DE2815030A1

DE2815030A1 - Verfahren zur anreicherung von biomasse

Info

Publication number: DE2815030A1
Application number: DE19782815030
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Faust; Michael Dr Mitzlaff; Merten Dr Schlingmann
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1978-04-07
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1979-10-18
Also published as: CA1128462A; GB2018287A; FR2421942A1; NO791169L; SU902673A3; BR7902147A; ATA252879A; JPS54138186A; BE875432A; AT374494B; DD142719A5; GB2018287B; NL7902724A

Description

kOECHST AKTIENGESELLSCHAFT HOE 78/F 072 7.3.1978 DFh HS

Verfahren zur Anreicherung von Biomasse

Aerobe Fermentationsprozesse werden in steigendem Maße industriell herangezogen, um organische Rohstoffe wie zucker- und stärkehaltige Medien, η-Paraffine, Methanol und Aethanol in hochwertige biologische Produkte wie Enzyme, Metaboliten oder Einzellerproteine umzuwandeln /_ vgl. z.B. DE-OS 1.442.051, DE-OS 24 23 766, DE-OS 24 07 740, SU 498.940, JA 50-6778_7.

Diesen mikrobiologischen Prozessen ist gemeinsam, daß als Fermentationsprodukt zunächst eine wäßrige Suspension mit einem Biomassegehalt von bis zu 5 % Feststoff anfällt. Die Produktion der Biomasse erfolgt in begasten Fermentationsbehältern, in denen im Chargenbetrieb oder kontinuierlich die für das Wachstum von Mikroorganismen günstigsten Bedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Ionenstärke, Substratkonzentration, Sauerstoffpartialdruck und Turbulenz eingestellt werden können.

Zur Aufarbeitung der Fermentationsmasse und Gewinnung der gewünschten Produkte ist als erster Schritt häufig eine Trennung der Feststoffe vom wäßrigen Fermentationsmedium notwendig. Man verwendet Absetzverfahren oder Separatoren

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wie Filter, Klärschlammzentrifugen, etc. Diese Apparate arbeiten nur dann funktionsgerecht, wenn der abzutrennende Feststoff einen ausreichenden Dichteunterschied zur Lösung aufweist.

Bei biologischen Zellsuspensionen ist jedoch diese Dichtedifferenz häufig sehr gering. Das Sedimentationsverhalten wird dann vor allem von Größe und Form der suspendierten Partikel bestimmt. Bei der Abtrennung von z.B. Bakterien mit Partikelgrößen von 1μ und kleiner kann der Aufwand an mechanischer Energie und Kapitalkosten für die Trennapparaturen reduziert werden, wenn man die Einzelpartikel zur Aggregation bringt und damit die Partikelgröße stark erhöht.

Verschiedene Mikroorganismen neigen spontan zur Flockung, die damit zum Rassemerkmal wird. In anderen Fällen kann nach Abschluß der Fermentation und vor Beginn der mechanischen Aufkonzentrierung durch zusätzliche Maßnahmen eine Flockung herbeigeführt werden, wie beispielsweise durch pH-Änderung, durch Zugabe von Elektrolyten /_ vgl. J. Weigl, Elektrokinetische Grenzflächenvorgänge, Verlag Chemie, Weinheim 1977, S. 88 ff.; F. Reiff et al., Hrsg., Die Hefen, Band I, Verlag Hans Carl, Nürnberg 1960, S. 238_7/ durch Zugabe von Polymeren [_ vgl. B.Alkinson u. J.S. Daoud in Adv. Biolog. Eng. Vol. III, Springer Verlag, 1974, S. 48_/ oder wasserlöslichen Lösungsmitteln. Außerdem wird auch eine Temperaturerhöhung auf 50° bis 200⁰C angewandt /"DE-OS 23 10 O41_7.

Bis auf das nur bedingt brauchbare Temperaturverfahren ist allen bekannten Verfahren zur Flockung als Voraussetzung für eine Sedimentation oder Separation die Zugabe von Fremdstoffen gemeinsam, die in den Folgestufen der Aufarbeitung meist unerwünscht sind und daher von einer Weiterverarbeitung mit großem Aufwand entfernt werden müssen.

