DE2732814C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von
biologisch abbaubarem, organischem Material, bei welchem
ein das Material enthaltendes, flüssiges Medium durch
eine aufrechte Arbeitskammer mit einem Höhen-Seiten-
Verhältnis von nicht weniger als 3 : 1 nach oben strömen gelassen
wird, flockenförmiger Mikroorganismus, der zum Abbau
wenigstens eines Teiles des biologisch abbaubaren,
organischen Materials in der Lage ist, in der Arbeitskammer
wachsen gelassen wird, Sauerstoff enthaltendes Gas in
die Arbeitskammer zur Ermöglichung des Wachstums des Mikroorganismus
eingeführt wird, der Mikroorganismus in der
gesamten Arbeitskammer überwiegend flockenförmig ist, und
das erhaltene Gemisch von behandeltem Medium, Gas und
überschüssigem Mikroorganismus am Oberteil der Arbeitskammer
durch einen gemeinsamen Auslaß abgegeben wird.
Lösungen und Suspensionen von Kohlehydraten kommen häufig
als Abwässer aus Lebensmittel verarbeitenden Anlagen und
aus Papierfabriken vor. Die Kohlehydrate in den Abwässern
aus Lebensmittel verarbeitenden Fabriken enthalten oft
einen beträchtlichen Anteil an Zuckern, die üblicherweise
in Lösung vorliegen, obwohl auch unlösliche Bestandteile,
wie Stärken und celluloseartige Materialien, die in Suspension
vorliegen, vorhanden sein können. Proteinhaltige Materialien
können ebenfalls vorhanden sein. Die Kohlehydrate
in Abwässern aus Papierfabriken bestehen jedoch
üblicherweise beinahe vollständig aus unlöslichen Bestandteilen
in Suspension. Lösungen und Suspensionen von anderen
biologisch abbaubaren, organsichen Materialien können
als Nebenprodukte gebildet werden oder als Abwässer aus
zahlreichen Arten von chemischen Anlagen vorliegen.
Solche Abwässer sind schwierig zu beseitigen. Manchmal
werden sie zeitweilig in Behältern gelagert, wo Feststoffe
sich partiell absetzen können, und sie werden dann in
Abwasserkanäle zur Behandlung in den normalen Abwasserbehandlungsanlagen
oder in Flüsse oder andere Gewässer abgegeben.
Die betroffenen Behörden oder Betreiber verlangen
üblicherweise eine Bezahlung für die Behandlung dieser
nicht erwünschten Abwässer oder für das Recht, die Abwässer
in Flüsse abzugeben. Wenn Feststoffe in Absetzbehältern
abgetrennt wurden, müssen diese in für ihre Aufnahme gegrabenen
Abfall-Löchern abgelagert werden. Dies bedingt
wiederum beträchtliche Kosten und ist weiterhin eine
schlechte Praxis im Hinblick auf den Umweltschutz.
In neuerer Zeit wurden verarbeitende Betriebe mit eigenen
Abwasserbehandlungsanlagen ausgerüstet, die Belebtschlammbehälter,
biologische Filter und Ablagerungsseen umfassen;
deren Installation, Betrieb und Aufrechterhaltung ist jedoch
kostspielig, und sie benötigen relativ große Landflächen.
Verschiedene Methoden wurden bereits zur biologischen Behandlung
solcher Abwässer in Fermentationsanlagen in Betracht
gezogen, jedoch sind diese im allgemeinen nur wirtschaftlich,
wenn die Abwässer relativ konzentriert sind,
und sie arbeiten nicht in zufriedenstellender Weise oder
überhaupt nicht, wenn die Abwässer verdünnt sind, wie dies
oft der Fall ist. Weiterhin ist es für gewöhnlich erforderlich,
daß die Abwässer steril sind.
Es sind bereits Turmfermentationsanlagen vorgeschlagen
worden, die kontinuierlich, halbkontinuierlich oder absatzweise
arbeiten und aerob oder anaerob unter Verwendung
verschiedener Hefen, Pilze und Bakterien beschrieben werden.
Bei diesen kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Prozessen
wurden die biologisch abbaubares Material enthaltende
Lösung oder Suspension und üblicherweise ein Sauerstoff
enthaltendes Gas nach oben durch den Turm geschickt, und
die erhaltene Flüssigkeit und das erhaltene Gas wurden
aus der Arbeitskammer durch getrennte Auslässe abgegeben.
Die Neigung solcher Arbeitsweisen zur Erzeugung eines
Schaums auf der Oberfläche der Flüssigkeit in der Kammer
ist üblicherweise ein Problem, und daher ist im allgemeinen
eine "Ausdehnungskammer" oberhalb des Flüssigkeitsauslasses
aus der Arbeitskammer vorhanden, in welcher der Schaum
sich absetzen kann, und ein Absetzen der Mikroorganismen,
die sonst mit dem Schaum herausgetragen werden würden,
zurück in die Arbeitskammer beim Zusammenfallen des Schaums
ermöglicht wird, wobei das bei dem Prozeß entstehendes Gas
aus der Ausdehnungskammer durch einen getrennten Auslaß
abgegeben wird, der üblicherweise am oberen Ende oder nahe
dem oberen Ende der Ausdehnungskammer liegt.
Bislang wurden für die kommerzielle Erzeugung von Biomasse
Arbeitsweisen angewandt, die die Verwendung eines Airlift-
Fermenters, eines Druckzyklus-Fermenters oder eines Rührtankreaktors
umfassen. Im allgemeinen wurde die Anwendung
eines Rührtankreaktors bevorzugt, da bei dieser Arbeitsweise
ein stationärer Zustand leicht erreicht und beibehalten
wird. Bei dem Rührtankprozeß wird eine kontinuierliche
Strömung einer Lösung oder einer Suspension von biologisch
abbaubarem, organischem Material, welche alle erforderlichen
Salze und stickstoffhaltigen Substanzen, die zur Förderung
des Wachstums der Mikroorganismen erforderlich sind,
in einen Behälter geführt, welcher einen Mikroorganismus
enthält, der in zufriedenstellender Weise auf dem biologisch
abbaubaren Material leben kann, es wird Luft in die Lösung
oder Suspension eingeführt, und der Inhalt des Tanks wird
gründlich mit Hilfe eines motorbetriebenen Rührers vermischt.
Im Verlauf der Behandlung entfernt der Mikroorganismus
wenigstens den größeren Anteil des biologisch abbaubaren,
organischen Materials, und - da der Mikroorganismus
kontinuierlich wächst - wird ein Überschuß an Mikroorganismus
kontinuierlich gebildet, und der Überschuß wird mit
der den Tank verlassenden Flüssigkeit abgegeben. Dieser
abgegebene Mikroorganismus oder die Biomasse kann abgetrennt
werden, und nach weiterer Behandlung kann sie als
Tierfuttermittel verwendet werden.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
GB-PS 9 79 491 bekannt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren
zur Hefefermentation von Bierwürze, um Bier herzustellen.
Das Verfahren soll so durchgeführt werden, daß
eine Dispersion der Hefe vermieden wird. Daher wird die
Verwendung von großen Spülgasblasen empfohlen, die aus
einem einzigen Rohr eingeführt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
der eingangs genannten Art zu schaffen, das besonders wirksam
bei der Behandlung von verdünnten Abwässern ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das in Anspruch 1 angegebene
Verfahren vorgeschlagen.
Die Unteransprüche nennen die Ausgestaltungen
der Erfindung.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren anfallende Biomasse
kann als Grundlage für brauchbare und vertriebsfähige
Produkte, wie Futtermittel für Tiere, verwendet werden.
Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren in einer solchen
Weise betrieben werden, daß es sogar einen finanziellen
Nutzen hat statt des Verlustes, der normalerweise mit
den Methoden der bislang angewandten Beseitigung von Abwässern
verbunden ist.
