DE2659542A1 - Verfahren zur reinigung von biomasse - Google Patents
Verfahren zur reinigung von biomasseInfo
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Description
Die vermutliche Erfindung betrifft das Gebiet der technischen Mikrobiologie und behandelt ein Verfahren zur Reinigung von Biomasse, insbesondere die Reinigung durch Abtrennung von Kulturflüssigkeit und/oder Waschwasser.
Die Erfindung kann genutzt werden in Anlagen, in denen Mikroorganismen gezüchtet und gereinigt werden.
Es sind Verfahren bekannt, nach denen biologisches Material (Biomasse) aufgearbeitet oder gereinigt werden kann. Dies trifft auch auf Hefezellensuspensionen bei der industriellen Gewinnung von Futterhefe zu.
Die Reinigung erfolgt in der Regel zunächst durch weitestgehende mechanische Abtrennung der wässrigen Kulturflüssigkeit durch Dekantation und damit Abtrennung eines wesentlichen Teiles der unerwünschten prozeßspezifischen Stoffe.
Der auf-konzentrierten Biomassesuspension wird vornehmlich reines Wasser zugesetzt und dieses auf dem gleichen Weg, soweit wie möglich durch mechanische Verfahren abgetrennt. Entscheidend für den Reinigungseffekt ist somit der mechanische Abscheidegrad der Kulturflüssigkeit bzw. des zugesetzten Waschwassers. Je höher der mechanische Abscheidegrad ist, desto größer ist der Reinigungseffekt und um so weniger Waschstufen sind erforderlich.
Zusätzlich verringert sich mit Erhöhung des mechanischen Abscheidegrades der Energiebedarf für die thermische Abtrennung in den Fällen, in denen das gereinigte biologische Produkt als rieselfähiges lagerungsstabiles Trockenprodukt abgegeben werden muß, z.B. in bestimmten Fällen der Futterhefeproduktion.
Industriemäßig werden für diese Reinigungsverfahren zur Wasserabtrennung in der Regel kontinuierlich arbeitende Zentrifugen, sogenannte Separatoren, eingesetzt. Unter industriemäßigen Bedingungen der kontinuierlichen Separation kann jedoch der Wasserabscheidegrad nur soweit getrieben werden, dass die Biomassensuspension noch sehr gute Fließeigenschaften hat.
Diese guten Fließeigenschaften sind notwendig, damit sich die Separatoren nicht zusetzen oder im Durchsatz stark begrenzt werden.
Da diese Verfahren in der Regel bei 25-35 °C arbeiten, kann eine mechanische Wasserabtrennung nur soweit erreicht werden, dass in der Hefesuspension der Trockensubstanzgehalt 13-15% nicht übersteigt.
In Abhängigkeit von der gewünschten Reinheit ist somit die Waschstufenanzahl festzulegen. Sollen Trockenprodukte mit einem Wassergehalt von 5-10% erzeugt werden, muß also ein sehr hoher Anteil des restlichen Wassers durch thermische Verfahren, z.B. Vakuumeindampfung und anschließende Sprühtrocknung abgetrennt werden.
Diesem Reinigungsverfahren sind jedoch auch prinzipiell Grenzen gesetzt, da eine Einflussnahme auf unerwünschte Zellinhaltsstoffe kaum möglich ist.
So wurden auch in Patentschriften zur Verbesserung der Auftrennung der verschiedenen Phasen und damit auch zur Verbesserung der Wasserabtrennung zahlreiche Verfahren beschrieben. Nach WP-DL 52.762 erfolgt der Zusatz von anionischen, kationischen bzw. nichtionogenen Tensiden zum Fermentorablauf. Zur weiteren Verbesserung des Trenneffektes sind noch solche Maßnahmen, wie die Erhöhung der Temperatur oder die Zwischenschaltung von Waschprozessen (WP-DL 74.751), die Verringerung des osmotischen Druckes durch Aussalzen, das Verdampfen und das Trocknen bekannt.
Nach WP-DL 54.655 ist ein Verfahren zur Gewinnung von freien Aminosäuren durch Auto-, Hydro- bzw. Plasmolyse bekannt. Durch Veränderung des osmotischen Druckes der Zellen nach den beschriebenen Methoden zerreißen die Zellen bei 45-55 °C. Nach WP-DL 75.994 ist zur besseren Ölabtrennung ein Verfahren beschrieben, das eine Erwärmung des Fermentationsproduktes vorsieht.