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Im speziellen sind auch Verfahren bekannt, bei denen durch Einwirkung eines elektrischen Stroms die Entfernung von Schmutzstoffen aus wäßrigen Lösungen bewirkt wird. So können organische Schmutzstoffe enthaltende Abwasser durch Oxydation mit anodisch gebildetem Sauerstoff an großflächigen Elektroden gereinigt werden. Hierbei werden die Schmutzstoffe chemisch verändert (FR-PS 2.316.196).

Außerdem sind verschiedene Verfahrensvarianten bekannt, bei denen durch Elektrolyse gebildete feine Gasbläschen nach einer fakultativen Vorflockung der suspendierten Partikel durch pH-Wert-Änderung , Zugabe mehrwertiger Kationen, mono- oder polymere Flockungsmittel sich mit diesen Partikeln verbinden und diese flotieren. Bei der Elektrolyse ist zur Erzeugung der Gasblasen jedoch ein entsprechend hoher Energieaufwand erforderlich /_ J 5.111.528-0; DE-OS 25 00 455; DE-OS 25 45 875; DE-OS 25 45 909; Food Technology, Febr. 1974, S. 18_7· Hierdurch wird in jedem Falle eine Flotation bewirkt, die zu großvolumigen, schlecht unter Druck förderbaren Schäumen führt.

Ferner lassen sich hochverdünnte Partikelsuspensionen klären, indem man sie durch ein elektrisches Feld einer Gleichspannung von 100 - 500 V leitet und die Einzelpartikel zur Wanderung in diesem Feld anregt. Das Verfahren ist nur bei wäßrigen Lösungen mit sehr geringen Feststoffgehalten (50 mg/1) wirkungsvoll (s. Pat. SU 573-713).

Zur Abwasserreinigung von Nahrungsmittelabwässern ist unter der Bezeichnung "Elektrokoagulation" die Flockung und Flotation infolge von Gasentwicklung und Kationenbildung durch Einfluß von elektrischem Strom auf das Abwasser bekannt (s. Food Technology, Febr. 1974, S. 18). Dieser Vorgang erfordert jedoch den gleichen Zeitaufwand wie eine Prozeßführung mit chemischen Flockungsmitteln und stellt damit keinen besonderen Vorteil dar.

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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es .gestattet, Biomasse in Suspensionen, deren Dichte nur unwesentlich geringer ist als die der Biomasse ohne Zugabe von Flockungsmitteln oder sonstigen Fremdstoffen, ohne Mitwirkung von Gasblasen und unter Vermeidung von thermischen Schädigungen anzureichern.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Anreicherung von Biomasse durch Koagulation des Feststoffes einer Fermentationssuspension unter Einwirkung von elektrischem Strom, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Suspension bei 20 bis 100⁰C der Wirkung von elektrischem Strom

2
bis zu Stromdichten von 10 mA/cm und einer Frequenz von

0 bis 2000Hz, vorzugsweise von 0 bis 50 Hz aussetzt. 15

Durch die Angabe 0 bis 2000Hz soll zum Ausdruck gebracht werden, daß sich Gleichstrom und Wechselstrom zur Durchführung des Verfahrens gleichermaßen eignen.

Diesem Prozeß liegt im Unterschied zu den bereits bekannten Verfahren der Vorgang zugrunde, daß die zu koagulierenden Einzelpartikel unabhängig von einer elektrolytischen Gasentwicklung an den Elektroden und besonders in einem Strom-/ Spannung'sbereich, bei welchem diese Gasentwicklung noch nicht auftritt, schon bei Anlegen eines entsprechend eingestellten Stromes miteinander reagieren.