Ein wesentlicher Punkt, in welchem sich das erfindungsgemäße
Verfahren von vielen der bekannten Turmfermentationsprozesse
unterscheidet, liegt darin, daß das Gemisch
von behandeltem Medium, überschüssigem Mikroorganismus
(Biomasse), der durch Wachstum in der Arbeitskammer
gebildet wurde, und alle anderen flüssigen oder festen
Substanzen, welche durch das Verfahren gebildet werden
oder aus den Ausgangsmaterialien als Rückstand zurückbleiben,
durch den gleichen Auslaß wie das Gas abgegeben
werden. Dieses Gemisch aus Gas, Flüssigkeit und Feststoff,
das im folgenden als Reaktionsprodukt bezeichnet wird,
wird am Oberteil der Arbeitskammer und vorzugsweise im
obersten Teil oder in dessen Nähe abgegeben. Das Oberteil
der Arbeitskammer besitzt vorzugsweise eine sich nach
oben verjüngende Gestalt, z. B. die Gestalt eines abgestumpften
Kegels oder eine kuppelförmige Gestalt, wobei
der Auslaß für das Reaktionsprodukt sich am Scheitelpunkt
befindet. Es wurde gefunden, daß eine solche Gestalt das
Blockieren des Auslasses durch die Feststoffe in dem
Reaktionsprodukt verhindert oder vermindert und
zu der vorteilhaften Kinetik des Verfahrens beiträgt. Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht in der Abgabe
des Reaktionsproduktes durch einen Auslaß, der im wesentlichen
in Form eines umgedrehten U gestaltet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Schäumen kein
Problem; ganz im Gegenteil kann es sogar vorteilhaft sein.
Es wurde gefunden, daß das Gas als Saugpumpe für
die Feststoffe und die Flüssigkeiten in dem Reaktionsprodukt
wirkt, wodurch sie durch den Auslaß nach oben gehoben
werden. Bei niedrigen Verdünnungsraten entsprechend der im
folgenden gegebenen Definition besteht die Neigung, daß relativ
große Mengen von schaumartiger Flüssigkeit intermittierend
abgegeben werden, so daß der Pegel der Flüssigkeit in der Kammer
intermittierend unter den Oberteil der Kammer unter Zurücklassen
eines mit Gas gefüllten Raumes abfallen kann. Obwohl
ein etwas ähnlicher Prozeß bei hohen Verdünnungsraten auftritt,
tritt die Abgabe häufiger auf, und das Volumen des mit Gas gefüllten
Raumes wird reduziert. Tatsächlich kann der Flüssigkeitspegel
in den unteren Teil des Auslaßrohres reichen, so
daß kein mit Gas gefüllter Raum in der Kammer selbst zurückgelassen
wird. Unter Verdünnungsrate ist das Verhältnis von
(A) dem Volumen des flüssigen, das biologisch abbaubare Material
und beliebige die Vermehrung der Mikroorganismen ermöglichende
Hilfssubstanzen enthaltenden Mediums, das in die Arbeitskammer
pro Stunde eingeführt wird, zu (B) dem Volumen
von Flüssigkeit in der Arbeitskammer zu verstehen.
Das in die Arbeitskammer eingeführte Gas kann nur aus Sauerstoff
oder aus einem Gemisch von Sauerstoff und irgendeinem
anderen Gas bestehen, wobei dieses andere Gas normalerweise
keine Rolle bei den in der Arbeitskammer auftretenden, chemischen
Reaktionen spielt. Insbesondere kann Luft die Quelle für
Sauerstoff bilden. In der Praxis wurde gefunden, daß die Verwendung
von Sauerstoff allein im allgemeinen weniger wirksam
und weniger wirtschaftlich ist als die Verwendung von Luft,
da es oftmals vorkommt, daß bei Ersatz der Luft durch Sauerstoff
die erforderliche Sauerstoffmenge etwa die Hälfte der
erforderlichen Luftmenge beträgt, obwohl nur etwa ein Fünftel
der Luft aus Sauerstoff besteht. Es wird angenommen, daß der
Grund für die Verbesserung, welche bei der Verwendung eines
Gemisches von Sauerstoff und einem anderen Gas auftritt, der
folgende ist: für ein vorgegebenes Volumen von Sauerstoff,
das pro Einheitszeit in die Arbeitskammer eingeführt wird,
ist das Gesamtvolumen an pro Einheitszeit eingeführtem Gas
größer. Das Gas bildet Bläschen in der Flüssigkeit und reduziert
daher die scheinbare Dichte der flüssigen Inhalte in der
Arbeitskammer. Dies führt wiederum zu einem stärkeren Unterschied
zwischen der Dichte der Flocken des Mikroorganismus
und der tatsächlichen Dichte des die Flocken umgebenden Mediums,
so daß der Schwerkrafteffekt auf die Flocken erhöht
wird, wodurch ihre Retention in der Kammer gefördert wird.
Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung eines Gemisches von
Sauerstoff und einem anderen Gas liegt darin, daß die Zunahme
des Volumens des in die Kammer pro Einheitszeit eingeführten
Gases eine Verbesserung der Zirkulation des Inhaltes in der
Kammer und damit der Wirksamkeit der Reaktion mit sich bringt.
Da das Gas die Neigung besitzt, durch die Flüssigkeit in der
Kammer nach oben zu steigen und da es vorteilhaft ist, wenn
der ganze Inhalt der Kammer in angemessener Weise mit Sauerstoff
versorgt wird, wird es bevorzugt, das Gas am Unterteil
der Kammer oder in dessen Nähe einzuführen.
Das Gas wird durch die Flüssigkeit in Form von kleinen
Bläschen verteilt, was für eine gute Verteilung in den gesamten flüssigen
Medium sowie auch zur Förderung einer raschen Auflösung des
Sauerstoffs wichtig ist. Daher wird es bevorzugt, das Gas nicht durch eine
einzige Düse oder Öffnung einzuführen, sondern das Gas durch
eine Verteilungseinrichtung einzuführen, welche die Ausbildung
der gewünschten kleinen Bläschen bewirkt. Bei einer vorteilhaften
Konstruktion wird das Gas durch eine perforierte Platte
im Unterteil der Arbeitskammer durchgeleitet, wobei die Flüssigkeit
oberhalb der Platte zurückbleibt und nicht nach unten
durch diese durchtreten gelassen wird. Wenn die Kammer nicht
groß ist, kann die Platte geeigneterweise eine gesinterte
Glasscheibe umfassen. Eine Scheibe aus gesintertem Glas kann
jedoch nur unzureichende Festigkeit besitzen, um das Gewicht
von Flüssigkeit in einer großen Kammer zu tragen, so daß in
diesem Fall eine Metall- oder Kunststoffplatte mit einzeln geformten
Löchern verwendet werden kann.
Falls das Gas mit einer zu geringen Geschwindigkeit eingeführt
wird, wird das Wachstum der Mikroorganismen wegen des Fehlens
von Sauerstoff inhibiert, und der Prozeß kann nicht in zufriedenstellender
Weise durchgeführt werden. Falls mehr Sauerstoff
als durch den Mikroorganismus erforderlich eingeführt wird,
steigt die Menge an in der Flüssigkeit aufgelöstem Sauerstoff
beträchtlich an. Daher ist es relativ einfach, Sauerstoff mit
einer zu hohen Geschwindigkeit einzuführen und dann die Strömungsgeschwindigkeit
so so reduzieren, bis die Menge an aufgelöstem
Sauerstoff plötzlich bis auf nahe Null, jedoch nicht bis
auf Null abfällt. Dies ist die bevorzugt angewandte Geschwindigkeit.
Ein geeignetes Maß der Geschwindigkeit der Einführung von Gas
in die Arbeitskammer wird bei der vorliegenden Erfindung als
die Oberflächen-Geschwindigkeit bezeichnet. Dies ist das
pro Einheitszeit eingeführte Volumen an Gas, dividiert durch
die Querschnittsfläche der Arbeitskammer. Es wurde experimentell
gefunden, daß bei einem beliebigen, vorgegebenen Systemtyp
die bevorzugte Oberflächen-Geschwindigkeit praktisch
konstant bleibt und unabhängig von dem Volumen der Kammer ist.
Für Luft liegt dieser Wert vorzugsweise zwischen 1 und 10 cm ·
sec-1, ein typischer Wert für eine kleine Arbeitskammer ist
2 cm · sec-1. Im allgemeinen wurde gefunden, daß höhere Werte
bei Arbeitskammern mit größeren Volumina verwendet werden können.
