DE2649547A1

DE2649547A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung mikrobieller biomasse und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2649547A1
Application number: DE19762649547
Authority: DE
Inventors: Vratislav Prof Dr Gregr; Jan Dipl Ing Paca; Mojmir Dipl Ing Rychtera; Jaroslav Dipl Ing Svanda
Original assignee: Vysoka Skola Chemicko Technologicka V Praze
Current assignee: Vysoka Skola Chemicko Technologicka V Praze
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-07-07
Also published as: SE7611876L; DD126959A1; JPS5290685A; ATA794576A; FR2336476A1; AT360940B; FI763126A

Description

MÜNCHEN 9O, MARIAHILFPLATZ 2 & 3 Ktbat: D-U MÜiMCHEW ob, POSTFACH 95O16O

■ DlPL. CHEM. DR. OTMAR DITTMANN (f197B)

KARL LUDWIB SCHIFF

VySOka. SkOla CheinickO- DIPL-CHEM₁DR-ALEXANDERv-FuNER

DIPL. ING. PETER STREHL

tpChilOlOficka. DIPL. CHEM. DR. URSLILA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. ING. DIETER EBBINBHAUS TELEFON (OS9) 48 QO 64 TELEX 6-23 565 AURO D TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

DA-17530

29. Oktober 1976

VERFAHREN ZUR KONTINUIERLICHEN HERSTELLUNG KIKROBIELLER BIOMSSS UIJD VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS

(Priorität: 23- Dezember 1975 - Tschechoslowakei - Nr. PV 8812-75 ¹¹ 4. März 1976 - Tschechoslowakei - Nr. PV 1436-76)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse aus flüchtigen Substraten, "beispielsweise aus dem Sulfit- oder Lufthefebrennereisprit, gegebenenfalls vermischt mit Abfallrohstoffen, welche eine von Mikroorganismen utilisierbare Kohlenstoffquelle enthalten, unter Zusatz eines Nährmediums, wobei mit diesem Fermentierungsniedium ein mehrstufiger Turmfermenter gefüllt wird, mit nachfolgender Beimpfung mit einer Bakterien- oder Hefekultur und mit Zuführung der Belüftungsluft. Die Erfindung betrifft ferner·eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bis Jetzt sind einige Verfahren zur Herstellung der Biomasse aus flüchtigen Substraten in einem einstufigen Fermenter bekannt. Von den Alkoholen wurden benutzt: Methanol/T. Kaneda u. Mitarb., Can. J. Microbiol. 5, 87, 1959; Ogata u. Mitarb., J. Ferment. Technol. 48, 389, 1970; Äthanol/T. Akiba u. Mitarb., J. Ferment. Assoc. Japan 27, 91, 1969; T. Akiba u. Mitarb., J. Ferment. Technol. 48, 323, 1970; S. Omata u. Mitarb., J. Ferment. Assoc. Japan 26, 313, 1968; tschecho-

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slowakische Patentschriften Nr. 109 658, 137 496, 158 954, 158 991, 161 533; Isopropylalkohol/Τ. Akiba, T. Fukimbara, J. Ferment. Technol. 51, 134, 1973; und n-Butylalkohol/K. Ogata u. Mitarb., J. Ferment. Technol. 48, 470, 1970. Bei der Anwendung dieser Verfahren kommt es allerdings zu Substratverlusten in dem Auslaufstrom aus dem Fermenter und zu Verlusten durch Entweichen in der aus dem Fermenter ausgehen den Gasphase, falls höhere Konzentrationen des flüchtigen Substrats in dem Zulauf des Nährmediums verwendet werden. Außerdem sind die Verluste am flüchtigen Substrat in dem Auslaufstrom von der Verdünnungsgeschwindigkeit abhängig, welche die Gleichgewichtskonzentration des Substrats beeinflußt, deren Wert deswegen möglichst niedrig gehalten werden muß. Dadurch wird die Produktivität der genannten Verfahren stark beeinträchtigt, insbesondere durch die Konzentration des flüchtigen Substrats im Zulauf, aber auch gewissermaßen durch die Größe des Verdünnungsgeschwindigkeitswertes.

Es sind auch einige Verfahren bekannt, welche zur Herstellung der Biomasse aus flüchtigen Substraten ein mehrstufiges System benutzen. Es wurde der Verlauf eines Prozesses in einer serienweise geschalteten Fermenterkaskade geprüft, wobei sich beträchtliche Verluste durch Entweichen des flüchtigen Substrats in der Gasphase und auch Hemmwirkungen der hohen Konzentration des flüchtigen Substrats und der metabolischen Produkte des Prozesses bemerkbar machten. Dieses Verfahren hat ebenfalls eine beträchtlich begrenzte Produktivität wegen der niedrigen Verdünnungsgeschwindigkeit und wegen der niedrigen Konzentration des Substrats im Zulauf, wodurch man die Verluste des flüchtigen Substrats zu verhindern versucht hat. Einen weiteren Nachteil stellt die niedrige prozentuale Ausnutzung des Sauerstoffs aus dem Belüftungsgas wegen der kurzen Verweilzeit der Gasblasen während der Passage durch die flüssige Phase dar.'

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Ferner ist eine Biomasseerzeugung in einem mehrstufigen Turmfermenter mit perforierten Trennwänden ohne mechanisches Rühren bekannt (S. Goto u. Mitarb., J. Ferment. Technol. 51, 582, 1973). Bei diesem Verfahren wurden bloß 1,55 Gew.-% Äthanol im Zulauf verwendet und die Belüftung machte das 3,44-fache des durchfließenden Luftvolumens, bezogen auf das Volumen der flüssigen Phase pro Minute aus. In einem dreistufigen System wurde in dem Auslaufstrom eine Biomassekonzentration von 10 g/Liter erzielt, die Äthanolkonzentration war Null und die Ausbeute der Biomasse, bezogen auf das assimilierte Äthanol betrug 62 Gew.-%. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der niedrigen Äthanolkonzentration im Zulauf und in der daraus folgenden niedrigen Biomassekonzentration iin Aus lauf strom und des weiteren in einem beträchtlich großen Luftverbrauch zur Belüftung im Verhältnis zu der niedrigen Biomassekonzentration.