Die Durchführung des Verfahrens erfolgt im allgemeinen derart, daß man die Suspension in eine geeignete Reaktionsapparatur bringt, die gewünschte Temperatur einstellt und dann den gewünschten Strom durchleitet. Die für eine Koagulation erforderliche Strommenge ist von der Art und der

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Konzentration der jeweiligen Fermentationssuspension abhängig. Es ist möglich, die erfindungsgemäße Anreicherung sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich durchzuführen. Eine für die diskontinuierliche Durchführung geeignete Reaktionsapparatur stellt beispielsweise eine Trogzelle dar (vgl. Figur 1). Bei dieser ist der eigentliche Zellenbehälter (1) mit einem dichtschließenden Deckel (2) versehen, durch den die Stromzuleitung für die Elektroden (3) und (4) zugeführt werden und in dem sich die öffnungen

(5) für den Zulauf der Suspension, (6) für die Ableitung von Gasen und (11) für ein Thermometer (9) befinden. Die Öffnung für die Ableitung von Gasen kann mit einem Rückflußkühler versehen sein (nicht dargestellt), in dem verdampfende Anteile der Suspension kondensiert werden können.

Die Trogzelle ist ummantelt und kann durch die Ein- (7) und Ausgangsstutzen (8) an einen Heiz- oder Kühlflüssigkeitskreislauf angeschlossen werden. Die Temperatur der Suspension wird über ein Thermometer (9) oder einen Thermofühler überwacht. Die zwei Elektroden (3 = Anode) und (4 = Kathode) sind in einem Abstand von 0,5 bis 50 mm, vorzugsweise von 1 bis 15 mm, zueinander angeordnet.

Als Elektrodenmaterial werden beispielsweise Netze oder Bleche aus Palladium oder Platin sowie edelmetallbeschichtete Metallelektroden, vorzugsweise Titanelektroden, mischoxidbeschichtete Metallelektroden (als Anoden), vorzugsweise Titananoden, oder auch geschlitzte und ungeschlitzte Platten aus Graphit eingesetzt. Die vertikale Anordnung der Elektroden kann auch durch eine horizontale ersetzt werden.

Ebenso ist die Anordnung mehrerer Elektrodenpaare möglich, wie sie sich vor allem in der blockartigen Kombination von gewinkelten oder nicht gewinkelten Kapillarspaltelektroden mit und ohne Vibration der Elektroden bewährt hat. Während des Stromdurchleitens kann die Suspension durchmischt werden,

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vorzugsweise durch einen Rührer, z.B. Magnetrührer (10), oder durch Umpumpen, vor allem bei den blockartigen Kombinationen. Wird das Verfahren kontinuierlich betrieben, so ist in dem Deckel (2) des Elektrolysegefäßes (1) eine weitere öffnung zum kontinuierlichen Umpumpen der Suspension vorgesehen.

Aus der im Kreislauf umgepumpten Suspension wird jeweils ein Teil der Suspension zur Weiterverarbeitung abgetrennt und jeweils entsprechend frische Suspension zugegeben.

Eine andere, insbesondere für kontinuierliche Verfahrensweise geeignete, Reaktionsapparatur stellt die Durchflußzelle dar. Besonders geeignet sind Plattenzellen (vgl. Figur 2).

In einem Zellkörper aus Kunststoff oder Stahl mit rechteckigem Querschnitt (1) befinden sich in der einfachsten Ausführung zwei plattenförmige Elektroden, die Anode (3) und die Kathode (4) im Abstand von 1 bis 60 mm. Die Suspension wird entsprechend temperiert durch den Einlaß (5) zuge-. führt und am Auslaß (12) abgenommen. Dabei ist neben dem einmaligen Durchleiten der Suspension auch mehrfach wiederholtes Durchleiten möglich.

Eine andere geeignete Durchflußzelle ist die Rohrzelle (vgl. Figur 3). In einem Zellkörper aus Kunststoff oder Stahl (1) befinden sich zwei konzentrische Elektroden, die Anode (3) und die Kathode (4), die einen Abstand von 1 bis 60 mm voneinander besitzen. Die Suspension wird entsprechend temperiert durch den Einlaß (5) zugeführt und am Auslaß (12) abgenommen. Dabei ist neben dem einmaligen Durchleiten auch mehrfaches Durchleiten der Suspension möglich.

Das Verfahren wird normalerweise bei Normaldruck durchgeführt'. Es kann auch bei erhöhtem Druck betrieben werden. 35

Unter Biomasse ist die Masse von Mikroorganismen zu verstehen, welche bei Fermentationsprozessen als aus Einzelpartikeln bestehender Feststoff in einer Fermentationslösung enthalten ist.