Nach DT-AS 1.442.090 ist schließlich ein Verfahren zur Verbesserung der Separierfähigkeit von Bakterienmasse durch Koagulation der Bakterienzellen aus der wässrigen Umgebung bei erhöhter Wärmebehandlung bekannt.
Die beschriebenen Verfahren weisen alle beträchtliche technisch-ökonomische Nachteile auf. So erreicht man durch eine Autolyse bei 50 °C keine Abgabe von Wasser aus der Zelle und die Zellen würden nach diesem Verfahren zerreißen.
Das Verfahren nach DL-WP 75.994, durch Wärmebehandlung eine Ölabtrennung zu bewirken, dient nur der Einsparung von Netzmitteln und nicht zur Abtrennung von Wasser. Das Verfahren nach DT-AS 1.442.090, durch Zusatz von Salzen und Säuren in Verbindung mit einer Temperaturbehandlung ist zwar für Bakterienkulturen zum Zweck der Koagulation geeignet, ist aber auf Hefekulturen nicht übertragbar, da eine Agglomeration durch Vergrößerung der Hefezellen die nachfolgende Verarbeitung erschweren würde.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es daher, den unter den genannten Bedingungen entstehenden Nachteil zu überwinden, eine ökonomisch günstigere sowie einfachere Reinigungstechnologie zu entwickeln.
Die Aufgabe der Erfindung besteht im Auffinden eines Verfahrens zur weiteren Verringerung des Zellwasseranteils vor der Separation bei gleichzeitiger Erhöhung des Trockensubstanzgehaltes und Einflussnahme auf unerwünschte Zellinhaltsstoffe.
Überraschend wurde gefunden, dass bei Anwendung einer spezifischen Wärmebehandlung vor der Separation prinzipielle Vorteile auftreten und beide Effekte, die Verringerung des Zellwasseranteils und die Erhöhung des Trockensubstanzgehaltes, gleichzeitig erreicht werden können.
Intakte Hefezellen enthalten in wässriger Suspension bei 25-35 °C ca. 75% Zellwasser, das durch Separation prinzipiell nicht abgetrennt werden kann.
Eine Hefesuspension mit 14% Trockensubstanz enthält demnach noch 44% durch Separation abtrennbares Wasser. Dieses Wasser wird jedoch bei 25-35 °C zur Aufrechterhaltung der Fluidität der Suspension benötigt.
Wurde die Hefesuspension ausreichend lange (mindestens 5 min bei 80 °C, mindestens 10 min bei 70 °C oder mindestens 15 min bei 60 °C) erhitzt, verringerte sich das Volumen der Hefezellen auf mindestens 50% (Kontraktion, Denaturierung der Zellwand sowie des Zellplasmas).
Dabei gaben die Zellen mindestens 50% des Zellwassers sowie im Zellwasser enthaltene Stoffe ab.
Nach ausreichend langer Erwärmung erhöhte sich somit der durch Separation abtrennbare Wasseranteil auf ca. 72%, wobei gleichzeitig unerwünschte Bestandteile aus der Zelle mit abgetrennt werden konnten.
Wie gefunden wurde, ist die Zellverkleinerung und die Abgabe von Zellinhaltsstoffen ein temperatur- und zeitabhängiger Prozeß. Unter Zugrundelegung der allgemein praktischen Erfahrungen, dass zur Aufrechterhaltung der Fluidität mindestens 50% freie Wasserphase notwendig sind, kann somit durch Separation unter ansonsten gleichen Bedingungen eine Trockensubstanzkonzentration von 25% erreicht werden.
Zusätzlich hat die Temperatur einen positiven Einfluß, da sich die Fluidität von wässrigen Suspensionen bekanntermaßen mit steigender Temperatur erhöht, so dass auch Biomassekonzentration von etwa 30% und darüber durch kontinuierliche Separation erhalten werden konnten.
Durch die annähernde Verdoppelung der Feststoffkonzentration bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ist somit eine Senkung der Waschstufenzahl bzw. die Senkung des Volumenstromes der zu reinigenden Suspension auf etwa die Hälfte sowie eine Verringerung des Energiebedarfs für die Herstellung von Trockenprodukten auch auf ebenfalls die Hälfte möglich.
