DE2845387C2 - Verwertung der Abwärme von biologischen Wachstumsvorgängen in Reaktoren - Google Patents

Description

Erfindungsgegenstand ist das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren. Der Patentanspruch 2 nennt eine Ausgestaltung dieses Verfahrens.

Bei der Einzellerproteinproduktion aus wäßrigen, kohlenhydrathaltigen Lösungen, die als Neben- oder Abfallprodukte der landwirtschaftlichen Erzeugung anfallen (Molke, stärkehaltige Lösungen, Restlösungen der Zuckerfabrikation) ist man bestrebt, die Verfahren so zu führen, daß die gesamte Fermentationsmasse nach der Fermentation eingedampft und getrocknet werden kann. Auf diese Weise fällt, außer den Brüden des Eindampf- und Trocknungsprozesses, kein Abwasser an. Die Biosmasseproduktion verläuft stark exotherm. Bei guter Sauerstoffversorgung können im Hochleistungsfermenter 16%ige und noch höher konzentrierte Kohlenhydratlösung verheft werden. Bei einer Ausbeute an Hefetrockenmasse von 50% des eingesetzten Kohlenhydrates muß bei 16%igen Lösungen eine Wärmemenge von 1406MJ/t abgeführt werden. Derart erzeugte Wärmemengen werden bis jetzt durch große Kühlwassermengen abgeführt und können wegen des niedrigen Temperaturniveaus nicht ohne weiteren technischen Aufwand genutzt werden. Eine Ausnützung der im obigen Beispiel angegebenen Wärmemenge für den Eindampf- und Trocknungsprozeß ist sinnvoll. Eine Überschlagsrechnung ergibt, daß 623 kg Wasser/t Kohlenhydratlösung direkt verdampft werden könnten. Dieses ist der größere Teil des im Nährsubstrat enthaltenen Wassers. (Zu dem vorher schon vorhandenen Wasser kommen zwar noch zusätzlich 23 kg Oxidationswasser aus dem biologischen Prozeß, aber außer den Kohlenhydraten sind meist noch andere Bestandteile in den Lösungen enthalten, so daß im durchgerechneten Beispiel der Gesamtwassergehalt niedriger liegen wird als 863 kg/t KGhlenhydatlösung.)

Es ist bekannt, daß eine Ausnützung der Abwärme von Bioreaktoren dadurch geschehen kann, daß das zur Abführung der freiwerdenden Wärmemenge dienende Medium mittels einer Wärmepumpe auf eine höhere Temperaturstufe gebracht wird und in demselben Verfahren zur Trocknung des Endproduktes verwendet wird (siehe Schweizer Patentanmeldung 004291/74, Dr. H. Müller, Männedorf).

Dabei ist es allerdings nötig, die Biomasseproduktion im Fermenter und die Trocknung der Biomasse π zeitlich miteinander zu koppeln, was nicht immer möglich ist. Die Wärmepumpe kostet zusätzliche Energie und Investitionen und es ist fraglich, ob diese Kosten die Kosten für die eingesparten Dampf- und Kühlwassermengen kompensieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abwärme von biologischen Wachstumsvorgängen direkt, ohne Zwischenschaltung einer Wärmepumpe für die Trocknung auszunutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst.
Für das Verfahren können osmophile Hefen mit geringen Ansprüchen an die Wasseraktivität, oder allgemein Hefen eingesetzt werden. Mit dem Verfahren können, zusammen mit den Mikroorganismen, industriell wichtige Enzyme produziert werden. In einer jo vorgeschalteten Vergärung des wäßrigen Substrates mit Milchsäurebakterien kann für die Biomasseproduktion im Wirbelbett etwa erforderliche Säure in Form von Milchsäure und eine Stickstoffquelle in Form von Ammoniumlactat hergestellt werden. Das j-> Verfahren kann auch in einem mechanisch bewegten schwingenden Wirbelbett durchgeführt werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Einzellerproteinproduktion in einer Einheit durchgeführt werden kann, 4n während bisher Fermenter und Trocknung getrennt waren, und daß die mit einem Ventilator in das Wirbelbett gedrückte oder gesogene Luft folgende, für eine Einzellerproteinprodukten wichtige Funktionen übernimmt:

1. Belüftung der wachsenden Mikroorganismen. 2. Kühlung des biologischen Systems, so daß eine Züchtung in dem für die betreffenden Mikroorganismen geeigneten Temperaturbereich möglich ist.

ίο 3. Mischen der Fermentationsmasse durch Einstellung eines flüssigkeitsähnlichen Wirbelzustandes.
4. Konzentrieren der Fermentationsmasse durch Wasserentzug.
5. Agglomerieren und Instantisieren des erzeugten Produktes.