Die bis jetzt bekannten Einrichtungen beruhen auf dem Prinzip eines mehrstufigen Turmfermenters. Eine derartige Einrichtung wird aus Glaszylindern verbunden mit Aluminiumflanschen gebildet. Zv/ischen die Glaszylinder sind perforierte Trennwände, welche zugleich zur Temperierung der Füllung dienen, eingesetzt. Der Durchfluß der Flüssigkeitsund der Gasphase ist gleichstromartig, die Dispergierung der Gasphase wird hier mit den perforierten Trennwänden erzielt. Eine ausreichende Geschwindigkeit des Massenübergangs wird erst bei höheren Durchflußgeschwindigkeiten der Gasphase erzielt, was im Gegenteil die Effektivität der Sauerstoffausnutzung aus dem Belüftungsmedium herabsetzt.

Ferner sind noch einige Einrichtungen bekannt, in welchen zur Luftdispersion nur perforierte Trennwände verwendet werden; bei der Gleichstromanordnung des Durchflusses der flüssigen und der gasförmigen Phase ohne mechanisches Rühren

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kommt es bei dor Verminderung des Luftdurchflusces zur ZeI-lensediinentierung.

Eine weitere ähnliche Einrichtung bildet ein Turm mit perforierten Trennwänden, welche den ganzen Durchmesser des Turmes nicht ausfüllen. Diese Einrichtung ist eine Gegenstromanlage, die mit einem Rezirkulierungsrohr versehen ist; im unteren Teil dieses Rohres, das außerhalb des Fermenters angebracht ist, erfolgt das Vermischen der flüssigen Phase mit der Luft.

Außerdem ist eine Einrichtung bekannt, in der rotierende Scheiben abwechselnd mit einem großen und einem kleinen Durchmesser verwendet werden, denen gegenüber sich Stator-Scheiben mit einem entsprechenden Innendurchmesser befinden. In dem oberen Teil des Turmes sind statt mechanischer Rührwerke perforierte Trennwände angebracht. Diese Einrichtung arbeitet mit der Gleichstromanordnung des Durchflusses.

In einer weiteren Vorrichtung wird eine Gegenstromanordnung benutzt, welche aus voneinander mit perforierten Trennwänden getrennten einzelnen Stufen besteht. Die Vorrichtung ist mit einer Zentralwelle versehen, welche nicht in einzelne Stufen geteilt ist; in jeder Stufe ist ein Turbinenrührwerk angebracht. Die Trennwände sind mit Gefälleröhren ausgestattet, welche eine Flüssigkeitssperre der einzelnen Stufen des Fermenters bilden und durch welche die Rührwerkwelle hindurchgeht. Die Nachteile dieser Vorrichtungen liegen darin, daß es nicht möglich ist, die Anzahl der Stufen beliebig zu ändern; außerdem begrenzt die Gegenstromanordnung die Anwendung von hohen Konzentrationen der Kohlenstoff- und Energiequelle in dem Zulauf des Nährmediums unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung, welche bei dieser Anordnungsweise durch den Unterschied zwischen der Saturationskonzentration und der aktuellen Konzentration in

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der durchgehenden Luft und der Konzentration der Kohlenstoff- und Energiequelle begrenzt ist; bei der Verwendung eines mechanischen Rührwerkes kommt es zu einem großen Pdickfluß durch die Trennwand.

Es ist auch eine Vorrichtung bekannt, bei der drei Modifikationen angewendet werden. Die erste bedient sich bloß der perforierten Trennwände, die zweite eines in der Mitte angeordneten Überfallrohres und einer perforierten Trennwand und schließlich die dritte einer perforierten Trennwand mit einer Zentralwelle, welche in jeder Stufe eine mit Radialschlitzen versehene Scheibe trägt, die die Gasdispergierung bewirkt. Die Vorteile der Scheibe mit Radialschlitzen liegen in der Verminderung des Rückflusses durch die Trennwand, demgegenüber weist diese Scheibe eine sehr niedrige Pumpenkapazität auf, welche die Qualität der Durchmischung der flüssigen Füllung in der Stufe und dadurch die Stoffhomogenität und eine ausreichende Wärmeübertragung beeinträchtigt.

Gegenwärtig sind einige Typen der für mehrstufige Turmfermenter angewandten perforierten Trennwände bekannt. Es wurden Trennwände mit einem Lochdurchmesser von 2 mm und mit einer Gesamtfläche der Löcher von 15% und 3%, bezogen auf den Turmdurchmesser, vorgeschlagen und benutzt. Der Fermenter war nicht mit einem Rührwerk versehen und trotzdem machte der Wert des Koeffizienten des Rückflusses im ersten Falle 0,48 und im zweiten Falle 0,15 aus. Hierbei kam es zur Sedimentierung der Zellen und zur Erzielung einer ausreichenden Sauerstoffübertragung aus der gasförmigen in die flüssige Phase war ein großes Durchflußvolumen der Luft notwendig, was einen großen Gasinhalt und infolgedessen eine Verkleinerung des Arbeitsvolumens der Stufe verursachte; dadurch entstand auch ein beträchtlicher Widerstand in der Trennwand wegen der großen Strömungsgeschwindigkeit in den Löchern.

