DE2938339A1 - Verfahren zur kontinuierlichen vergaerung von waessrigen maischen fuer die gewinnung von alkohol und hefe-biomasse - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen vergaerung von waessrigen maischen fuer die gewinnung von alkohol und hefe-biomasse

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DE2938339A1 DE19792938339 DE2938339A DE2938339A1 DE 2938339 A1 DE2938339 A1 DE 2938339A1 DE 19792938339 DE19792938339 DE 19792938339 DE 2938339 A DE2938339 A DE 2938339A DE 2938339 A1 DE2938339 A1 DE 2938339A1
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Description

UI-ICJE
t-t
ψ*
Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von wässrigen Maischen für die Gewinnung von Alkohol und Hefe-Biomasse.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von wässriger Maische für die Gewinnung von Alkohol und Hefe-Biomasse in einem Fermenter und in einer Trenn- und Rückführstufe, wobei in den Fermenter frische, wässrige Maische, Gärhefe, ein Nährmedium-Gemisch und Sauerstoff-enthaltenes Gas kontinuierlich eingeführt werden. Als Produkt wird Alkoholenthaltende, enthefte vergorene Maische ausgeschleust.
Die kontinuierliche Herstellung von Äthylalkohol wird in letzter Zeit interessant, da sie eine weitere Energiequelle erschließt und für größere Industrieeinheiten die Vorteile einer gleichmäßigen Produktion, einer einfacheren Steuerung und eine mögliche Produktivitätssteigerung durch Vermeiden von Reinigungsund Anstellzeiten erbringt. Für die kontinuierliche Gewinnung von Alkohol ist es erforderlich, daß den Hefemikroorganismen ausreichend zuckerhaltiges Substrat, sogenannte Maische, zur Verfügung steht und die günstigsten Gärbedingungen eingehalten werden.
Konventionell wurde bei der technischen Herstellung von Äthylalkohol mit Hilfe von Fermentation durch Hefen im Chargenbetrieb gearbeitet, d.h. die umzusetzenden zuckerhaltigen Substrate wurden in wässriger Lösung in einem Gärbehälter eingesetzt, mit Gärhefe versetzt und sich selbst überlassen. Hierbei setzten die Hefemikroorganismen den im Substrat enthaltenen Zucker gemäß der Gleichung
C6H2O6 = 2C2H5OH + 2 CO3 + 22 Kcal
= 100 kg Hexose = 51.15kg Äthanol + 48,86kg CO
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1300U/0646
zu Ähthyalkohol und Kohlendioxyd um. Da dieser Prozeß anaerob abläuft, ist keine Belüftung des Systems erforderlich. Nach vollständiger Umsetzung des Zuckers wird der Gärbehälter abgeerntet und der Inhalt einer Destillation unterworfen, wobei das gewünschte Äthanol anfällt. Technische Verbesserungen, wie die gezielte Einbringung der Gärhefe, eine konstante Temperaturhaltung mittels Kühlung, eine pH-Wertregelung, die Zugabe von mikrobiologischen Nährstoffen sowie eine mechanische Durchmischung des Gärsystems erbrachten Ausbeutesteigerungen und eine Beschleunigung der Umsetzung.
Da man im Chargenbetrieb nur mit geringen Industrieeinheiten arbeiten kann und keine gleichmäßige Produktion erzielt, ging man mehr und mehr zur kontinuierlichen Vergärung von wässrigen Maischen über und kam dabei zu verschiedenen Verfahren. So ging man mehr und mehr dazu über, daß Verfahren angewendet wurden, die eine räumliche und zeitliche Trennung von Gärprozessen, also Katalysatorwirkung der Hefe auf der einen Seite und Aufrechterhaltung des aeroben Hefemetabolismus, also Hefewachstum und Regeneration auf der anderen Seite anwendeten. Dies führte zwangsläufig zu mehrstufigen Verfahren. In den ersten Stufen wird, bei Sauerstoffüberschuß die ZeilVermehrung der Hefen betrieben. In den nachfolgenden Stufen steht die anaerobe Umsetzung von Zucker zu Alkohol im Vordergrund; in einer letzten Stufe wird angestrebt alles noch erhaltene Restsubstrat quantitativ umzusetzen und eine maximale Alkoholkonzentration zu erreichen. Notgedrungen führt ein derartiges Vorgehen dazu, daß in den einzelnen Stufen jeweils die eine oder die andere zulässige Randbedingung über oder unterschritten wird, was zur Schädigung des Biokatalysators und/oder zu einer Verschlechterung der Reaktion führt.