Wenn die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit bis auf einen bestimmten
Maximalwert ansteigt, wird das System instabil und
hört auf, in zufriedenstellender Weise zu arbeiten. Dieser
Maximalwert steigt mit zunehmendem Volumen der Arbeitskammer
an.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Mikroorganismen
müssen flockig sein, d. h. bei Pilzen annähernd
sphärische Kolonien der Hyphen bilden und bei Hefen annähernd
sphärische bzw. kugelförmige Aggregate von Zellen bilden. Es
wurde gefunden, daß die Flocken des Mikroorganismus im allgemeinen
die Neigung zur Entwicklung aus Einzelzellen oder kleinen
Zusammenballungen von Zellen besitzen und zur Bildung von
Flocken in Form von Pellets oder Granulen führen, deren Oberfläche
glatt erscheinen oder so aussehen, als ob sie nach außen
sich erstreckende Fäden oder Hyphen besitzen. Unabhängig
von dem Aussehen besitzen die Flocken die Neigung, gegebenenfalls
unter Bildung von Einzelzellen oder von Anhäufungen aufzubrechen,
wovon jede die Basis für eine neue Flocke bilden
kann. Es wurde gefunden, daß die Morphologie der Mikroorganismen
in einfacher Weise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kontrolliert werden kann, und daß üblicherweise keine speziellen
Bedingungen erforderlich sind. Gegebenenfalls kann
die Flockenbildung durch bekannte Mittel wie die Anwesenheit
von ausflockenden Mitteln, z. B. von Aluminiumchlorid oder
Kalziumchlorid für einige Hefen, gefördert werden. Wegen der
Leichtigkeit der morphologischen Kontrolle bzw. Steuerung besitzt
das Verfahren eine hohe Wirksamkeit in einem breiten
Bereich von Konzentrationen von biologisch abbaubaren Lösungen
oder Suspensionen und von Durchsatzgeschwindigkeiten.
Der Mikroorganismus ist in der gesamten Arbeitskammer überwiegend
flockenförmig. Der Hauptanteil des Mikroorganismus
sollte in Flockenform vorliegen, und vorteilhafterweise liegen
wenigstens etwa 75% und vorzugsweise eine möglichst hohe
Menge des Mikroorganismus in Flockenform vor. Dies steht im
Gegensatz zu den Verhältnissen bei Rührtankverfahren, bei welchem
das Rühren durch den Rührer das Aufbrechen der Flocken zumindest
in der Nachbarschaft der Rührerblätter bewirken kann.
Eine typische Flockengröße kann von 0,5 bis 20 mm betragen,
insbesondere 2 bis 10 mm. Große Flocken werden bevorzugt, um
ihr vorzeitiges Herauswaschen oder Herausfördern aus der Kammer
zu verhindern.
Der Mirkoorganismus kann eine einzige Art oder ein Gemisch
von zwei oder mehr Arten sein. Vorzugsweise liegt nur eine
Art von Mikroorganismus in der Arbeitskammer vor. Der Mikroorganismus
ernährt sich von den biologisch abbaubaren Nährstoffen
und metabolisiert sie in eine proteinhaltige Biomasse
um. Geeignete Mikroorganismen, welche zu den zu behandelnden,
besonderen, biologisch abbaubaren Materialien passen, können
in einfacher Weise durch Experiment gefunden werden. Flockenförmige
Hefen können verwendet werden, jedoch ist das erfindungsgemäße
Verfahren besonders bei Verwendung von fadenförmigen Pilzen
vorteilhaft. Ein typisches Beispiel für einen fadenförmigen
Pilz ist Aspergillus niger. Obwohl jedoch A. niger leicht Zucker
abbaut, baut er langkettige Kohlehydrate wie Stärke oder zelluloseartige
Materialien oder proteinhaltige Materialien nicht
leicht ab. Andere Mikroorganismen sind jedoch in der Lage, wenigstens
einige der langkettigen Kohlehydrate abzubauen, wobei ein
typischer Mikroorganismus diese Art Trichoderma viride ist.
Stämme von besonders für bestimmte Materialien geeignete Mikroorganismen
können als Ergebnis von Versuchen ausgewählt werden.
Andere fadenförmige Pilze, die verwendet werden können, sind
Sporotrichum thermophile, Penicillium roquefortii, Geotrichum
candidum, Rhizopus spp., Mucor spp. und Fusarium spp. Zu den
flockenförmigen Hefen, die verwendet werden können, gehören
Saccharomyces cerevisiae NCYC 1026 und Saccharomyces carlsbergensi
(uvarum).
Es wird angenommen, daß bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Anteil von Flocken zu Einzelzellen und
kleinen Anhäufungen von Zellen (Zellklustern) größer in der
Arbeitskammer als in der aus der Arbeitskammer ausgegebenen
Biomasse ist. Die Flocken der Mikroorganismen besitzen daher
die Neigung, in der Arbeitskammer zurückgehalten zu werden;
es wird angenommen, daß dies dem Einfluß der Schwerkraft zuzuschreiben
ist, obwohl die Konzentration an Mikroorganismus
zwischen einem Teil der Arbeitskammer und einem anderen Teil
nicht in irgendeinem beträchtlichen Ausmaß variieren kann,
und tatsächlich bewirkt die Turbulenz in der Kammer, die aus
dem Durchschicken des Gases hierdurch herrührt, ein ausreichendes
Rühren des Kammerinhaltes, so daß die Inhalte praktisch
gleichförmig durch die gesamte Kammer verteilt werden. Es
wurde gefunden, daß bei bestimmten Umständen, z. B. bei relativ
großen Arbeitskammern, die Konzentration an Mikroorganismus
von einer Stelle zu einer anderen Stelle in der Kammer variieren
kann, sobald jedoch einmal ein stabiler Zustand erreicht
ist, besitzt die Konzentration an einer beliebigen Stelle die
Neigung, praktisch konstant zu bleiben, selbst wenn die Stärke
der Lösung oder Suspension an biologisch abbaubarem Material
variiert.
Eine weitere Erscheinung, welche beobachtet wurde, ist die Neigung
der Mikroorganismen, insbesondere der fadenförmigen Mikroorganismen,
irgendwelche unlöslichen Teilchen einzufangen, welche
nicht abgebaut werden können, und diese mitzuführen, wenn
sie die Arbeitskammer verlassen. Dies führt zu einer Verhinderung
irgendeines Aufbaues oder einer Anhäufung solcher Teilchen
in der Arbeitskammer.
Das biologisch abbaubare Material, das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelt werden kann, kann beispielsweise
aus den Abwässern aus folgenden Arten von nahrungsmittelverarbeitenden
Anlagen bestehen oder hierauf basieren: Milchverarbeitungsanlagen;
Käseherstellungsanlagen; Anlagen zur Verarbeitung
von Kartoffeln wie bei der Herstelung von Kartoffel-
knusperprodukten und anderen Produkten auf Kartoffelbasis; Anlagen
zur Verarbeitung anderer stärkehaltiger Pflanzen wie bei
der Herstellung von Konfekt oder Süßwaren; Anlagen zur Verarbeitung
von Bohnen oder Erbsen wie bei dem Eindosen solcher
Pflanzen bzw. Gemüse; Anlagen zur Herstellung von Palmöl sowie
zuckerverarbeitenden Anlagen, z. B. bei Anlagen zur Herstellung
von Konfekt, Mineralwasser und Karamel. Die Erfindung kann ebenfalls
zur Behandlung von Abwässern aus Fermentationsanlagen
eingesetzt werden, z. B. von organische Säuren wie Citronensäure
und Essigsäure enthaltenden Abfällen.
Das flüssige
Medium ist üblicherweise Wasser.
Zur Ermöglichung der Vermehrung des Mikroorganismus muß dieser
ebenfalls mit relativ kleinen Mengen von Stickstoff enthaltenden
Substanzen und noch geringeren Mengen von bestimmten Salzen
versorgt werden. Die Art dieser Substanzen und Salze ist
auf dem Fachgebiet an sich bekannt. Geeignete Substanzen können
von Beginn an in der zu behandelnden Lösung oder Suspension
vorliegen, besonders falls diese ein abgegebenes Material
aus bestimmten Typen von lebensmittelverarbeitenden Anlagen enthält,
falls jedoch einige oder alle diese Substanzen fehlen,
müssen sie für den Mikroorganismus verfügbar gemacht werden.