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In einem anderen Falle wurden verschiedene Typen von perforierten Trennwänden in einem Fermenter mit mechanischem Rühren und mit der Gegenstromanordnung des Flusses der flüssigen und der gasförmigen Phase benutzt. Es wurde festgestellt, daß mit dem Frequenzabfall der Umdrehungen der Rührwerke auch der Koeffizient des Rückflusses bedeutend sinkt. Zugleich sinkt aber auch die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung.

Die benutzten Sieb- bzw. perforierten Trennwände sind insgesamt für Gegenstromsysteme ohne mechanisches Rühren bestimmt. Deswegen wird der Einfluß der dynamischen Wirkungen der gerührten von dem Rührwerk strömenden Flüssigkeit auf die Größe des Rückflusses nicht in Betracht gezogen. Die Konstruktion dieser Trennwände ist sehr kompliziert und nicht geeignet für biologische Prozesse vom Standpunkt des unwirksamen Raumes, des Verwachsens mit Mikroorganismen und der äußerst schwierigen Reinigung aus.

Die Mangel der bis jetzt genannten Verfahren beseitigt das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse aus flüchtigen Substraten, beispielsweise aus dem synthetischen, Sulfit- oder Lufthefebrennereisprit, gegebenenfalls vermischt mit Abfallrohstoffen, welche eine von den Mikroorganismen utilisierbare Kohlenstoffquelle enthalten, unter Zusatz eines Nährmediums, wobei mit diesem Fermentierungsmedium ein mehrstufiger Turmfermenter gefüllt wird, mit nachfolgender Beimpfung mit einer Bakterien- oder Hefekultur und unter Zuführung der Belüftungsluft. Das Prinzip der Erfindung liegt darin, daß man die Biomasse nach Anwachsen der Einwirkung der Abfallrohstoffe und des Nährmediums unterwirft, welche 3 bis 15 Gew.-% Äthanol enthalten und welche in einen mehrstufigen Turmfermenter eingeleitet werden, wobei die pH-Werte in den einzelnen Stufen des Fermenters 4,0 bis 6,8 und die Temperaturwerte 25 bis 45⁰C be-

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tragen. Flüchtige Substrate, Abfallrohstoffe, Nährmedium und die Belüftungsluft werden in die erste Stufe des Ferinenters zugeführt.

In einer anderen Abwandlung wird Äthanol in einer Menge von bis 5 Gew. ·>-% in jede Rakt ions stufe des Ferinenters zugeführt oder in jede Reaktionsstufe des Ferinenters wird eine das Äthanol in einer Konzentration von bis 5 Gew.-% enthaltende Nährme diuialö sung züge führt.

Die Menge der in die erste Reaktionsstufe des Fermenters zugeführten Belüftungsluft beträgt bis zum 3,5-fachen des Volumens der flüssigen Phase einer Reaktionsstufe pro Minute.

Bei einer anderen Alternative wird die Belüftungsluft in jede Reaktionsstufe und in die Kachgärungsstufe des Fermenters in einer Menge, welche bis zum zweifachen des Volumens der flüssigen Phase in jeder dieser Stufen des Fermenters pro Hinute ausmacht, zugeführt.

Bei einer weiteren Alternative wird als Belüftungsmedium die mit Sauerstoff bis auf 50 Vol.-?o angereicherte Luft verwendet.

In einer anderen Variante wird als Belüftungsmedium in der zweiten und in den weiteren Stufen und in der Nachgärungsstufe des Fermenters Sauerstoff in einer Menge, welche bis zum 0,5-fachen des Volumens der flüssigen Phase in jeder dieser Stufen pro Minute beträgt, verwendet.

Bei diesem Verfahren zur Herstellung der Biomasse werden dem Nähimedium Brennereischlempe mit einem Trockensubstanzgehalt von 75 bis 80 Gew.-% in einer Menge von 500 g auf 100 g der gebildeten Zellentrockensubstanz zugesetzt; dieselbe dient

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als eine partielle Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wuehsstoffquelle, was eine Verbrauchverminderung von diesen Stoffzusätzen in Form von Qualitätsrohstoffen darstellt.

Is wird der Vorteil des Gleichstromflusses des Nährmediums, das das flüchtige Substrat enthält, mit dem Belüftungsgas ausgenutzt, wobei die Konzentration des flüchtigen Substrats in der Gasphase während des Durchganges durch die einzelnen Stufen stets herabgesetzt wird; dank der langen Dauer des Kontaktes des Substrats mit in der flüssigen Phase resuspen-· dierten Mikroorganismen, sowie der Wirkung der perforierten Trennwände und der mehrfachen Rührwerke wird eine erhöhte Massenübertragung, d.h. eine maximale Ausnutzung des Sauerstoffs aus dem Belüftungsgas erreicht. Die perforierten Trennwände sichern den Trennungseffekt, wodurch der Konzentrations gradient zwischen den einzelnen Stufen und somit auch die gewünschte Ausnutzung des flüchtigen Substrats durch die Zellen erzielt wird. Im Gegenteil, ein gewisser kleiner Rückfluß durch, die perforierten Trennwände gewährleistet eine dauernde Reinokulation der vorstehenden Stufe mit auf höhere Konzentration des flüchtigen Substrats adaptierten Zellen, Ferner setzt die Verteilung des Äthanolzulaufes in einzelne Stufen im Vergleich mit dem einstufigen Verfahren in beträchlichem Maße die durch die hohe Konzentration des Substrats verursachten Hemmwirkungen herab und erlaubt deswegen höhere Verdünnungsgeschwindigkeiten ohne etwaige Ausschwemmung der Zellen zu verwenden.

Während der Biomassebildung entstehen Produkte sauren Charakters, die sich in einem einstufigen System nicht ausnutzen lassen. Sie lassen sich aber in dem erfindungsgemäßen Verfahren so ausnutzen, daß man in den einzelnen Stufen optimale pH-, Temperatur- und Sauerstoffzufuhrbedingungen einstellt, wodurch die Gesamtausbeute des Prozesses erhöht wird.