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Üblicherweise werden als Mikroorganismen Bakterien, Hefen und Pilze verwendet. Beispiele für solche Mikroorganismen sind Methanol verwertende Bakterien der Gattung Methylomonasr z.B. Methylomonas clara ATCC 31 226, Hefen wie Candida
lipolytica ATCC 20.383, die durch Züchtung auf n-Paraffinen in Gegenwart eines wäßrigen Nährmediums erhalten werden
können, oder Pilze, wie sie bei der bekannten Herstellung von Antibiotika allgemein verwendet werden, wie z.B.
Penicillium chrysogenum.
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Die Erfindung soll durch die folgenden Beispiele erläutert werden, ohne sie jedoch einzuengen:

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Beispiel 1:

Methylomonas clara ATCC 31266 wurde in einer Nährlösung, enthaltend Methanol als Kohlenstoffquelle, Ammoniak als Stickstoffquelle, Phosphat sowie Eisen-, Magnesiumsalze und andere übliche Spurenelemente unter aeroben Bedingungen gezüchtet. 500 ml einer so erzeugten Bakteriensuspension mit einem Feststoffgehalt von 1,1 Gew.-% wurden in eine Trogzelle (s. Figur 1) gefüllt. In diese Suspension tauchen zwei konzentrisch angeordnete Platinnetzzylinder mit 225 Maschen/cm² mit 24 und 36 mm Durchmesser und 95 mm Höhe. Die äußere Elektrode dient als Anode. Die Temperatur wird während der Elektrolyse auf 35⁰C gehalten. Nach Einschalten des Gleichstromes beträgt im Versuch 1 die Stromstärke 0,1 A. Das bedeutet eine mittlere Stromdichte, bezogen auf die Anodenfläche, von 0,93 mA/cm².

Nach 15 Minuten wird der Strom abgeschaltet. Die errechnete mittlere Zellspannung beträgt 1,8 Volt. Der Zellinhalt wird dann in ein Sedimentationsgefäß gefüllt.

Der klare Überstand wird dekantiert und das Sediment der weiteren Verarbeitung zugeführt. In gleicher Weise wie im Versuch 1 wird der Versuch 2 bis 5 durchgeführt. Bei den Versuchen 3 bis 5 wird jedoch anstelle von Gleichstrom Wechselstrom mit Frequenzen von 20 Hz (Versuch 3), 200 Hz (Versuch 4) und 2000 Hz (Versuch 5) verwendet. Die entsprechenden Strom- und Spannungswerte sind dann Angaben des Effektivwertes. In Tabelle 1 sind die -Ergebnisse der Versuche einem entsprechenden Blindversuch gegenübergestellt.

Bei den Versuchen 3 bis 5 sind die Effektivwerte des Stromes und der Spannung angegeben.

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IO -

Tabelle 1

Versuch Nr.	Strom /~a_7	Stromdichte /~mA/cm²_7	Spannung /X7	Sedime /ml_7 3tV	mtvoli. nach 60¹	imen 90'
1	0,1	0,93	1,8	nicht meßbar	50 ml	50 ml
2	0,01	0,093	1,6	nicht meßbar	nicht meßbar	45 ml
₃a)	0,18^b)	1,67^b)	0,5^b>	nicht meßbar	45 ml	45 ml
' 4^C>	0,3^b)	2,79^b)	0,5^b>	nicht meßbar	nicht meßbar	40 ml
5^d)	0,18^b)	1,67^b>	0,5^b>	nicht meßbar	nicht meßbar	40 ml
Kontrolle	0	0	0	nicht meßbar	nicht meßbar	nicht meßbar

a) Frequenz 20 Hz b) Effektivwert c) Frequenz 200 Hz d) Frequenz 2000 Hz

Man erkennt deutlich die gute bis sehr gute Sedimentation der elektrisch behandelten Proben im Vergleich zur nicht behandelten Probe.