Weitere ökonomische Vorteile können nach der Wärmebehandlung dadurch entstehen, dass wie bereits o.g., mit dem Zellwasser Zellinhaltsstoffe abgegeben werden, deren Hauptbestandteil Kalium-, Magnesium-, Phosphationen sowie auch Kohlenhydrate oder Kohlenwasserstoffe sind.
Wie die durchgeführten Versuche (entsprechend der Beispiele) ergeben haben, schieden die Hefezellen z.B. ca. 20-50% des im Fermentor aufgenommenen Kaliums und Magnesiums sowie ca. 10-20% des Phosphors aus. Wenn die in der Separation abgetrennte weitestgehend hefefreie Kulturflüssigkeit oder auch das Waschwasser wieder in den Fermentor zurückgeführt wird, können so z.B. Kalium, Magnesium und Phosphor, die sonst in Form wasserlöslicher chemischer Verbindungen dem Fermentationsprozeß zugeführt werden müssen, in erheblichem Maße eingespart werden.
Die Vorteile sollen anhand der folgenden Beispiele dargelegt werden:
Beispiel 1
Reinigung einer Nährhefe, die auf Rohrzucker gezüchtet wurde
In einem 12 m[hoch]3 Rührfermentor wurde Torulahefe auf Rohrzucker auf bekannte Weise kontinuierlich gezüchtet. Die Zuführung von Prozeßwasser und der darin gelösten Nähr- und Spurenkomponenten waren so eingestellt, dass eine mittlere Verweilzeit von 3,5 Stunden im Fermentor eingehalten wurde.
Weitere Bedingungen waren wie folgt:
Zuführung von Luft in den Fermentor 250 N m[hoch]3 /h
Temperatur des Fermentationsgemisches 33 °C
pH-Wert 4,1-4,3
Die pH-Regelung erfolgte mittels Natronlauge, NH[tief]3 -Wasser und Phosphorsäure, wobei das NH[tief]3 -Wasser gleichzeitig als Stickstoffquelle für die Hefe diente.
Durch regelmäßige analytische Kontrolle wurde die Zufuhr an lebensnotwendigen Nähr- und Spurensalzen so geregelt, dass ein Fermentationsgemisch aus dem Fermentor abgezogen wurde, das im Mittel folgende Konzentrationen enthielt:
N 100-150 mg/l
P 60-80 mg/l
K 80-100 mg/l
Na 50-400 mg/l
Mg 10-20 mg/l
Zn 2-4 mg/l
Mn 2-4 mg/l
Fe 5-10 mg/l
Cu 0,1-0,2 mg/l
CL 1500-2000 mg/l
SO[tief]4 100-150 mg/l
Kohlehydrate 100-150 mg/l
Hefetrockensubstanz 20-22 g/l
Das aus dem Fermentor frei abfließende Fermentationsgemisch, im Mittel 2 m[hoch]3 /h, wurde in einem Zwischengefäß, das gleichzeitig als Pumpenvorlage dient, entgast
und in einem Röhrenbündelwärmetauscher mittels Dampf auf 80 °C erwärmt. Nach der Erwärmung gelangte das Produkt in einen Zwischenbehälter, in dem es durchschnittlich 10 min verbleiben musste.
Aus dem Zwischenbehälter wurde das erwärmte Produkt in einem kontinuierlich arbeitenden Düsentellerseparator gepumpt. Durch Auftrennen im Schwerefeld des Separators wurden zwei Phasen erhalten, wobei als leichte Phase das Prozeßwasser mit einem Restgehalt an Hefetrockensubstanz von ca. 1-2 g/l als schwere Phase eine Hefesuspension mit einem Trockensubstanzgehalt von 10-30%, vorwiegend 18-22% erhalten wurden. Die Hefesuspension wurde zur weiteren Reinigung und Verringerung des Salzgehaltes mit ca. dem gleichen Volumenanteil destillierten Wasser versetzt und das Gemisch in einen zweiten Düsentellerseparator geleitet. Hier wurden analog der ersten Separierung zwei Phasen mit den gleichen Konzentrationsverhältnissen an Hefetrockensubstanz erhalten.