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Nach diesen Maßnahmen können die Mikroorganismen die sauren Produkte als Kohlenstoff quelle zu ihrem Wachstum ausnutzen.

Durch die Anwendung einer hohen Substratkonzentration in dem Zulauf zusammen mit der hohen Ausbeute erzielt man in diesem Verfahren eine mehrfach höhere Konzentration der Biomasse im Ausfluß im Vergleich mit den klassischen einstufigen Prozessen, was auch die Erreichung einer höheren Effektivität in dem nachfolgenden Prozeß der Biomasseseparation ermöglicht.

Die Nachteile der Vorrichtung zur Durchführung der eingangs erwähnten bekannten Verfahren beseitigt die Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung der mikrobiellen Biomasse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches flüchtige Substrate verwendet. Die Vorrichtung besteht aus einzelnen aufeinander angeordneten Stufen, voneinander mit perforierten Trennwänden getrennt und mit Seheibenturbinenrührwerken versehen. Das Prinzip der Erfindung liegt darin, daß die Vorrichtung mindestens aus zwei Reaktionsstufen besteht, von welchen die letzte obere Stufe die Nachgärungsstufe darstellt, und ferner aus der oberen Überfallstufe, die zugleich einen Raum für den Schaum bildet. Bei den Reaktionsstufen beträgt das Verhältnis der Stufenhöhe zu dem inneren Durchmesser der Stufe 1,0 bis 3,0. Die Entfernung des unteren Rührwerkes von der perforierten Trennwand oder von dem Boden in der ersten Stufe beträgt 0,4 bis 1,5 des Durchmessers des Rührwerkes, wobei in der Stufe mindestens ein Rührwerk angebracht ist und die Entfernung zwischen den Rührwerken 0,8 bis 1,6 des Durchmessers des Rührwerkes beträgt. In der Nachgärungsstufe beträgt das Verhältnis der Stufenhöhe zu dem inneren Durchmesser der Stufe 1,0 bis 4,0, die Entfernung des unteren Rührwerkes von der perforierten Trennwand beträgt 0,4 bis 1,5 des Durchmessers des Rührwerkes, wobei in der Stufe min-

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destens ein Rührwerk angebracht ist und die Entfernung zwischen den Rührwerken 0,9 bis 2,5 des Durchmessers des Rührwerkes beträgt. In der Überfallstufe ist das Verhältnis der Stufenhöhe zu dem inneren Durchmesser 1,0 bis 4,0 und das Verhältnis der Höhe der Flüssigkeitsfüllung zu dem inneren Durchmesser beträgt 0,1 bis 2,0. Die Belüftungsgaszufuhr sowie die Nährmediumzuleitung sind an die untere (erste) Reaktionsstufe angeschlossen. Die Vorrichtung arbeitet in der Gleichstromanordnung des Flusses. In einzelnen Stufen sind zwecks wiederholter Dispergierung der Gasphase in der flüssigen Phase perforierte Trennwände und Turbinenrührwerke angebracht. Die perforierten Trennwände sind in der Flanschenverbindung der einzelnen Stufen befestigt.

Die Vorrichtung besteht aus einzelnen übereinander angeordneten Stufen, welche voneinander durch perforierte Trennwände getrennt sind. In der Achse der Vorrichtung ist eine Welle angebracht, die Scheibenturbinenrührwerke trägt, welche ein gutes Durchrühren der Füllung und Zufuhr der Nährstoffe in die Zellen, Abfuhr der Metabolite und eine ausreichende Wärmeübertragung sicherstellen und die Zellensedimentierung verhindern. Die perforierten Trennwände als auch die Rührwerke eliminieren die Koaleszenz der Blasen.

Die Trennwand ist mit Löchern mit einem Durchmesser von 0,6 bis 2,6 mm versehen, welche in Form einer Kreisringfläche angeordnet sind. Die Gesamtfläche der Löcher in der Trennwand, bezogen auf den inneren Durchmesser der Kolonne, beträgt 0,4 bis 6,5%.

Nach einem weiteren Kennzeichen beträgt der innere Durchmesser der Kreisringfläche 0,7 bis 0,2 des inneren Durchmessers der Kolonne; der äußere Durchmesser der Kreisringfläche beträgt 1,4 bis 0,4 des Durchmessers des Rührwerkes und der

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innere Durchmesser der Kreisringfläche beträgt 1,0 Ms 0_s1 des Durchmessers das Rührwerkes.

Durch geeignete Wahl des Durchmessers der Löcher, dor Gosantflache der Löcher und deren Anordnung in der Trennwand läßt sich eine beträchtliche Verkleinerung und Minimalisic""nn£ dor Koeffizientgröße des Zwischenstufenrückflusses der fllic-cigcn Phase, gegebenenfalls der in der flüssigen Phase recuopcndierten festen Teilchen erzielen.

Der Effekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt derlei_t daß die Anordnung mehrerer Stufen übereinander, dere:a ge£;c-:.ir-ui~ tiges Abtrennen mit perforierten Trennwänden und dia /.rwendung von Seheibenturbinenrührwerken in einzelnen Stufen eine hohe Säuerstoffausnutzung aus dem Belüftüngsgas ermöglicht, was eine Ersparnis einer Menge des Belüftungsgases darstellt, das man komprimieren und filtrieren muß. Außerdem ermöglicht diese Vorrichtung an der Grenze der maximalen GesckwineLi^'.ait der Sauerstoffzufuhr aus dem Belüftungsgas, welche zugleich die maximale Sauerstoffausnutzung aus dem Belüftungsgas gewährleisten» zu arbeiten, d.h. unter Bedingungen, wo es noch zu keiner Geschwindigkeitsverminderung der Sauerstoffzufuhr durch Einwirkung einer markanten Herabsetzung der Übertragungstreibkraft kommt. Diese Einwirkung macht sich auch bei der Anwendung einer gasförmigen Kohlenstoff- und Energiequelle bemerkbar. Durch Gleichstromanordnung des Flusses der Flussigkeits- und der Gasphase läßt sich das erzielen, daß in der Stufe mit dem größten Substratinhalt das Belüftungsgas auch den höchsten Sauerstoffgehalt aufweist.