Vorzugsweise werden sie zu der Lösung oder Suspension vor der
Durchführung der Behandlung zugesetzt, obwohl zumindest in der
Theorie sie zu dem der Behandlung unterworfenen Material zugesetzt
werden können. Aus Gründen der Einfachheit wird die Lösung
oder Suspension zusammen mit den erforderlichen, stickstoffhaltigen
Substanzen und Salzen der zuvor beschriebenen Art
im folgenden als "Startmaterial" bezeichnet. Für den zufriedenstellenden
Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte das
Startmaterial rein sein, zumindest in dem Sinne, daß es nicht
signifikant mit giftigen Substanzen verunreinigt ist und keinen
hohen Anteil von verunreinigenden Mikroorganismen enthält.
Normalerweise besteht jedoch keine Notwendigkeit zur Sterilisation
des Startmaterials, da gefunden wurde, daß beliebige
in die Arbeitskammer mit dem Startmaterial eingeführte Fremdmikroorganismen
nicht in der Lage sind, mit dem ausgewählten
Mikroorganismus in Konkurrenz zu treten, und daß sie aus der
Kammer ausgewaschen bzw. ausgetragen werden, bevor sie die
Möglichkeit hatten, sich hierin festzusetzen. Dieser Effekt
ist besonders bei hohen Verdünnungsraten merklich. Wenn Fadenpilze
verwendet werden, besitzt der pH-Wert die Neigung
zu einem beträchtlichen Abfall als Folge der Erzeugung von
Säuren während des Wachstums bzw. der Vermehrung der Pilze,
und diese zunehmende Acidität bewirkt die Inhibierung des
Wachstums bzw. der Vermehrung von in Konkurrenz tretenden
Mikroorganismen wie Hefen und Bakterien. Bei der Anwendung
der vorbekannten Arbeitsweisen ist es normalerweise dagegen
erforderlich, das Startmaterial zu sterilisieren, um den Eintritt
von nicht erwünschten Mikroorganismen in die Arbeitskammer
und das Wachstum bzw. die Vermehrung hiervon in Konkurrenz
mit dem ausgewählten Mikroorganismus zu verhindern.
Weiterhin wurde gefunden, daß nach Erreichung eines stabilen
Zustandes bzw. Gleichgewichtszustandes bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren und der Unterbrechung der Versorgung des
Startmaterials für eine bestimmte Zeitspanne der Mikroorganismus
in der Arbeitskammer weiterlebt und daß das Verfahren in
zufriedenstellender Weise wieder gestartet werden kann, ohne
daß spezielle Schritte unternommen werden müßten. Beispielsweise
kann der Prozeß normalerweise ohne Schwierigkeiten wieder
gestartet werden, falls kein Startmaterial für 48 oder
60 Stunden eingeführt wird, wie dies der Fall bei der Anwendung
zur Behandlung von abgegebenen Produkten oder Abwässern
aus einer Fabrik, die an Samstagen und Sonntagen geschlossen
ist, sein kann. Während dieser Zeitspanne findet keine Strömung
von Flüssigkeit durch die Arbeitskammer statt, und beliebige
hierin vorliegende Fremdmikroorganismen sind in der
Lage, zu wachsen und sich zu vermehren und sich in viel größeren
Konzentrationen aufzubauen als im Fall des normalen Betriebes
des Verfahrens. Dennoch wurde allgemein gefunden, daß bei
dem Wiederstarten des Verfahrens die Fremdmikroorganismen sehr
rasch herausgewaschen bzw. herausgetragen werden, und daß das
Verfahren einen stabilen Zustand wieder annimmt, der dem ursprünglichen
stabilien Zustand bzw. Gleichgewichtszustand entspricht.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich,
insbesondere wenn ein fadenartiger Pilz als Mikroorganismus
verwendet wird, einen solchen Zustand zu erreichen, daß, falls
die Verdünnungsrate allein allmählich erhöht wird, die Konzentration
des Mikroorganismus in der Arbeitskammer stetig abnimmt.
Das Verfahren ist beim Betrieb in diesem Zustand sehr leistungsfähig.
Die Bestimmung, ob eine besondere Verfahrensweise in diesem
Zustand betrieben wird, ist einfach durch Messung der Konzentration
des Mikroorganismus in der Kammer für verschiedene
Verdünnungsraten, bei denen ein stabiler Zustand in jedem Fall
erreicht worden ist, möglich.
Dieser Zustand tritt nicht auf, wenn als Rührtankprozesse bezeichnete
Prozesse angewandt werden. Falls die Konzentration
des biologisch abbaubaren Materials in dem in den Tank, d. h.
die Arbeitskammer, bei konstanter Verdünnungsrate zugeführten
Startmaterial erhöht wird, bis die Konzentration an Mikroorganismus
in dem Tank nicht mehr durch irgendeine weitere Erhöhung
der Konzentration an biologisch abbaubarem Material erhöht werden
kann, und dann die Verdünnungsrate allmählich erhöht wird,
wurde gefunden, daß die Konzentration an Mikroorganismus in dem
Tank zu Beginn praktisch unverändert bleibt, und daß, wenn eine
bestimmte kritische Verdünnungsrate erreicht wird, die Konzentration
an Mikroorganismus scharf abnimmt, da der Mikroorganismus
plötzlich nicht mehr in der Lage ist, den Strömungskräften
zu widerstehen, so daß der überwiegende Anteil hiervon plötzlich
aus dem Tank herausgewaschen wird und der Prozeß dadurch
aufhört, brauchbar zu sein.
Diese kritische Verdünnungsrate hängt von einer Anzahl von Faktoren
ab, wobei ein wichtiger Faktor der Typ des verwendeten
Mikroorganismus ist, jedoch liegt die kritische Verdünnungsrate
für den Rührtankprozeß typischerweise im Bereich von 0,1
bis 0,5 h-1. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls
kritische Verdünnungsraten aufweist, treten diese im allgemeinen
nach der stetigen Abnahme an Mikroorganismuskonzentration,
wie sie zuvor beschrieben wurde, auf, und im allgemeinen
liegen sie wesentlich höher als diejenigen beim Rührtankprozeß.
Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei
Verdünnungsraten bis zu etwa 7 h-1 betrieben werden.
Weiterhin wurde im Gegensatz zu dem Rührtankprozeß und ähnlichen
Prozessen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gefunden, daß zumindst wenn die Konzentration an biologisch abbaubarem Material im Startmaterial im normalen Bereich liegt, die Konzentration an Mikroorganismus
in der Arbeitskammer,
nicht in
einem wesentlichen Ausmaß mit der Veränderung der Konzentration
des biologisch abbaubaren Materials in dem Startmaterial,
d. h. der Stärke des Startmaterials, variiert, während sie sich mit der Verdünnungsrate und möglicherweise der Zusammensetzung des Startmaterials verändert. Falls die Stärke
des Startmaterials auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt
wird, kommt hier offensichtlich ein Zeitpunkt, bei welchem
nicht mehr ausreichend biologisch abbaubares Material in dem
Startmaterial vorliegt, damit das stetige und kontinuierliche
Wachstum von Mikroorganismen in der Arbeitskammer aufrechterhalten
werden kann, und das Verfahren hört auf, in wirksamer
Weise zu arbeiten. Bei geringen Stärken des Startmaterials und
bei einer vorgegebenen Verdünnungsrate kann der Mikroorganismus
in der Arbeitskammer wachsen, jedoch kann sein Wachstum so gering
sein, daß nur ein sehr geringer Überschuß an Mikroorganismen
gebildet wird. Wenn die Stärke des Startmaterials weiter
erhöht wird, und die Verdünnungsrate die gleiche bleibt, nimmt
das Wachstum des Mikroorganismus zu, wenn jedoch die Konzentration
an Mikroorganismen in der Arbeitskammer konstant bleibt,
liefert das Verfahren Biomasse mit steigender Rate. Wenn die
Stärke des Startmaterials einen bestimmten Wert für diese
gleiche Verdünnungsrate übersteigt, erreicht die Produktion
an Biomasse einen Maximalwert, und überschüssiges, biologisch
abbaubares Material wird mit dem Produkt abgegeben.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde im
allgemeinen gefunden, daß diese maximale Produktivität stetig
mit zunehmender Verdünnungsrate ansteigt, bis bei hohen Verdünnungsraten,
z. B. wenigstens 3 h-1, der Beginn des Auswaschens
des Mikroorgganismus aus der Kammer auftritt. Dies steht im Gegensatz
zum Rührtankprozeß, bei welchem, obwohl die Produktivität
sehr viel rascher mit zunehmender Verdünnungsrate bis zum Erreichen
eines Maximalwertes ansteigt, dann anschließend die
Produktivität rasch auf einen sehr geringen Wert abfällt, wobei
dies bei der kritischen Verdünnungsrate auftritt, einer
Rate, welche im allgemeinen sehr viel niedriger als die kritische
Verdünnungsrate des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt.
