfahren zur Gewinnung von Bakterienzelimasse aus diese enthaltene wässrige Kulturlösungen, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass diese bzw. daraus gebildete Agglomerate durch Flotation mit Hilfe elektrolytisch erzeugter Gasbläschen konzentriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n ett , dass durch Lauge/Säurebehandlung erzeugten Zellagglomeraten wässrige Lösungen von Alginaten oder Stärken zugesetzt werden.
3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Flotation von Bakterienzellmasse bzw. daraus gebildete Agglomerate in zwei oder mehreren voneinander durch Trennwände getrennten Flotationswkammern durchgeführt wird, in denen abgestufte Trägergasmengen aus naczierendem O2 und Hp angewendet werden.