Durch unterschiedliche Rührwerkdurchmesser läßt sich die Geschwindigkeit der Massenübertragung aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase in einzelnen Stufen bei derselben Frequenz der Wellenumdrehungen und zugleich auch die Größe der durch das Rührwerk verursachten Scherkräfte ändern. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, hohe Konzentrationen

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des flüchtigen Substrats in dem Nährmediumzulauf gleichzeitig mit einer hohen Verdünnungsgeschv/indigkeit zu verwenden; durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses der Stufenhöhe zu dem inneren Durchmesser, der Anzahl der Stufen und der Sauerstoffzufuhr bildet sich ein Konzentrationsgradient des restlichen flüchtigen Substrats in einzelnen Stufen so, daß in der letzten Stufe diese Konzentration am erwünschten niedrigen Wert gehalten wird, wodurch Verluste dieses Substrats durch Entweichen aus dem Fermenter mit den Abgasen verhindert werden. In der Nachgärungsstufe ist es möglich, die mittlere. Verweilzeit der mikrobiellen Zellen zu verlängern, dadurch die erwünschte Ausnutzung des flüchtigen Substrats zu erzielen und die- Verluste desselben in dem Ausflußstrom des Mediums aus dem Fermenter vorzubeugen. Durch Anwendung einer hohen Substratkonzentration in dem Nährmediumzulauf läßt sich in der erfindungsgemäßen Einrichtung eine hohe Konzentration der Zellentrockensubstanz in dem Ausflußstrom aus dem Fermenter erzielen. Dies bedeutet im Vergleich mit dem einstufigen System bei demselben Wert des Volumendurchflusses des Nährmediums eine Ersparnis der zur Abtrennung der Zellen von dem flüssigen Medium erforderlichen Zentrifugenanzahl. Die Entfernung des unteren Rührwerkes von der Trennwand zugleich mit der geeigneten Geometrie der perforierten Trennwand., d.h. Lochdurchmesser, die Gesamtfläche der Löcher und deren Anordnung an der Kreisringfläche sichern einen bestimmten kleinen Rückfluß, welcher eine dauernde Reinokulation der vorstehenden Stufe mit an hohe Konzentration des flüchtigen Substrats adaptierten Zellen gewährleistet, was toxische und hemmende Wirkungen der hohen Konzentration des Substrats· herabsetzt, die Ausschwemmung verhindert und die Anwendung von hohen Verdünnungsgeschwindigkeiten gestattet, wodurch die Produktivität der Produktion erhöht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand nachfolgender Bei-

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spiele näher erläutert.

Beispiel 1

In einem mehrstufigen Turmfermenter, bestehend aus fünf Reaktionsstufen und aus einer Nachgärungsstufe, wurdo das Nährmedium (ohne Brennereischlempe), Äthanol und Luft zugeführt, und zwar in die erste Reaktionsstufe. Der Volumendurchfluß der Flüssigkeitsphase,bezogen auf die Voluineneinheit der Flüssigkeitsphase, d.h. die Verdünnungsgeschvindigkeit, wurde auf

—1
0,3 h eingestellt, der Luftdurchfluß beitrug das 1,5-fache des Volumens der Reaktionsstufe pro Minute und der pH-Wert wurde in allen Stufen konstant bei 4,5 gehalten. Die Äthanolkonzentration in dem Zufluß in die erste Reaktionsstufe des Fermenters betrug 10 Gew.-%.

Unter den angegebenen Bedingungen wurden diese Ergebnisse erzielt:

Äthanolkonzentration 0,9 g/l

Konzentration der mikrobiellen

Trockensubstanz 54,0 g/l

Ausbeute der Biomasse, bezogen

auf das ausgenutzte Äthanol 54,5 % Systemproduktivität 2,7 g Biomassetrockensubstanz

l.h

Beispiel 2

Die Anzahl der Stufen des mehrstufigen Turmfermsnterr, der regulierte pH-Wert, die Verdünnungsgeschwindigkeit des Nährmediums, dessen Zusammensetzung und die Belüftungsgröße waren dieselben wie im Beispiel 1.

Die Äthanolzufuhr·wurde in die ersten vier Stufen verteilt, wobei das prozentuale Verhältnis der Summe der Äthanolzufuhr (kg absol. Äthanol/h), bezogen auf den gesamten Durchfluß der

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flüssigen Phase (kg/h) 10 betrug, wie im Beispiel 1.

Das Verhältnis der Durchflüsse in die 1., 2., 3. und 4. Stu fe betrug 1:1,5:1:1.

Unter diesen Bedingungen wurden im Gleichgewichtszustand nachfolgende Ergebnisse erzielt:

Äthanolkonzentration im Austritt 0,5 g/l Konzentration der mikrobiellen

Trockensubstanz 63»2 g/l

Ausbeute der Biomasse, bezogen ^, ,_ _0/

auf das ausgenutzte Äthanol co»2 /° Systemproduktivität 3,17 g Biomassetrockensub stanz

l.h

Beispiel 3

Die Anzahl der Stufen des mehrstufigen Turmfermenters, der regulierte pH-Wert, die Verdünnungsgeschwindigkeit des Nährmediums und die Belüftungsgröße waren dieselben wie im Beispiel 1. Dem Nährmedium wurde eingedickte Brennereischlempe (75% Trockensubstanz) in einer Menge von 94 g/Liter zugesetzt.