In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung sind typische Kurven wiedergegeben,
die zur Erläuterung einiger der Unterschiede zwischen
dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Rührtankprozeß dienen
sollen. Bei jedem Diagramm der Fig. 1 und 2 sind die Maßstäbe
linear und beginnen bei Null. In jedem Diagramm stellt die
Abszisse ein Maß der Verdünnungsrate dar, wobei der Maßstab
in beiden Fällen derselbe ist. In der Fig. 1 ist die Ordinate
ein Maß für die Konzentration am Mikroorganismus für jede vorgegebene
Verdünnungsrate, während in der Fig. 2 die Ordinate
ein Maß für die maximale Produktivität bei jeder vorgegebenen
Verdünnungsrate ist. In jeder Figur gibt die ausgezogene Kurve
ein typisches, erfindungsgemäßes Verfahren wieder, während die
gestrichelte Kurve einen typischen Rührtankprozeß wiedergibt.
Die Fig. 1 zeigt die Art und Weise, in welcher die Mikroorganismuskonzentration
bei einem stabilen Zustand in der Arbeitskammer
stetig mit zunehmender Verdünnungsrate bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren abnimmt, und sie erläutert die Tatsache,
daß die maximale Konzentration an Mikroorganismus in dem Tank
beim Rührtankprozeß sehr wohl über einen Bereich von Verdünnungsraten
beträchtlich höher als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
sein kann. Es ist jedoch ersichtlich, daß die maximale Konzentration
an Mikroorganismus beim Rührtankprozeß mit der
Stärke des Ausgangsmaterials variiert, so daß die gestrichelte
Linie lediglich die Werte für eine vorgegebene Stärke darstellt.
In gleicher Weise zeigt die Fig. 2, daß die Produktivität
beim Rührtankprozeß größer als bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren in diesem Bereich ist. Daher kann es in manchen Fällen
vorteilhaft sein, den Rührtankprozeß anzuwenden, wenn die
Verdünnungsrate innerhalb des geeigneten Bereiches liegt.
Im Hinblick darauf, daß die maximale Produktivität mit zunehmender
Verdünnungsrate ansteigt und weitere Vorteile bei hohen Verdünnungsraten
gegeben sind, ist es normalerweise erwünscht, das
erfindungsgemäße Verfahren bei relativ hoher Verdünnungsrate
zu betreiben. Dies bedeutet, daß die Mikroorganismuskonzentration
in der Arbeitskammer relativ gering ist, und daß die Stärke
des Startmaterials entsprechend niedrig sein muß. Falls das
Verfahren zur Behandlung eines relativ starken Startmaterials
angewandt wird, kann es daher vorteilhaft sein, dieses vor der
Behandlung zu verdünnen.
Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Behandlung
von verdünntem Startmaterial geeignet, z. B. von Lösungen
oder Suspensionen, welche von 0,1 bis 20 g · l-1 an biologisch abbaubarem
Material enthalten. Vorzugsweise enthält das Startmaterial
wenigstens 0,5 und insbesondere von 1 bis 10 g · l-1
an biologisch abbaubarem Material. Jedoch können auch höhere
Konzentrationen, z. B. von 100 g · l-1, gegebenenfalls in einigen
Fällen eingesetzt werden.
Bei der Durchführung des Verfahrens ist die tatsächliche Geschwindigkeit
des durch die Arbeitskammer strömenden Startmaterials
relativ niedrig. Aus diesem Grunde ist es nicht unbedingt
erforderlich, daß das Startmaterial zu der Arbeitskammer
kontinuierlich und mit konstanter Rate zugeführt wird.
Das Material kann tatsächlich intermittierend, d. h. halbkontinuierlich,
oder mit nicht konstanter Rate oder einer Kombination
beider Möglichkeiten zugeliefert werden, vorausgesetzt, daß
die Art und Weise, in welcher das System arbeitet, sich nicht
signifikant von der Art und Weise unterscheidet, in welcher
es bei kontinuierlicher und mit konstanter Rate erfolgender
Zuführung von Material arbeitet.
Obwohl das Startmaterial üblicherweise in die Arbeitskammer
am unteren Ende oder in der Nähe hiervon eingeführt wird, ist
eine solche Anordnung nicht unbedingt notwendig. Beispielsweise
kann das Startmaterial in der unteren Hälfte der Arbeitskammer
eingeführt werden. Der wesentlichste Faktor bei der Bestimmung
der Stelle, an welcher das Startmaterial eingeführt
wird, ist die Notwendigkeit zur Sicherstellung einer angemessenen
Zirkulation von Material in der Kammer und der Vermeidung
von Orten, an denen das Material für eine viel längere
Zeitspanne als die Durchschnittsperiode verweilen könnte.
Falls die Konzentration an biologisch abbaubarem, organischem
Material in dem Startmaterial erhöht werden soll, wird das Verfahren
vorzugsweise in einer solchen Art und Weise betrieben,
daß bei Konstanthaltung anderer Faktoren ein Überschuß an biologisch
abbaubarem Material vorliegt, der mit dem Produkt abgegeben
wird. Obwohl es üblicherweise vorteilhaft ist, das Verfahren
so auszubilden, daß es in einer solchen Art und Weise
arbeitet, daß nur wenig oder gar kein biologisch abbaubares
Material mit dem Produkt abgegeben wird, ist dies nicht unbedingt
erforderlich, und es kann in manchen Fällen vorteilhaft
sein, daß eine solche Abgabe erfolgt. In einem solchen Fall
kann das aus der Arbeitskammer abgegebene Produkt als Startmaterial
oder als Ausgangsstoff für das Startmaterial eines
nachfolgenden Prozesses entweder der gleichen Art oder einer
beliebigen anderen Art, z. B. einer der vorbekannten Arbeitsweisen,
verwendet werden. In gleicher Weise kann das Startmaterial
für das erfindungsgemäße Verfahren Material enthalten,
das aus einem anderen Behandlungsprozeß abgegeben wurde.
Wie bereits zuvor beschrieben, sollte die Arbeitskammer
ein Höhen-Seiten-Verhältnis von nicht weniger als 3 : 1
aufweisen. Der Ausdruck "Höhen-Seiten-Verhältnis", wie
er hier verwendet wird, ist das Verhältnis der Höhe der
Kammer zu dem Durchmesser der Kammer, wenn die Kammer
die Gestalt eines aufrechten, kreisförmigen Zylinders
besitzt. Wenn die Arbeitskammer irgendeine andere Gestalt
besitzt, ist das Höhen-Seiten-Verhältnis der Kammer
das gleiche wie dasjenige einer Kammer, welche die
Gestalt eines regulären, kreisförmigen Zylinders besitzt
und in äquivalenter Weise betrieben wird. Dies ermöglicht
es, in einfacher Weise das Höhen-Seiten-Verhältnis einer
nichtzylindrischen Arbeitskammer durch Experiment zu bestimmen.