In der DE-AS 23 54 556 wird ein kontinuierliches Verfahren vorgeschlagen, bei dem in wechselnder Folge Alkohol und Hefe-
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Biomasse erzeugt werden. Dabei ist die in den Fermenter eingeleitete Maische so zu dosieren, daß 'dabei eine Konzentration an vergärbarem Substrat, gerechnet als Glukose, von höchstens 5 g/l resultiert'. 'Bei vorwiegender Alkoholerzeugung wird die Zufuhr von Sauerstoff so dosiert, daß 1 g im Fermenter befindliche Hefe 0,2 - 5 mg Sauerstoff/h verbrauchen kann und bei der Herstellung von Hefebiomasse wird die Zufuhr von Sauerstoff auf höchstens 400 mg/g produzierte Hefetrockensubstanz' dosiert. Dieses Verfahren weist eine große Bandbreite der Sauerstoffzufuhr, das bis zu 25-fache, bei der Gärung und eine hohe Sauerstoffzugabe bei der Hefeerzeugung auf. Es wird nicht gewährleistet, daß für die Vergärung die optimale Sauerstoffkonzentration an allen Stellen vorhanden ist.
Die bisherigen bekannten Verfahren basierten auf der Vorstellung, daß Hefebiomasse-Erzeugung und Vergärung zu Alkohol als zwei unterschiedliche Reaktionsabläufe in zeitlicher Folge ablaufen müssen.
Überraschenderweise wurden gefunden, daß gemäß der Erfindung das Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von wässriger Maische für die Gewinnung von Alkohol und Hefe-Biomasse in einem Fermenter und einer damit zusammenhängenden Trennstufe, wobei in den Fermenter wässrige Maische, Gährhefe, Nährmediumgemisch und Sauerstoff-enthaltendes Gas eingeführt werden derart durchgeführt werden kann, daß die Konzentration der zugeführten Maische in Bezug auf den Zuckergehalt dem erreichbaren Umsetzungsgrad zu Hefe und Alkohol entspricht, so daß die im Fermenter meßbare, freie Zuckerkonzentration den Wert 0,1 Gew.% nicht übersteigt,
im Fermenter durch bekannte Mittel eine homogene, definierte Mischung eingestellt wird,
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die aktive Hefekonzentration innerhalb des Reaktionsraumes durch Rückführung von alkohol- und hefehaltigem Medium aus der Trennstufe zwischen 100 und 110 % des spezifischen Vergärungsgrades gehalten wird,
Sauerstoff-enthaltendes Gas homogen verteilt und reguliert eingeführt wird, und eine mittlere freie Sauerstoffkonzentration von 1 ppm in der Flüssigkeitsphase nicht überschritten wird,
eine f!okulierende untergärige Gärhefe eingesetzt wird,
und daß aus der Trennstufe entheftes, alkoholhaltiges Medium aus dem in Kreislauf befindlichen Hefe- und Alkohol-enthaltenden Medium abgezogen wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Sauerstoff-enthaltene Gas Luft sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich, wenn die Verweilzeit des Hefe- und Alkohol-enthaltenden Mediumanteils in der Trennstufe nicht mehr als 30 Minuten, vorzugsweise 5-15 Minuten beträgt.
Erfindungswesentlich ist, daß nach der neuen Lehre der Prozeß der kontinuierlichen Vergärung von Maische so gefahren wird, daß gleichzeitig bewußt und gesteuert Hefe-Biomasse regeneriert wird. Es wurde gefunden, daß bei richtiger Einstellung der Randbedingungen im Fermenter die Neubildung von voll aktiver und sich teilender Hefezellen und die Gärung quasi gleichzeitig ablaufen. Entgegen der Meinung der Fachwelt hat der minimale SauerstoffÜberschuß von maximal 1 ppm keinerlei negative N Auswirkung auf den Gärprozeß. Die Hefezellen verbrauchen den
ν vorhandenen Sauerstoff derart bevorzugt zu ihrem Aufbau und ihrer Teilung, daß er der gleichzeitigen Vergärung nicht schadet. Da
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UHDE
intrazellulär wegen der limitierten Sauerstoffzufuhr auch anaerobe Bedingungen herrschen, aber gleichzeitig ausreichend Maische vorliegt, findet gleichzeitig Vergärung der Maische statt.
Durch die Dosierung der Zugabe von zuckerhaltigen Rohstoffen, Sauerstoff und Frischhefe und exakter Einhaltung der Randbedingungen wird bei gleichzeitigem Ablauf der Reaktionen eine optimale Produktion erzielt. Mittels der gesteuerten Hefeproduktion wird eine bewußte Limitierung des Sauerstoffes erreicht und damit auch eine gezielte Alkoholerzeugung der Hefezellen. Der im Vergleich mit bekannten Verfahren niedrige Alkoholgehalt in dem Umlauf schädigt in keiner Weise die Hefezellen. Aus dem Fermenter wird die an Zucker verarmte alkoholreiche und mit Hefe vermischte Maische abgeleitet in die Trennstufe.