Die gereinigte Hefesuspension wurde in eine Sprühtrockenanlage eingebracht und zu rieselfähiger, trockener, hochreiner Nährhefe verarbeitet.
Die leichten Phasen aus den Separatoren (Prozeß- und Waschwasser) wurden zum größten Teil als Kreislaufwasser in den Fermentationsprozeß zurückgeführt.
Dabei war von besonderem Vorteil, sowohl für die Reinheit der Nährhefe als auch für die Ökonomie des Prozesses, dass nach der ausreichend langen Erwärmung die Hefezellen sich bedeutend verkleinert und mit dem Zellwasser organische und anorganische Zellinhaltsstoffe abgegeben hatten, wie die folgende Tabelle zeigt:
Gehalt im Prozeßwasser
vor Erwärmung nach ausreichend langer Erwärm.
Kohlenhydrate 100-200 mg/l 400-600 mg/l
Kalium 80-100 mg/l 250-300 mg/l
Phosphor 60-80 mg/l 120-150 mg/l
Stickstoff 100-150 mg/l 250-300 mg/l
Damit wurde mit dem gleichen Aufwand gegenüber den bisherigen Verfahren zusätzlich eine Senkung des Salzgehaltes auf 50% in der Nährhefe erzielt.
Der Kalium- und Phosphorbedarf der Fermentation konnte durch Rückführung des Prozeßwassers aus der Separation um 20-30% gesenkt werden.
Beispiel 2
Reinigung einer Futterhefe, die auf n-Paraffin gezüchtet wurde
In einem 250 m[hoch]3 Industrie-Rührfermentor wurde Hefe der Gattung Candida Guilliermondii auf gereinigten n-Paraffinen der Kettenlänge C[tief]12 -C[tief]20 als einzige Kohlenstoffquelle gezüchtet.
Fermentationsbedingungen:
Temperatur 32 plus/minus 2 °C
pH 4,1 plus/minus 0,1
Belüftung 6000 N m[hoch]3 Luft/h
Leistungseintrag in das Fermentationsgemisch durch das Rührwerk 240 kW
Verweilzeit des Fermentationsgemisches 4 h
Die Zufuhr von Prozeßwasser, Nährsalzlösung, n-Paraffinen, NH[tief]3 -Wasser und Phosphorsäure wird so eingestellt, dass die o.g. Verweilzeit erreicht und folgende Konzentrationen aufrechterhalten wurden:
N 100-170 mg/l
P 70-110 mg/l
K 70-120 mg/l
Na 50-200 mg/l
Mg 10-20 mg/l
Zn 2-4 mg/l
Mn 2-4 mg/l
Fe 5-10 mg/l
Cu 0,1-0,2 mg/l
Cl 1500-2000 mg/l
SO[tief]4 100-150 mg/l
n-Paraffin 100-200 mg/l
Hefetrockensubstanz 12 g/l
Aus dem Fermentor wurden kontinuierlich 20 t/h Hefesuspension entnommen, die in einem Zwischengefäß von 5 m[hoch]3 zwischenentgast und anschließend in einem Wärmetauscher mittels Dampf auf 80 °C erwärmt wurde. Danach wurde diese Suspension in einem 10 m[hoch]3 Behälter zwischengelagert und nach ca. 10 min in einem Düsentellerseparator mit einer Leistung von 20-30 t/h analog Beispiel 1 in zwei Phasen aufgetrennt. (Prozeßwasser sowie Hefesuspension mit 10-30% Hefetrockensubstanz, vorwiegend 18-22%).
Die Hefesuspension wurde zu gleichen Teilen mit auf 80 °C erwärmten Trinkwasser gemischt und erneut analog der 1. Stufe separiert.
Die Hefesuspension wurde anschließend in einem Düsensprühtrockner zu Trockenhefe verarbeitet.
Das Prozeß- sowie das abgetrennte Waschwasser wurden zum größten Teil als Prozeßwasser in den Fermentor zurückgeführt.
Die Trockenhefe hatte einen Restparaffingehalt von unter 0,2%. Auch hier enthielt das Prozeßwasser nach der Erwärmung erhöhte Mengen unerwünschter Zellinhaltsstoffe, die durch die mechanische Wasserabtrennung weitestgehend entfernt sowie ökonomisch günstig in den Fermentationsprozeß zurückgeführt werden konnten.