Das Höhen-Seiten-Verhältnis der Arbeitskammer ist nicht
geringer als 3 : 1, da das Verfahren unterhalb eines solchen
Wertes normalerweise nicht arbeitet und die Neigung zur
Ähnlichkeit mit dem Rührtankprozeß besteht, welcher dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Maximalkonzentration an Mikroorganismus
praktisch unabhängig von der Verdünnungsrate ist,
bis die kritische Verdünnungsrate erreicht wird. Bei der
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Höhen-
Seiten-Verhältnis vorzugsweise nicht geringer als 5 : 1, und
ein bevorzugter Bereich beträgt von 7 : 1 bis 15 : 1. Der am
meisten bevorzugte Bereich beträgt von 10 : 1 bis 12 : 1. Wenn
das Höhen-Seiten-Verhältnis oberhalb von etwa 15 : 1 liegt,
beginnt die Arbeitskammer das Aussehen eines Rohres anzunehmen,
und hier besteht die Gefahr, daß der Mikroorganismus
aus der Kammer bei niedrigen Verdünnungsraten ausgewaschen
wird. Diese Situation ist jedoch von derjenigen,
welche bei dem Rührtankprozeß auftritt, dadurch verschieden,
daß bis zum Auftreten des Herauswaschens die Konzentration
an Mikroorganismus in der Arbeitskammer stetig mit
zunehmender Verdünnungsrate abnimmt.
Die Größe der Arbeitskammer hängt von dem pro Einheitszeit
zu behandelnden Volumen an Startmaterial und von der Stärke
des Startmaterials ab. Wie zuvor erläutert, bestimmt die
Stärke des Startmaterials die maximale Verdünnungsrate, die
angewandt werden kann, falls ein Minimalwert an mit dem Produkt
abgegebenem, biologisch abbaubarem, orgnischem Material
gegeben ist, und die maximale Verdünnungsrate, zusammen
mit dem pro Einheitszeit zu behandelnden Volumen an Startmaterial
bestimmt wiederum das Volumen der Arbeitskammer. Da
es oft vorteilhaft ist, das Verfahren bei relativ hohen Verdünnungsraten
zu betreiben, muß die Arbeitskammer nicht groß
sein.
Darüber hinaus ist ein Rühren oder Inbewegunghalten mittels
mechanischer Rühreinrichtungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
im Gegensatz zu dem Rührtankprozeß nicht erwünscht, so
daß die Kosten des Betriebs herabgesetzt und die Zuverlässigkeit
erhöht werden.
Darüber hinaus kann eine gewisse Rückmischung vorteilhaft
sein, und daher ist die Anwesenheit von Prallblechen und
perforierten Blechen in der Arbeitskammer nicht erforderlich,
dies steht im Gegensatz zu anderen Turmfermentationsprozessen.
Eine typische Vorrichtung zur Anwendung bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in der Fig. 3
dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt einen Behälter 10, dessen
größerer Teil des Innenraumes die Arbeitskammer 11 darstellt,
wobei die Arbeitskammer die Gestalt eines geraden, kreisförmigen
Zylinders mit senkrechter Achse besitzt. Die untere
Grenze der Arbeitskammer wird durch eine perforierte Platte
12 nahe dem unteren Ende des Behälters bestimmt, wobei diese
Platte bzw. dieses Blech zur Verteilung der Luft aus einem
Lufteinlaß 13 am unteren Ende des Behälters dient. Das Startmaterial
wird durch einen Einlaß 14 in einem geringen Abstand
oberhalb der Platte eingeführt. Der Oberteil der Kammer 15 ist
gewölbt, und an seinem obersten Punkt ist er mit einem Auslaßrohr
16 in Gestalt eines umgekehrten U aus den zuvor beschriebenen
Gründen verbunden. Ein Wassermantel 17 erlaubt
es, erwärmtes oder gekühltes Wasser rings um den Behälter
strömen zu lassen, um das Halten des Inhalts auf den gewünschten
Temperaturen zu unterstützen. Verschiedene zusätzliche
Hilfseinrichtungen sind ebenfalls dargestellt,
nämlich eine untere Probenöffnung 18, ein Thermometer 19,
ein Thermistor 20, eine Sonde 21 zur Messung der Konzentration
an in der Flüssigkeit in der Kammer aufgelöstem Sauerstoff,
eine pH-Sonde 22, eine obere Probenöffnung 23, eine
Öffnung 24, durch welche Material in die Arbeitskammer eingeführt
werden kann, und eine pH-Bezugssonde 25.
Der Behälter kann aus einem beliebigen geeigneten Material
hergestellt sein, z. B. kann er aus Kunststoffmaterial bestehen.
Es wurde gefunden, daß der Inhalt der Arbeitskammer
für gewöhnlich sauer wird, und daß er einen so niedrigen pH-
Wert wie 1,5 erreichen kann. Die Auskleidung des Behälters
muß daher so ausgewählt werden, daß sie durch solche sauren
Bedingungen nicht beschädigt wird. Falls es als vorteilhaft angesehen
wird, kann das aus dem Behälter austretende Produkt mit
Kalk oder in irgendeiner anderen Weise behandelt werden,
so daß es neutralisiert wird oder weniger sauer gemacht wird.
Jedoch ist eine solche Behandlung normalerweise nicht erforderlich.
In Abhängigkeit von der Art des Startmaterials und solcher
Faktoren wie den wahrscheinlichen Änderungen seiner Stärke
im Verlauf der Zeit kann das erfindungsgemäße Verfahren entweder
nur allein oder in Kombination mit anderen Prozessen
durchgeführt werden. Bespielsweise kann ein relativ starkes
Abwasser bzw. Abfallmaterial oder dgl. zuerst mittels des
Rührtankprozesses behandelt werden, jedoch in einer solchen
Weise, daß einige Zucker oder Substanzen auf Zuckerbasis mit
dem Produkt abgegeben werden, und nach dem Abtrennen von Biomasse
kann das Produkt dann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
behandelt werden. Alternativ kann jedoch ebenso gut
die erste der beiden Behandlungsstufen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erfolgen. Es kann auch vorteilhaft sein,
das erfindungsgemäße Verfahren als Vorstufe bei einem existierenden
Behandlungssystem einzusetzen. Es kann beispielsweise
vorkommen, daß eine Nahrungsmittel herstellende Fabrik bereits
ihr eigenes Abwasserbehandlungssystem besitzt. Falls die Fabrik
dann vergrößert wird, können die Abwässer das vorhandene Abwasserbehandlungssystem
überfordern. Zur Vermeidung der Notwendigkeit,
ein weiteres System parallel zu dem bereits existierenden
System anzufügen, kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, alle
Abwässer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandeln und
das aus dem erfindungsgemäßen Verfahren abgegebene Material
in das bereits existierende System zu überführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Verminderung des BSB-
Wertes (biologischer Sauerstoffbedarf) und der Feststoffgehalte
von industriellen Abwässern verwendet werden, so daß
diese für eine konventionelle Beseitigung eher geeignet werden.
Die Biomasse in dem Produkt kann von dem Rest des Produktes
in jeder beliebigen, geeigneten Weise abgetrennt werden. Beispielsweise
kann die Abtrennung durch Schwerkraft in einem
Absetztank herbeigeführt werden, obwohl eine Schwierigkeit
hierbei ist, daß ein geringer Anteil der Biomasse zum Aufschwimmen
neigt und daher von dem Tank abgeschöpft werden
muß. Alternativ oder zusätzlich kann die Biomasse oder die
zurückbleibende Biomasse mittels eines Zentrifugierprozesses
oder durch Filtration wie mit Hilfe eines Rotationsvakuumfilters
abgetrennt werden. Feste mit der Biomasse mitgerissene
Teilchen können hierin verbleiben, oder es kann eine Abtrennung
durchgeführt werden. Nach der Abtrennung kann die Biomasse
getrocknet und dann für die Lagerung oder Weiterverarbeitung
gepulvert oder pelletisiert werden.
Die relativ großen Mikroorganismen, die bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet werden können, ermöglichen eine
leichte Abtrennung der Biomasse durch Filtration. Darüber
hinaus ist die Morphologie der Mikroorganismen so, daß kolloidale
und suspendierte Feststoffe in einer solchen Weise eingeschlossen
werden, daß sie ebenfalls durch normale Filtrationsarbeitsweisen
gewonnen werden können, wodurch komplizierte
Abtrenneinrichtungen vermieden werden.