Das Verfahren wird durch die folgenden Beipiele in Verbindung mit der Abbildung beschrieben, die ein Fließschema einer bevorzugten Ausfuhrungsform darstellt.
Beispiel 1
In der Nährlösungsvorlage 1 von ca. 300 1 wird eine Rübenmelasse-Nährlösungs-Maische folgender Zusammensetzung zubereitet:
Anteile pro 1: 250 g Rübenmelasse
2 g (NH4 )2 SO1+
0,32 g KH2, PO^
0,5 g CaCl2
0,12 g Mg SO14
800 ml Leitungswasser
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LJIHI=IE
Der pH-Wert wird mittels Zugabe von H SO auf 4 eingestellt. Als Mikroorganismen wird Sacharomyces uvarum eingesetzt. Nach einer Anwachsphase von Hefe im Fermenter 2 von ca. 1 1 Inhalt wird dieser Fermenter kontinuierlich über Leitung 3 mit Maische aus der Nährlösungsvorlage 1 beschickt. Die Nährlösungszugabe erfolgt am Fermenterkopf. Gleichzeitig wird der Fermenter mit 0,05 wm (= 3 l/h) Luft über Leitung 4 begast. Der Fermenter 1 weist einen dreistufigen Blattrührer 5 mit Kopfantrieb, eine nicht eingezeichnete pH-Wert-Messung und eine Temperaturregeleinrichtung 6 auf. Es wird eine Fermentationstemperatur von 35 oC eingestellt und eingehalten.
Nach einer Anlaufphase der Gärung wird mit einer Rate von 4 l/h die vergorene Hefe- und alkoholhaltige Würze kontinuierlich über das interne Überlaufrohr 7 und Leitung 8 in den Trennbehälter 9 mit einem Volumen von 300 ml abgezogen. Der Trennbehälter weist ein langsam drehendes Rührwerk auf. Die sich an der Oberfläche der Füllung bildende Klarphase mit geringem Hefeanteil wird über einen seitlich angebrachten und vertikal verschiebbaren Stutzen der gleichzeitg Standkontrolle ist, mit einer Rate von 1 l/h über Leitung 10 in ein 15 1 großes Auffanggefäß 11 geleitet. Der Alkoholgehalt der Klarphase beträgt 6,5 Vol.%, was einer theoretischen Ausbeute von über 95 % des in der Nährlösung eingesetzten Zuckers entspricht.
Die im Trennbehälter 9 vorliegende Trübphase mit einem praktisch gleich hohen Alkoholgehalt wird mittels einer Membranpumpe in einer Rate von 3 l/h in den Fermenter 2 zurückgeführt.
Die in der Klarphase noch enthaltende Hefe setzt sich im Auffanggefäß 11, das reichlich bemessen ist, ab und wird von Zeit zu Zeit entfernt. Diese Hefe ist die Überschußhefe, die durch Hefewachstum entstanden ist. Aus dem Auffanggefäß 11 wird nur hefefreie Würze zur Alkoholaufbereitung abgezogen.
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13ÜQU/064G
It-JI-IOE
Die Hefekonzentration im Kreislaufsystem, d.h., im Fermenter 2 und im Trennbehälter 9 liegt bei 70 g/l Trockensubstanz.
Die Nährlösungsvorlage von 300 1 wurde in 12 Tagen leergefahren mit gleichmäßiger Alkoholausbeute in diesem Zeitraum.
Beispiel 2
Die Apparatur von Beispiel 1 wird mit der gleichen Rübenmelasse-Nährlösungs-Maische beschickt, jedoch wird diesmal ein Hefestamm vom Typ Sacharomyces cerecisiae eingesetzt. Dieser Stamm ist eine untergärige flockulierende Hefe, wie sie in dem Buch ''Die Hefen11, Band 1, Verlag Hans Carl, Nürnberg 1960, Seite 187 beschrieben ist.
Auch mit diesem Hefestamm konnte die Nährlösungsvorlage von 300 in 12 Tagen leergefahren werden. Bei einer gleichmäßig guten Prozeßführung wurde wiederum eine theoretische Ausbeute von über 95 % des in der Nährlösung eingesetzten Zuckers erreicht.
Beispiel 3
Eine technische Apparatur gemäß der Abbildung wird mit einer Rübenmelasse-Nährlösungs-Maische wie in Beispiel 1 beschrieben, beschickt. Der Hefestamm ist ebenfalls der gleiche.