Gehalt im Prozeßwasser
vor Erwärmung nach ausreichend langer Erwärm.
n-Paraffine 100-200 mg/l 300-400 mg/l
Kalium 70-120 mg/l 250-310 mg/l
Phosphor 70-110 mg/l 110-170 mg/l
Magnesium 10-30 mg/l 15-50 mg/l
Stickstoff 90-160 mg/l 250-320 mg/l
Beispiel 3
Reinigung einer Futterhefe, die auf Erdöldestillat gezüchtet wurde
In der Fermentations- und Separationsanlage gemäß Beispiel 2 wurde Candida Guilliermondii unter denselben biologischen und technologischen Bedingungen gezüchtet. Als Kohlenstoffquelle diente jedoch ein n-paraffinhaltiger Erdöldestillatschnitt der Siedelage 240-340 °C (n-Paraffingehalt 21%) in einer Menge von durchschnittlich 15 Ma% bezogen auf das Fermentationsgemisch.
Im Entgasungsgefäß bildeten sich 2 Schichten, von denen die obere Schicht vorwiegend die Hefe und das Öl enthielt.
Die untere Schicht bestand aus nahezu reinem Prozeßwasser, das sofort in den Fermentationsprozeß zurückgeführt werden konnte.
Die obere Schicht (Zusammensetzung ca. 30% Erdöldestillat,
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g/l Hefetrockensubstanz und ca.
<NichtLesbar>
g/l Hefetrockensubstanz und ca.
<NichtLesbar>
% Wasser) wurde ebenfalls kontinuierlich abgezogen, mit Alkylsulfonatlösung auf bekannte Weise das Erdöldestillat im ersten Düsentellerseparator abgetrennt. Die schwere Phase (Zusammensetzung ca. 4,2% Trockensubstanz, 1% Resterdöldestillat und ca. 25% Wasser) wurde im Wärmetauscher mittels Dampf auf 75 °C erwärmt, im Zwischenbehälter ca. 15 min zwischengelagert und anschließend im zweiten Düsentellerseparator in zwei Phasen aufgetrennt. (Die Erwärmung im Röhrenbündelwärmetauscher könnte jedoch auch vor der Erdöldestillatabtrennung erfolgen.)
Die schwere Phase enthielt 10-30% Hefetrockensubstanz (vorwiegend
<NichtLesbar>
<NichtLesbar>
-25%), 2% Resterdöldestillat und 70-75% Wasser. Diese Hefesuspension wurde im Sprühtrockner getrocknet und anschließend nach bekannten Verfahren einer Lösungsmittelextraktion zur Herstellung reinster Futterhefe unterzogen.
Das abgetrennte Prozeßwasser enthielt nach der Erwärmung ebenfalls erhöhte Mengen unerwünschter Zellinhaltsstoffe (siehe Tabelle). In Verbindung mit dem hohen Wasserabtrennungsgrad konnte damit ein Trockenprodukt von geringen Salzgehalt erhalten werden, das besonders günstige Eigenschaften hatte, da anorganische Salze bekanntermaßen einen störenden Effekt bei der Extraktion mit organischen Lösungsmitteln ausüben.
Das in der Seperation abgetrennte Prozeßwasser wurde ebenfalls in den Fermentationsprozeß zurückgeführt.
Gehalt im Prozeßwasser
vor Erwärmung nach Erwärmung
Kohlenwasserstoffe 0,3% 0,5%
N 100-170 mg/l 300-400 mg/l
K 70-120 mg/l 250-380 mg/l
P 70-110 mg/l 150-200 mg/l
Mg 10-30 mg/l 15-50 mg/l
Claims (1)
1. Verfahren zur Reinigung von Biomasse, insbesondere durch Abtrennung von Kulturflüssigkeit und/oder Waschwasser, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Zellwasseranteils von der mechanischen Abtrennung eine spezifische Erwärmung bei einer Temperatur zwischen 50 und 90 °C, vorzugsweise zwischen 60 und 80 °C über einen Zeitraum von mindestens 2 min bei den höheren Temperaturen und maximal 20 min bei den niederen Temperaturen, vorzugsweise aber bei 5 bis 15 min erfolgt.
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