Die Äthanolzufuhr wurde auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 angegeben, reguliert. Das Verhältnis der Summe einzelner Äthanolzuflüsse zum Durchfluß der flüssigen Phase blieb dasselbe wie im Beispiel 2.

Die im Gleichgewichtszustand erzielten Ergebnisse waren folgende:

Äthanolkonzentration im Austritt 0,5 g/l

Konzentration der Hefetrockensubstanz im Austritt 68,1 g/l

Ausbeute der Biomasse, bezogen * ο μ _y( auf das ausgenutzte Äthanol ^ ^i T /-"

Systemproduktivität 3,4 g Trockensubstanz

l.h.

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Beispiel 4

Die Anzahl der Stufen des mehrstufigen Turmfermenters, die Verdünnungsgeschwindigkeit dos Nährmediums und die Belüftungsgröße waren dieselben wie im Beispiel 1. Das Nährmedium enthielt eingedickte Brennereischlempe in derselben Konzentration und Menge wie im Beispiel 3 angegeben.

Der Äthanolzulauf wurde wie im Beispiel 2 angegeben, reguliert. Das Verhältnis der Summe der einzelnen Äthanolzuflüsse zum Durchfluß der flüssigen Phase blieb derselbe wie im Beispiel 2. Der pH-Wert wurde wie folgt eingehalten:

1. Stufe 4,5

2. Stufe 4,5:.

3. Stufe 5,2

4. Stufe 6,0

5. Stufe 6,5

Die im Gleichgewichtszustand der Fermentierung erzielten Ergebnisse :

Äthanolkonzentration im Austritt 0,3 g/l Konzentration der Hefetrockensubstanz

im Austritt 72,3 g/l

Ausbeute der Biomasse, bezogen auf

das ausgenutzte Äthanol 72,5 %

Systemproduktivität 3,6 g Biomasse

l.h

Beispiel 5

Die Anzahl der Stufen des mehrstufigen Turmfermenters und die Verdünnungsgeschwindigkeit waren dieselben wie im Beispiel 1. Das Nährmedium enthielt Brennereischlempe in der im Beispiel 3 angegebenen Menge. Die Äthanolzufuhr wurde wie im Beispiel 2 reguliert. Die pH-Werte in einzelnen Stufen

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wurden nach dem Beispiel 4 eingestellt. Das Verhältnis der Summe der Äthanolzuflüsse zum Durchfluß der. flüssigen Phase war dasselbe wie im Beispiel 2. Die Luft wurde in die 1. Stufe in einer dem 1,5-fachen Volumen der Reaktionsstufe entsprechenden Menge pro Minute zugeführt. Der Sauerstoff wurde in die 2. Stufe in einer der 1/10 des Volumens der Reaktionsstufe entsprechenden Menge pro Minute zugeleitet.

Die im Gleichgewichtszustand der kontinuierlichen Fermentierung erzielten Ergebnisse waren nachfolgend: Äthanolkonzentration im Austritt 0,1 g/l

Konzentration der Hefetrockensubstanz im Austritt 76,0 g/l

Ausbeute der Biomasse, bezogen auf das ausgenutzte Äthanol . 77,0 %

Systemproduktivität 3,8 g Biomasse^

..h

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im weiteren anhand des Beispiels nach den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig.1 stellt schematisch die Reaktionsstufe 1 mit perforierten Trennwänden 3 dar; in der Mitte der Stufe geht die Welle 8 durch, an der Rührwerke 2 angebracht sind.

Fig. 2 stellt die Nachgärungsstufe 4 dar;

Fig., 3 zeigt die obere Überfallstufe 5, in der unter dem oberen Deckel 11 das Wellenende im Lager 12 eingebettet ist. Die Mikroorganismensuspension im Nährmedium fließt durch den Überfall 6 aus, die Fermentierungsabgase werden durch die öffnung 7 abgeführt. Diese Stufe dient zur Abtrennung der Gasphase von der Flüssigkeitsphase und im Falle eines plötzlichen Schäumens als ein Reserveraum für den Schaum und dessen Liquidierung. Die Abgasöffnung befindet sich im Turmman-

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tel zwecks leichter Demontierung des oberen Deckels für den Fall der mechanischen Reinigung, die in dieser Stufe öfters durchzuführen ist als in den übrigen Stufen, welche während des Betriebes mit der Flüssigkeitsphase ganz gefüllt sind und in welchen mechanische Rührwerke angebracht sind. In üblichen Fällen genügen die Rührwerke zu einer effektiven Wirkung der Wasch- oder Spüllösung. Trotzdem ist es zweckmäßig, wie die Reaktions- als auch die Nachgärungsstufen mit einem Mannloch zu versehen, um die mechanische Reinigung von Zeit zu Zeit zu ermöglichen.

Fig. 4 zeigt schematisch die Zusammenstellung einer sechsstufigen Anlage. Die unteren vier Stufen sind Reaktionsstufen 1, die fünfte ist die Nachgärungsstufe 4 und die obere ist die Überfallstufe 5. Das Nährmedium wird in die untere Stufe des Fermenters durch das Zuleitungsrohr 10 und das Belüftungsgas durch das Zuleitungsrohr 9 im unteren Deckel zugeführt. Jede Stufe trägt einen Tubus, in welchem die zur Messung des pH-Wertes und der Tension des gelösten Sauerstoffes dienenden Elektroden und ein Fühler zur Temperaturmessung angebracht sind, ferner ein Laugen- oder Säure-Zuleitungsrohr zur Aufrechterhaltung des erforderlichen pH-Wertes, ein ZuIeitungsrohr für das Antischaummittel - unter bestimmten Bedingungen kommt es zur Schaumbildung -, ein Zuleitungsrohr für eventuelle Zugabe eines weiteren Substrats oder Belüftungsgases, eine Einrichtung zur Probeentnahme und zum Impfen. In denjenigen Stufen, in welchen die Rührwerke angebracht sind, befinden sich vier Rührprallbleche 14, die die Bildung eines zentrischen Wirbels, bzw. die Entstehung eines Rührgebiets des überwiegenden Einflusses von Inertialkräften verhindern sollen.