Fig. 1 zeigt schematisch die übliche belüftete Rührkesselanlage für die Submerszüchtung von Mikroorganismen mit der Luftzuführung (1), z. B. durch bo Strahlrohre, dem Rührwerk (2) zum Durchmischen der Suspension, der Zuleitung für die Substratzufuhr (3), dem Ernteventil (4), der Abluftleitung (5) und dem Heiz- und Kühlmantel (6). Zum Vergleich zeigt Fig. 2 schematisch eine übliche Wirbelbettsprühtrocknung, mit der Luftzuführung (1) durch eine Siebplatte, dem Rührer (2) zum Zerkleinern größerer Partikel, der Zuleitung (3) für die zu trocknende Lösung mit einer Zerstäubungsdüse zum Aufsprühen der Lö-

sung auf das Wirbelbett, dem Entleerventil (4), der Abluftleitung (5) mit Filter zum Filtrieren der Abluft, dem Lufterhitzer und Kühler (6) und dem Ventilator (7). Eine kurze Darstellung der Anwendungen des Wirbelbettverfahrens geben W. Külling und E. J. Simon (Zeitschr. Lebensm. Teciwi. u. Verfahrenstechnik 29, 1/78, 11 Literaturangaben). Der Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt die große Ähnlichkeit im Aufbau beider Systeme. Die Übereinstimmung wird noch dadurch verstärkt, daß beide Systeme Fließeigenschaften zeigen. Da es sich aber bei dem Submersystem um eine Eintragung von Luft in eine wäßrige Suspension handelt und das Wirbelbett durch Einblasen von Luft in eine Schüttung feinkörnigen Feststoffes erzeugt wird, ist die Züchtung von Mikroorganismen in den Partikeln des Wirbelbettes als solid state fermentation (oder solid substrate fermentation) anzusehen (siehe C. W. Hesseltine, Biotech. Bioeng. 14, S. 517, 1972). Eine solche Fermentation verlangt die Beachtung der Regeln, die B. J. Ralph (Fd. Techno!, in Australia, July 1976, S. 247) für diese biotechnologische Arbeitsweise aufgestellt hat. Folgende Punkte sind im Zusammenhang mit der Wirbelschichttechnik wichtig:

a) Das Vorhandensein von Wasser und die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre; Pilze und Bakterien stellen unterschiedliche Ansprüche an die Wasseraktivität,

b) Beachtung der Partikelgröße und der Eigenschaften des Substrates,

c) die Geometrie des Kulturgefäßes und der kinematische Ablauf der Bewegung der Partikel,

d) Anpassung der Beimpfung an die »solid-state«- Bedingungen,

e) Temperaturkontrolle,

f) Kontrolle der Zusammensetzung der Atmosphäre im Kulturgefäß im Hinblick auf Sauerstoff, Kohlendioxid und flüchtige Metabolitkonzentrationen.

Die verfahrenstechnische Kontrolle der solid state fermentation kann im Wirbelbett beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:

Zu a) Der Wassergehalt in den Partikeln und die relative Feuchtigkeit der Luft im Wirbelbett werden primär durch die pro Zeiteinheit über die Zerstäubungsdüse der Wirbelschicht zugeführte Menge an Lösung bestimmt. Um einen vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt im Wirbelbett (und damit in der Abluft), z. B. in der Nähe des Sättigungswertes, aufrechtzuerhalten, kann, wie die Praxis der Aktivbackhefetrocknung zeigt, über Feuchtigkeitsmeß- und -regelorgane feuchte Abluft der Zuluft zugemischt werden. Die Abhängigkeit der Mikroorganismen von einem genügend hohen Wassergehalt des Substrates macht es notwendig, daß das Verfahren zur Produktion und Trocknung von Einzellerprotein zweistufig geführt wird. In der ersten Stufe werden die Partikel im Wirbelbett genügend feucht gehalten und die übrigen physikalischen Parameter im Wirbelbett so eingestellt, daß ein Wachstum in den Partikeln abläuft. In der zweiten Stufe erfolgt dit Trocknung bis zu dem gewünschten Endfeuchtigkeitsgehalt der Partikel.