Der Proteingehalt der Biomasse hängt von dem Startmaterial und
von dem verwendeten Mikroorganismus ab. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist besonders zur Erzeugung einer proteinreichen
Biomasse geeignet, z. B. wenigstens 30 g · 100 g-1.
Das Protein weist ein breites Spektrum an Aminosäuren auf und
besitzt im allgemeinen einen höheren Nährwert als Protein, das
aus den meisten Pflanzen- und Getreidequellen herrührt. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann zur Erzeugung von Biomasse
verwendet werden, die als Nahrungsmittel für Menschen oder
Futtermittel für Tiere, z. B. Fische, Haustiere oder Zuchttiere
oder als Düngemittel oder Bodenverbesserungsmittel,
brauchbar ist.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Abwässer aus einer milchverarbeitenden Anlage wurden nach einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer
Vorrichtung, die der in der Fig. 3 gezeigten ähnlich ist, behandelt.
Die Abwässer enthielten 2,5 g · l-1 Feststoffe in Gewicht,
wobei die Feststoffe die Bestandteile waren, welche
durch Abdampfen der flüssigen Phase abgetrennt werden konnten,
und wobei 65 Gew.-% Saccharose und die restlichen 35 Gew.-%
Milchfeststoffe wie Lactose, Proteine einschließlich Casein,
Salze und Vitamine waren. Die Abwässer wurden in einem Behälter
mit einer Arbeitskammer von annähernd 1000 l und einem
Höhen-Seiten-Verhältnis von 10 : 1 behandelt, wobei die Arbeitskammer
eine Höhe von 5 m und einen Durchmesser von 50 cm besaß.
Die Arbeitskammer enthielt einen Stamm von Aspergillus
niger, der ohne weiteres in der Lage war, Saccharose und
wenigstens einen Teil der Lactose abzubauen. Um sicherzustellen,
daß der Mikroorganismus ausreichend Stickstoff zur
Verfügung hatte, wurde Ammoniumnitrat zu den Abwässern in einer
Konzentration von 0,2 g · l-1 zugesetzt, zusätzlich wurde
noch Diantriumhydrogenphosphat in einer Konzentration von
0,05 g · l-1 zugegeben. Die Abwässer wurden durch die Arbeitskammer
bei einer Verdünnungsrate von 0,17 h-1 durchgeleitet,
und der Inhalt der Kammer wurde auf 30°C gehalten. Die Aktivität
des Mikroorganismus erzeugt Wärme, und es war normalerweise
nicht erforderlich, sehr viel zusätzliche Wärme zur Aufrechterhaltung
der Temperatur auf dem gewünschten Wert zuzuführen.
Durch die Kammer wurde Luft mit einer Oberflächen-
Gasgeschwindigkeit von 2 cm · sec-1 geleitet. Nach Erreichung
eines stabilen Zustandes bwz. Gleichgewichtszustandes wurde
gefunden, daß die Konzentration an Mikroorganismus in der Kammer
2,0 · l-1, gemessen als Trockengewicht, betrug, während
die Konzentration an Mikroorganismus in der abgegebenen
Strömung etwas weniger als 1,0 g · l-1 war. Wenigstens 90% des
Caseins wurde von den Mikroorganismen eingefangen und hiermit
aus der Kammer abgegeben. Der pH-Wert fiel auf 2,9. Es wurden
keine Stufen zur Sterilisierung der Abwässer unternommen, jedoch
wurden einige nicht erwünschte Mikroorganismen in der
Kammer beobachtet. Der Mikroorganismus im abgegebenen Produkt
wurde mittels eines Vibrationssiebes abgetrennt. Alternativ
hätte auch eine Zentrifuge oder ein Vakuumsieb verwendet werden
können. Die Konzentration an Feststoffen in dem abgegebenen
Produkt betrug 0,2 g · l-1 in Gewicht.
Es wurden eine Reihe von Versuchen durchgeführt, wobei jeder
Versuch der in Beispiel 1 beschriebenen Methode gleichartig
war, wobei jedoch unterschiedliche Konzentrationen an Feststoffen
in dem Startmaterial und variierende Verdünnungsraten
vorlagen. In jedem Fall umfaßte das Startmaterial eine
Lösung von Saccharose in Wasser, zusammen mit den üblichen
kleinen Mengen an stickstoffhaltigem Material und anderen
Salzen. Das Startmaterial wurde zur Sterilisation in einem
Autoklaven behandelt. Die Versuche wurden in einer Kammer
mit einem Volumen von 10,5 l durchgeführt. Die Ergebnisse
sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt.
In der Fig. 4 ist die Abszisse ein Maß der Verdünnungsrate
(h-1) und die Ordinate ein Maß der Konzentration an Mikroorganismus
in der Arbeitskammer (g · l-1), wenn ein stabiler
Zustand erreicht war.
Die unterschiedlichen Symbole geben die folgenden Konzentrationen
an Saccharose in dem Startmaterial wieder:
┤ 55 g · l-1
⚫27,5 g · l-1
10,0 g · l-1
∎ 5,0 g · l-1
∆ 2,5 g · l-1
Bei 2,0 g · l-1 wurde ein stabiler Zustand nicht erreicht.
Es ist festzustellen, daß die Konzentration an Mikroorganismus
in der Arbeitskammer innerhalb der experimentellen Fehlergrenzen
unabhängig von der Saccharosekonzentration im Startmaterial
war. Weiterhin ist festzustellen, daß die Konzentration
an Mikroorganismus in der Arbeitskammer stetig mit zunehmenden
Werten der Verdünnungsrate abnahm.
In der Fig. 5 ist die Abszisse wiederum ein Maß der Verdünnungsrate
(h-1), jedoch ist die Ordinate ein Maß der Produktivität,
d. h. des Gewichtes (gemessen als Trockengewicht) an
Mikroorganismus in dem aus der Arbeitskammer abgegebenen Produkt
pro Volumeneinheit der Kammer und pro Zeiteinheit
(g · l-1 · h-1).
Hier ist ersichtlich, daß bei einer beliebigen, vorgegebenen
Verdünnungsrate die Produktivität mit steigender Konzentration
an Saccharose anstieg, bis ein Maximalwert erreicht wude,
wobei dieser Wert unabhängig von der Saccharosekonzentration
war. Weiterhin ist festzustellen, daß die maximale Produktivität
mit zunehmenden Werten der Verdünnungsrate ansteigt.
Zusätzlich kann leicht abgeleitet werden, daß bei der Behandlung
einer vorgegebenen Menge von Saccharose pro Zeiteinheit
eine größere Produktivität oft dadurch erreicht werden kann,
daß die Verdünnung des Startmaterials erhöht wird und die Verdünnungsrate
in dem entsprechenden Ausmaß erhöht wird, so daß
die gleiche Menge an Saccharose in den Behälter pro Zeiteinheit
eintritt.
Eine Reihe von Versuchen wurde in allgemein ähnlicher Weise,
wie sie in Beispiel 2 beschrieben wurde, durchgeführt, wobei
diese sich hiervon nur darin unterschieden, daß die Saccharoselösung
nicht sterilisiert wurde und daß eine Lösung mit nur
einer Stärke, nämlich von 2,5 g · l-1 verwendet wurde. Die Versuche
wurden bei ähnlichen Verdünnungsraten, wie sie in den
Versuchen von Beispiel 2 angewandt wurden, und weiterhin bei
sehr viel höheren Verdünnungsraten durchgeführt. Die Ergebnisse
sind graphisch in den Fig. 6 und 7 dargestellt. In der
Fig. 6 ist die Abszisse ein Maß der Verdünnungsrate (h-1),
und die Ordinate ist ein Maß der Mikroorganismuskonzentration
(g · l-1) in der Arbeitskammer. In der Fig. 7 ist die
Abszisse ein Maß der Verdünnungsrate (h-1), und die Ordinate
ist ein Maß der Produktivität (g · l-1 · h-1).
Der erste Teil der Darstellung in der Fig. 6 bis zur Position
"A" ist eine Darstellung, die allgemein der Darstellung von
Fig. 4 entspricht, obwohl die tatsächlichen Konzentrationen
an Mikroorganismus bei unterschiedlichen Verdünnungsraten
sich von denjenigen im Beispiel 2 dadurch unterscheiden, daß
die Lösung nicht sterilisiert wurde.