Fig. 5 stellt die Festhaltung der perforierten Trennwand 3 in der Flanschenverbindung der Stufen dar. Die Trennwand 3

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ist mit einer flachen Dichtung 15 abgedichtet. Die Temperierung der Einrichtung läßt sich für jede Stufe selbständig, für mehrere Stufen oder für alle Stufen gleichzeitig durchführen, und zwar entweder mit Hilfe eines Duplikatormanteis oder mit Hilfe an dem Mantel angeschweißter Schlangen oder schließlich durch Berieseln der äußeren Oberfläche. Die Sterilisierung der Vorrichtung führt man mittels Dampfzuführung durch den Überfall 6 und durch die Ableitung des Kondensats durch das ZuIeitungsrohr 10 im unteren Deckel durch. Die Füllung des Fermenters mit dem Nährmedium erfolgt durch das Zuleitungsrohr 10. Bei dem Start der Kultivierung wird jede Stufe selbständig beimpft wegen des Trenneffektes der perforierten Trennwände. Der Start der kontinuierlichen Kultivierung wird durch Einschalten der das Nährmedium fördernden Pumpe eröffnet, sobald die Zellenkultur die Umgebung des Inflexionspunktes der Wachstumskurve erreicht.

Im weiteren ist die Erfindung mit Hilfe der Fig. 6 bis 11 näher erläutert.

Fig. 6 stellt die Anordnung der erfindungsgemäßen Trennwand dar. Die Löcher in der Trennwand bilden eine Kreisringfläche, deren Größe eine Funktion vom Durchmesser und vom Typ des benutzten Rührwerkes ist, und zwar nach der Abhängigkeit:

D₁ = (1,4 - 0,4)d

D₂ = (1,0 - 0,1)d

D₁ = (0,7 - 0,2)D

D₂ = (0,6 - 0,1)D

wobei D₁ den äußeren Durchmesser der Kreisringfläche, Dp den inneren Durchmesser der Kreisringfläche, d den Durchmesser des Rührwerkes und D den inneren Durchmesser des Turmes bedeutet.

Fig. 7 stellt die Abhängigkeit der Veränderung der Koeffizientengröße des Zwischenstufenrückflusses (x) von der Fre-

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quenz der RüJorwerkumdrehungen (n) dar.

Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Koeffizienten (⁰O von der Größe der Belüftung (Vg),

Fig. 9 die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung (K^aC) von der Frequenz der Rührwerlaimdrehungen (n) dar.

In Fig. 10 sind die Drucke in einzelnen Stufen des Turmfermenters angegeben und

Fig. 11 stellt die Veränderung der Größe- des Gas inhaltes dar, bezogen auf das Gesamtvolumen der Stufe, in Abhängigkeit von der Frequenz der Rülirwerkumdrehungen.

Mit der Steigerung der Belüftungsgröße, welche die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung beeinflußt, kommt es eingangs bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Trennwände zu einer raschen Senkung des Koeffizienten des Rückflusses, der sich mit weiterer Vergrößerung der Belüftung praktisch nicht ändert und auf einem minimalen Wert stehenbleibt. Unter den Bedingungen, wo der minimale Wert des Koeffizienten des Rückflusses erreicht wird, wird zugleich die maximale Geschwindigkeit der Massenübertragung zwischen den Phasen K-^aC = 300 Mol/l.h (siehe Fig. 7) erzielt. Mit der Steigerung der Belüftungsgröße, welche die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung beeinflußt,tritt keine Erhöhung der Druckverluste bei dem Durchfluß durch die perforierten Trennwände auf, was experimentell nachgewiesen wurde. Die Druckverluste in einzelnen Trennwänden unter den Belüftungsbedingungen, welche den üblich angewandten Bedingungen der Mikroorganismenkultivierung entsprechen, vermindern sich in höheren Stufen (siehe Fig.9). Mit der Steigerung der Frequenz der Rührwerkumdrehungen und der Belüftungsgröße kommt es in der Stufe zu einer geringen Vergrößerung des Gasinhaltes, was gewährleistet, daß sich das Arbeitsvolumen der Stufe nicht übermäßig verkleinert (siehe Fig. 10).

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Claims

Patentansprüche

ίϊ * Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse aus flüchtigen Substraten, beispielsweise aus synthetischen, aus dem Sulfit- oder Lufthefebrennereisprit, gegebenenfalls vermischt mit Abfallrohstoffen, welche eine von den Mikroorganismen utilisierbare Kohlenstoffquelle enthalten, unter Zusatz eines Nährmediums, wobei mit diesem Fermentii:rungsmedium ein mehrstufiger Turmfermenter gefüllt wird, mit nachfolgender Beimpfung mit einer Bakterien- oder Hefekultur und unter Zuführung der Belüftungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß man die Biomasse nach Anwachsen der Einwirkung der Abfallrohstoffe und des Nährmediums unterwirft, welche 3 bis 15 Gew.-% Äthanol enthalten und welche in einen mehrstufigen Turmfermenter eingeleitet v/erden, wobei die pH-Werte in den einzelnen Stufen des Fermenters 4,0 bis 6,8 und die Temperaturenwerte 25 bis 45⁰C betragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man die flüchtigen Substrate, die Abfallrohstoffe, das Nährmedium und die Belüftungsluft in die erste Stufe des Fermenters zuführt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß man in jede weitere Reak-