Zu b) Die Partikelgröße nimmt während der Zufuhr an wäßrigem Substrat durch Agglomeration zu, da das freie Wasser *iie Partikel durch Grenzflächenkräfte und kapillare Haftkräfte bindet. Der Effekt der Agglomeration Wird durch in der Lösung enthaltene klebende Bestandteile, z. B. durch Zucker, verstärkt. Für die semikontinuierliche und vollkontinuierliche Produktion von Einzellerprotein im Wirbelbett ist die zeitliche Konstanz einer mittleren Partikelgröße wichtig, da sonst das Wirbelbett, bei immer größer werdenden Partikeln, in ein Festbett (Schüttgut) übergeht. In Richtung einer Verkleinerung der Partikelgröße wirkt ein in das Wirbelbett eingebauter Rührer (Fig. 2-2) oder eine Ausführung der Siebplatte für die Luftzufuhr (Fig. 2-1) als vibrierendes Sieb

ίο oder als Rüttelsieb. Bei hohen Gasgeschwindigkeiten werden, besonders bei großen Feststoffteilchen, hohe Stoßenergien beim Aufprall auf die Reaktorwände freigesetzt, die ebenfalls zur Zertrümmerung der Partikel führen können. Die Tropfengröße der durch die Zerstäuberdüse aufgesprühten Flüssigkeit hat ebenfalls eine Bedeutung für die Agglomerierungsvorgänge(M. Rosch und R. Probst, Verfahrenstechnik 9,2,1975). Das Wirbelbett kann auch Eigenschaften eines Windsichters haben. Das führt dazu, daß Granulate, die über ein Bodenventil dem Wirbelbett entnommen werden, im Mittel größer sind als die aus den oberen Schichten des Wirbelbettes, so daß die Windsichtereigenschaft des Wirbelbettes zur Steuerung der mittleren Partikelgrößs ebenfalls herangezogen werden kann.

Nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die Partikaloberfläche ist wichtig für den Stoffaustausch im Wirbelbett. Dieses gilt nicht nur für die wachsende Hefe, die CO₂ + H₂O abgibt und O₂ aufnimmt, sondem bereits schon für die Trocknung von Aktivbackhefe. Nach E. J. Simon (Chemie-Technik 7, S. 277, 1976) ist eine schonende Trocknung von Aktivbackhefe in der Anfangsphase an eine genügend feuchte Atmosphäre gebunden, so daß die Naßpartikel an ih-

ji rer Außenseite eine gut durchlässige Schicht bilden, die permeabel für die Feuchtigkeit bleibt, die aus dem Inneren in den Luftstrom diffundiert.

Zu c) Wird ein Gasstrom mit ziemlich wachsender Geschwindigkeit durch eine Schüttung von feinkörnigern Feststoff geleitet, so wird, von einem bestimmten Punkt an, die Schüttung aufgelockert und das System geht in einen Fließzustand über (siehe Ulimann, Encyklopädie der technischen Chemie 3, 4. Auflage, S. 433, 1973, Verlag Chemie, Weinheim). Bei weiter gesteigerter Gasgeschwindigkeit wird die Bewegung der Teilchen immer heftiger, bis schließlich die Teilchen aus dem Reaktor direkt ausgetragen werden (Bereich der pneumatischen Förderung). Für die Verwendung als Reaktor stehen vier Arten zur Verfügung

>o (geordnet in der Reihenfolge steigender Gasgeschwindigkeiten):

1. Movingbed-reactor, eine bis nahe an den Fließzustand aufgelockertes, im Gegenstrom zum Gas langsam absinkendes Schüttgut.

,5 2. Fluidized bed-reactor (Fließbett), Wirbelbettreaktor mit genau definierter Oberfläche, mäßiger Bettbewegung und geringem Feststoffaustrag.

3. Flash-reactor (Flugstaubwolke) mit starker Partikelbewegung und überwiegendem oder voll-

W) ständigem Feststoffaustrag.

4. Wirbelbettreaktor im Grenzbereich zur pneumatischen Förderung, eine Feststoffrückführung ist notwendig.

Zu d) Da die Mikroorganismen in den Partikeln

b5 des Wirbelbettes, verglichen mit Submerskulturen, wenig bewegt werden, ist es für ein sicheres Beimpfen der zugeführten Nährlösung vorteilhaft, einen Teil des geernteter! Granulates, da ja lebende Zellen enthält.

in der Nährlösung aufzulösen, kurz bevor diese auf das Wirbelbett gesprüht werden.

Zu e) Der Anteil des Wassers aus der Nährlösung, das im Wirbelbett vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand üb< rgeht und als Dampf von der Luft mitgenommen wird, kühlt die Partikel des Wirbelbettes und das durchströmende Gas durch Aufnahme der Verdampfungswärme ab. Die von den Mikroorganismen infolge ihrer Stoffwechselaktivität freigesetzte Wärme wirkt dieser Abkühlung entgegen. Eine ergänzende Temperaturregulierung im Wirbelbett durch Beheizung und Kühlung der Zuluft läßt sich leicht durchführen.