Nach dem Abflachen der Kurve geht die allmähliche Abnahme der
Konzentration an Mikroorganismus mit zunehmender Verdünnungsrate
weiter. Oberhalb einer Verdünnungsrate von etwa 1,5 h-1
senkt sich die Kurve wiederum nach unten ab, und oberhalb einer
Verdünnungsrate von etwa 3,0 h-1 fällt die Konzentration
an Mikroorganismus in der Arbeitskammer rascher, jedoch immer
noch sehr stetig ab.
Die entsprechenden Werte der Produktivität sind in der Fig. 7
dargestellt. Hier ist ersichtlich, daß die Zunahme der Produktivität
mit der Verdünnungsrate weitergeht, bis die Verdünnungsrate
einen Wert von etwa 3,0 h-1 erreicht, danach fällt die Produktivität
wiederum ab. Oberhalb einer Verdünnungsrate von etwa
3,0 h-1 beginnt das Auftreten eines Herauswaschens, jedoch ist
der Effekt sehr viel weniger scharf ausgeprägt als bei Anwendung
des Rührtankprozesses.
Es muß darauf hingewiesen werden, daß diese Verdünnungsraten
sehr viel höher sind als die bei der Durchführung des Rührtankprozesses
angewandten Verdünnungsraten.
Die folgenden Versuchsergebnisse zeigen die Veränderung der
Konzentration an Mikroorganismus in der Arbeitskammer bei
Veränderung der Oberflächen-Gasgeschwindigkeit (OGG). Das
Startmaterial war dem in Beispiel 2 beschriebenen Startmaterial
vergleichbar, die Saccharosekonzentration lag bei
27,5 g · l-1. Das Startmaterial wurde in die Arbeitskammer
von 10,5 l mit einem Höhen-Seiten-Verhältnis von 12 : 1 einer
Vorrichtung, die der von Fig. 3 ähnlich war, bei einer
Verdünnungsrate von 0,088 h-1 eingeführt. Die Temperatur
betrug 30°C. Wenn ein stabiler Zustand erreicht worden war,
wurde die Konzentration an Mikroorganismus (A. niger) in der
Arbeitskammer als Trockengewicht bestimmt.
OGG (cm · sec-1)Konzentration (g · l-1)
12,39
23,60
35,27
Abwässer aus einer Ölmühle (Palmöl) wurden nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelt. Die Abwässer stammten aus
einer Anlage, die zur Behandlung von Palmnüssen zur Herstellung
von Palmöl verwendet wurde. Bei dieser Behandlung werden
die Palmnüsse in Anwesenheit von Wasser gemahlen, und das erhaltene
Gemisch wird dampfdestilliert. Das Destillat umfaßt
ein Gemisch von Palmöl und einer wäßrigen Fraktion, die sich
voneinander trennen. Das Palmöl wird entfernt, und die wäßrige
Fraktion wird mit dem Destillationsrückstand oder dem Schlamm
vermischt. Dieses Gemisch von Schlamm und wäßriger Fraktion
stellt die Abwässer dar. Bislang wurden die Abwässer, die
hauptsächlich aus Zellulose, Fasern und Zucker bestehen, in
Flüsse abgegeben.
Die in den Versuchen verwendeten Abwässer enthielten 8,38 g · l-1
Gesamtfeststoffe, hiervon betrug der Kohlehydratgehalt 4,48 g · l-1.
Zu diesen Abwässern wurde Ammoniumsulfat und Natriumdihydrogenorthophosphat
in jeweils einem Zehntel des Gewichtes der vorhandenen
Kohlehydrate gleichen Mengen zugegeben. Die Abwässer
wurden in einer Vorrichtung, die derjenigen von Fig. 3 ähnlich
war, mit einer Arbeitskammer mit einem Fassungsvermögen
von 10,5 l und einem Höhen-Seiten-Verhältnis von 12 : 1 behandelt.
Luft wurde mit einer Oberflächen-Gasgeschwindigkeit
von 2 cm · sec-1 zugeführt, und die Temperatur des Inhalts
in der Arbeitskammer wurde auf 30°C gehalten.
Bei einer Verdünnungsrate von 0,10 h-1 betrug die Gesamtmenge
an filtrierbaren Feststoffen in der Arbeitskammer
(gemessen als Trockengewicht) 6,7 g · l-1 und der Gehalt an
Mikroorganismus (A. niger), ebenfalls gemessen als Trockengewicht,
5,79 g· l-1, nachdem ein stabiler Zustand erreicht
worden war.
Bei seiner Verdünnungsrate von 0,20 h-1 betrug die Gesamtmenge
an filtrierbaren Feststoffen in der Arbeitskammer,
gemessen als Trockengewicht, 3,5 · l-1, und der Gehalt an
Mikroorganismen, ebenfalls gemessen als Trockengewicht, betrug
2,93 g · l-1, wenn ein stabiler Zustand erreicht worden
war.
Claims (13)
1. Verfahren zur Behandlung von biologisch abbaubarem,
organischem Material, bei welchem ein das Material enthaltendes,
flüssiges Medium durch eine aufrechte Arbeitskammer
mit einem Höhen-Seiten-Verhältnis von nicht weniger
als 3 : 1 nach oben strömen gelassen wird, flockenförmiger
Mikroorganismus, der zum Abbau wenigstens eines Teiles des
biologisch abbaubaren, organischen Materials in der Lage
ist, in der Arbeitskammer wachsen gelassen wird, Sauerstoff
enthaltendes Gas in die Arbeitskammer zur Ermöglichung
des Wachstums des Mikroorganismus eingeführt wird, der
Mikroorganismus in der gesamten Arbeitskammer überwiegend
flockenförmig ist, und das erhaltene Gemisch von behandeltem
Medium, Gas und überschüssigem Mikroorganismus
am Oberteil der Arbeitskammer durch einen gemeinsamen
Auslaß abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet,
daß als biologisch abbaubares Material in einem
flüssigen Medium industrielle Abwässer verwendet werden,
das Sauerstoff enthaltende Gas in Form von kleinen
Bläschen durch das gesamte flüssige Medium verteilt
wird, und das Verfahren so betrieben wird, daß
die Mikroorganismenkonzentration stetig mit zunehmender
Verdünnungsrate abnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nur eine Art von flockenförmigen Mikroorganismus
in der Arbeitskammer wachsen gelassen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als flockenförmiger
Mikroorganismus ein fadenartiger Pilz eingesetzt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als fadenartiger Pilz Aspergillus
niger, Trichoderma viride, Sporotrichum thermophile,
Penicillium roquefortii, Geotrichum candidum, Rhizopus
spp., Mucor spp. oder Fusarium spp. eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als flockenförmiger
Mikroorganismus eine flockenförmige Hefe eingesetzt
wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das biologisch
abbaubare Material in dem flüssigen Medium ein Abwasser
oder Abfallmaterial aus einer Nahrungsmittel
verarbeitenden Anlage ist oder hierauf basiert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch
abbaubare Material in dem flüssigen Medium abgegebenes
Material oder Abwasser aus einer Palmöl produzierenden
Anlage ist oder hierauf basiert.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gas bei
einer solchen Strömungsrate angewandt wird, daß die
Menge an in dem flüssigen Medium aufgelösten Sauerstoff
nahe Null liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Gas Luft
eingesetzt wird, und daß die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit
(das Volumen an pro Zeiteinheit eingeführtem Gas,
dividiert durch die Querschnittsfläche der Arbeitskammer)
zwischen 1 und 10 cm · sec-1 liegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Menge an
biologisch abbaubarem Material in dem flüssigen Medium
von 0,1 bis 20 g · l-1 beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge an biologisch abbaubarem
Material in dem flüssigen Medium von 0,5 bis 20 g · l-1
beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge an biologisch abbaubarem
Material in dem flüssigen Medium von 1 bis 10 g · l-1
beträgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei einer
Verdünnungsrate von nicht mehr als 0,5 h-1 betrieben
wird.
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