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ORIGINAL IMP

" 2 6 4 α b 4

-ι-

tionsstufe des Fermenters Äthanol in einer Menge von 5 Gew.~?S zuführt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man in jede weitere Reaktionsstufe des Fermenters die Nälirmediumlösung zuführt.
5. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge der in die erste Reaktionsstufe des Fermenters zugeführten Belüftungsluft bis zum 3,5~fachen des Volumens der flüssigen Phase in einer Reakticnsstufe pro Hinute beträgt.
6. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet _t daß man die Belüftungsluft in jede Reaktionsstufe und in die Nachgärungstufe des Fermenters in einer Menge, welche bis zum zweifachen des Volumens der flüssigen Phase in jeder dieser Stufen des Fermenters pro Minute' beträgt, zuführt.
7. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Belüftungsmedium die mit Sauerstoff bis auf 50 Vol.-% angereicherte Luft verwendet.

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ORIGINAL SMSP2CTEP
8. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung inikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß man als Belüftungsiaodium in der zweiten und in den weiteren Roaktionsstufen und in der Nachgärungsstufe des Fermenters Sauerstoff in einer Menge von bis zum 0,5-fachen des Volumens der flüssigen Phase in jeder dieser Stufen pro Minute verwendet.
9. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß man dem Nährmedium Brennereischlempe mit einem Trockensubstanzgehalt von 75 bis 80 Gew.-% in einer Menge von 500 g auf 100 g der'gebildeten Zellentrockensubstanz zusetzt.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß man die nicht eingedickte Brennereischlempe mit einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 12 Gew«-% mit Nährsalzen ergänzt.
11. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Verdünnungsgeschwindigkeit der durch den Reaktor durchgehenden Stoffe 0,05 bis 0,4 h~¹ beträgt.
12. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach einem flüchtige Substrate ausnutzenden

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Verfahren, bestehend aus einzelnen übereinander angeordneten Stufen, welche voneinander durch perforierte Trennwände getrennt und mit Scheibenturbinenrührwerken versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens zwei Reaktionsstufen (1), wobei die letzte (obere) Stufe die Nachgärungstufe (4) darstellt, und ferner aus einer Überfallstufe (5)» welche zugleich einen Raum für den Schaum bildet, besteht.
13. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß bei den Reaktionsstufen das Verhältnis der Stufenhöhe zu dem inneren Durchmesser der Stufe H/D 1,0 bis 3,0 beträgt, ferner daß die Entfernung des unteren Rührwerkes (2) von der perforierten Trennwand (3) oder von dem Boden in der ersten - unteren - Stufe 0,4 bis 1,5 des Durchmessers des Rührwerkes beträgt, wobei in der Stufe mindestens ein Rührwerk angebracht ist und die Entfernung zwischen den Rührwerken 0,8 bis 1,6 des Durchmessers des Rührwerkes ausmacht.
14. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Stufenhöhe in der Nachgärungsstufe (4) zu dem inneren Durchmesser der Stufe H/D 1,0 bis 4,0 beträgt, ferner daß die Entfernung des unteren Rührwerkes (2) von der perforierten Trennwand (3) 0,4 bis

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1,5 des Durchmessers des Rührwerkes beträgt, wobei in der Stufe mindestens ein Rührwerk angebracht ist und die Entfernung zwischen den Rührwerken 0,9 bis 2,5 des Durchmessers des Rührwerkes beträgt.
15. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß in der Überfallstufe (5) das Verhältnis der Stufenhöhen zu dem inneren Durchmesser der Stufe H/D =1,0 bis 4,0 und das Verhältnis der Höhe der Flüssigkeitsfüllung in dieser Stufe zu dem inneren Durchmesser der Stufe H_L/D = 0,1 bis 2,0.
16. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Belüftungsgaszufuhr (9) sowie die Nährmediumzuleitung (10) an die untere (erste) Reaktionsstufe angeschlossen sind.
17. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß in einzelnen Stufen zwecks wiederholter Dispergierung der Gasphase in der flüssigen Phase perforierte Trennwände (3) und Turbinenrührwerke (2) angebracht sind.
18. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekenn-

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zeichnet , daß die perforierten Trennwände (3) in der Flanschenverbindung der einzelnen Stufen befestigt sind.
19. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Scheibenturbinenrührwerke in allen Stufen derselbe ist.
20. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikroMeiler Biomasse nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet , daß der Durchmesser der Scheibonrührwerke in einzelnen Stufen unterschiedlich ist.
21. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 12 bis 20, gegebenenfalls versehen in jeder Stufe der Kolonne mit einem Rührwerk, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand mit Löchern mit einem Durchmesser von 0,6 bis 2,6 mm versehen ist, welche in Form einer Kreisringfläche angeordnet sind, wobei die Gesamtfläche der Löcher in der Trennwand, bezogen auf den inneren Durchmesser der Kolonne 0,4 bis 6,6?6 beträgt.
22. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Biomasse nach den Ansprüchen 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Durchmesser der Kreisringfläche 0,1 bis 0,6 des inneren Durchmessers der

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Kolonne und der äußere Durchmesser der Kreisringfläche 0,7 bis 0,2 des inneren Durchmessers der Kolonne beträgt.
23. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung mikrobieller Bioinasse nach den Ansprüchen 12 bis 22 für Fermenter und Massenaustauscher, versehen in jeder Stufe mit einem Rührwerk, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser der Kreisringfläche 1,0 bis 0,1 des Durchmessers des Rührwerkes und der äußere Durchmesser 1,4 bis 0,4 des Durchmessers des Rührwerkes beträgt.

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