Zu f) Falls eine Kontrolle der Zusammensetzung der Atmosphäre im Reaktor im Hinblick auf den Sauerstoff, das Kohlendioxid und auf flüchtige Metabolit-Konzentrationen notwendig ist, können Wirbelbett-Anlagen mit partieller Gasrückführung den gestellten Bedingungen angepaßt werden. Dieses gilt auch für die Züchtung von Mikroorganismen mit gasförmigen Substraten als Nährstoff, z. B. von Methan als C-Quelle.

Zu g) Die Verweildauer der Granulate im Wirbelbett kann der Wachstumsrate der verwendeten Mikroorganismen angepaßt werden.

Beispiel

Zur Realisierung der Verfahrensbedingungen für die »solid state fermentation« im Wirbelbett können, wie oben gezeigt wurde, bekannte Bauelemente eingesetzt werden, wie sie für das Trocknen, Agglomerieren, Mischen und Coating (Einkapseln) von Produkten im Wirbelbett schon in Gebrauch sind. Gegenüber der Züchtung im Festbett oder »Schüttgut« wird bei der Wirbelbett-Technik zusätzlich verlangt, daß das Gut, im vorliegenden Falle die Mikroorganismen mit der aufgesprühten Nährlösung, wirbelfähig gemacht werden können. Eigene Versuche mit einem Wirbelschicht-Laborgerät zeigen, daß das Wirbelschichtsprühverfahren grundsätzlich zum Aufsprühen von Nährlösungen auf feuchte Hefegranulate geeignet ist. Preßhefe des Handels mit 70% Wasser wurden dadurch wirbelfähig gemacht, daß wir sie durch ein feines Drahtsieb gedruckt haben. Folgende Nährlösungen wurden aufgesprüht.

1. Eine Nährlösung mit 5% Milchsäure, 8% Glucose und 0,3% Ammonium in Form von Ammoniumlactat.

2. Eine Nährlösung mit 0,5% Hefeextrakt, 0,5% Malzextrakt und 10% Glucose.

3. Eine Nährlösung mit 1% Hefeextrakt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Fig. 3 zeigt schematisch eine Wirbelschichtsprühanlage, vorgesehen für die Züchtung von Mikroorganismen, mit der Luftzuführung (1) durch eine Siebplatte, dem Zyklon (2) zum Abscheiden des Feststoffaustrags. Dem Zyklon ist ein Filter (3) zum Filtrieren restlicher feiner Partikel und ein Ventilator (4) aufgesetzt. Noch feuchtes Granulat wird über das Ventil (5) geerntet und gelangt über eine pneumatische Förderung in die zweite Trocknungsstufe (nicht gezeichnet). Ein Teil des Granulates wird hinter dem Ventil (5) entnommen und zusammen mit dem Feststoffaustrag und dem abgerüttelten Filterstaub aus dem Zyklon (2) im Gefäß (7) in der Nährlösung aufgelöst, die aus Tank (8) zufließt. Die erhaltene Suspension wird mit der Pumpe (9) über die Zerstäuberdüse (10) auf das Wirbelbett gesprüht. Die bei (1) zugeführte Luft ist ein einstellbares Gemisch von Außenluft und Abluft aus dem Ventilator. Lufterhitzer und -kühler sind nicht gezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Produktion von Einzellerprotein in einem Wirbelbett, bei dem zur Einzellerproduktion geeignete Mikroorganismen in wirbelfähiger Form in ein Wirbelbett gegeben werden und eine Nährlösung über eine Zerstäuberdüse auf das Wirbelbett gesprüht wird, die Temperatur, die Feuchtigkeit, die mittlere Partikelgröße und die Gasgeschwindigkeit im Wirbelbett zur Einstellung geeigneter Wachstumsbedingungen für die Mikroorganismen über bekannte Bausteine der Wirbelschichttechnik reguliert werden und die aus dem Wirbelschichtreaktor in Form von noch feuchtem Granulat geerntete Biomasse in einem Trocknungsgang bis zur gewünschten Restfeuchte getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Mikroorganismen abgegebene Wärme direkt zum Verdampfen von Wasser aus der Nährlösung im Wirbelschichtreaktor ausgenützt und dieses in dampfförmigem Zustand mit der Luft abgeführt wird, und zum Beimpfen der zugeführten Nährlösung ein Teil des geernteten feuchten Granulats kurz vor dem Einsprühen der Nährlösung in dieser aufgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Nährlösung milchsäure- und ammoniumlactathaltige Nährlösungen eingesetzt werden.