Beispiel 2:

Ein Kohlenwasserstoffe-verwertender Stamm der Hefe Candida lipolytica ATCC 20.383 wurde auf η-Paraffinen in Gegenwart eines wäßrigen Nährmediums und eines Sauerstoff-enthaltenden Gases kultiviert. 500 ml dieser Suspension (Feststoffgehalt: 2 Gew.-%) wurden in eine Trogzelle gefüllt (s. Figur 1) und wie in Beispiel 1 beschrieben behandelt. Der Überstand wurde dekantiert, das Sediment getrocknet und gewogen. Das Trockengewicht der gewonnenen Biomasse bezogen auf die in der Suspension enthaltende Zellmasse ist ein Maß für die gute Flockulierung.

Tabelle 2 zeigt die Anteile der gev/onnenen Biomasse für 5 Versuche in Abhängigkeit von Stromstärke, Spannung, Stromdichte und Zeit. _, _Λ .

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Tabelle 2

	Versuch Nr.	Strom	Stromdichte	Spannung	Zeit	Bioms eingesetzt L s_7	isse gewonnen CsJ -
b	1	0,01	0,093	1,5	10	10,0	9,0
	2	0,01	0,093	1,6	15	10,0	9,4
10	3	0,05	0,465	1,7	15	10p 0	9,6
	4	0,1	0,93	1,8	- 15	10,0	9,8
15	5	0,1	0,93	1,8	30	10,0	9,8
Kontrolle	0	-	0	—	10,0	5,0

Man erkennt den deutlich erhöhten Anteil der gewonnenen Biomasse der elektrisch behandelten Proben im Vergleich zur nicht behandelten Probe.

Beispiel 3:

Penicillium chrysogenum ATCC 10.238 wurde in einer Nährlösung, enthaltend Lactose, Cornsteep flüssig, Phosphat, Carbonat und Magnesiumsulfat, nach üblichen Methoden aerob gezüchtet. Unter Verwendung der in Beispiel 1, Versuch 1, beschriebenen Elektroden wird Gleichstrom für eine bestimmte Zeit angelegt und die Filtrierbarkeit der Suspension durch Messung des Filtratvolumens/Zeit gemessen.

Versuch^l^

500 ml einer Myce!suspension mit 10 Gew.~$ Feststoff werden für 15 Minuten mit 0,005 A bei 2O⁰C elektrolysiert. Anschliessend filtriert man die Suspension über eine Nutsche (Durch-

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messer 11 cm, Papier, Vakuum 15 Torr) und mißt das Volumen des Filtrates nach 1 Minute.

Die Ergebnisse der Versuche 1-5 von Beispiel 5 sind in 5 Tabelle 5 zusammengefaßt und einem entsprechenden Blindversuch gegenübergestellt.

10 Tabelle 5

Versuch Nr.	Strom	Stromdichte /mA/cmPj	Spannung	Zeit /min/	Filtratvolumen /ml/min/
1	0,005	0,0465	1,4	15	5
2	0,01	0,093	1,5	15	50
3	0,05	0,465	1,6	15	85
4	0,1	0,95	1,7	15	90
5	0,1	0,95	1,7	10	90
Kontrolle	0	0	0		5

Man erkennt deutlich das größere Filtrdvolumen der elektrisch 30 behandelten Proben im Vergleich zur nicht behandelten Probe«,

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Leerseite

Claims

HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT « ρ -ι rnon Aktenzeichen: D.Ph.HS/cr Datum: 6. April 1978 HOB 7?/F 077. Verfahren zur Anreicherung von Biomasse PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Anreicherung von Biomasse durch Koagulation des Feststoffes einer Fermentationssuspension unter Einwirkung von elektrischem Strom , dadurch gekennzeichnet , daß man die Suspension bei 20° - 100⁰C der Wirkung eines elektrischen Stromes bis zu Stromdichten von 10 mA/cm² und einer Frequenz von 0 bis 2000Hz, vorzugsweise 0 bis 50 Hz, insbesondere O Hz (= Gleichstrom) aussetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es diskontinuierlich - vorzugsweise unter Rühren oder Umpumpen der Suspension - in einer Trogzelle durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es kontinuierlich in einer Durchflußzelie durchführt.

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