Aus der Nährlösungsvorlage 1, diesmal einem 6 m3-Rührbehälter, wird die Lösung unsteril mittels einer Kolbendosierpumpe dem Fermenter 2 am Fermenterkopf zugeführt. Der Fermenter 2 ist ein 1000 1 Schiaufenfermenter bekannter Bauart mit Düsenbegasung, Überlaufstandhaltung und einer Temperaturregeleinrichtung 6 in Form einer Mantelkühlung.
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130014/064$
UII-IIDE
3838339
Die Begasung erfolgt mit 0,05 wm (= 3 Nm3/h) Luft und zusätzlich mit 1 wm (s 60 Nm3/h) Stickstoff. Die Stickstoffbegasung bewirkt eine homogene Durchmischung und Umwälzung im Schlaufenreaktor.
Nach einer Anlaufphase der Gärung wie in Beispiel 1 wird mit einer Rate von 4 m3/h die vergorene Hefe- und alkoholhaltige Würze kontinuierlich über das interne Überlaufrohr 7 und Leitung 8 in den Trennbehälter 9 mit einem Volumen von 300 1 ohne Rührwerk abgezogen. Die sich bildende Klarphase läuft frei in das 150 1 große Auffanggefäß 11. Auch hier liegt der Alkoholgehalt der Klarphase bei 6,5 Vol.%, was einer theoretischen Ausbeute von über 95 % des in der Nähzlösung eingesetzten Zuckers entspricht.
Die im Trennbehälter 9 vorliegende Trübphase mit einem praktisch gleich hohen Alkoholgehalt wird mittels einer dosierbaren Nonopumpe in einer Rate von 3 m3/h in den Fermenter zurückgeführt. Die Trennung der Klarphase von der noch in ihr enthaltenen Hefe findet wie in Beispiel 1 im Auffanggefäß 11 statt.
Die Hefekonzentration im Kreislaufsystem wird wie in Beispiel 1 eingehalten. Bei Einhaltung der übrigen Randbedingungen wie:
pH-Wert 3,5-6
Temperatur
(abhängig von den verwendeten Hefestämmen; 28-36 oC innerhalb eines
Temperaturbereiches eine Toleranz von + 2 %) Freie Sauerstoffkonzentration im Kulturmedium 0 ppm - 1 ppm Freie, vergärbare Zuckerkonzentration 0 % - 0,1 % Freie Produktkonzentration
(je nach Hefestamm) nicht größer als 8,5 Vol.%
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13001W0646
LJI-ICDE
läßt sich das beschriebene Verfahren einwandfrei über einen längeren Zeitraum durchführen. So wurde in einer mehrtägigen Produktionszeit kontinuierlich eine gleichmäßige Produktionsrate an Alkohol erzielt, ohne daß es zu Verschiebungen in den Randbedingungen und der Produktqualität kam.
Da im Fermenter die Hefevermehrung bei Anwesenheit von Luft und zuckerhaltiger Maische stattfindet und die Vergärung des Zuckers bei Anwesenheit von Zucker und Hefe und der Sauerstoffüberschuß minimal ist, wird die Zugabe der Reaktionspartner in die Maische so geregelt, daß am Austritt Fermenter die freie vergärbare Zuckerkonzentration < 0,1 %, die Hefeüberkonzentration an aktiver Hefe < 10 % ist und die Sauerstoffkonzentration im Medium 0,05 ppm beträgt. Das Maß der Mischgüte ist einmal verantwortlich für einen gleichmäßigen Stoff- und Wärmetransfer und damit für die Einhaltung enger Konzentrations- und Temperaturbandbreiten und zum anderen verantwortlich für den Vergärungsgrad, d.h. für die schnelle Vergärung unter minimalstem Sauerstoffüberschuß.
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13Q0.14/Q646
L e e r s e 11 e

Claims (4)

  1. LJI-ICIEi
    Uhde GmbH, Dortmund 9 Q Q Q Q *3 α
    allgem. Zeichen: 10 070
    Patentansprüche
    Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von wässriger Maische für die Gewinnung von Alkohol und Hefe-Biomasse in einem Fermenter und in einer Trenn- und Rückführstufe, wobei in den Fermenter frische, wässrige Maische, Gärhefe, ein Nähr-Mediumgemisch und Sauerstoff-enthaltendes Gas kontinuierlich eingeführt werden, und Alkohol-enthaltende, enthefte, vergorene Maische ausgeschleust wird, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) die Konzentration der zugeführten Maische in Bezug auf den Zuckergehalt dem erreichbaren Umsetzungsgrad zu Alkohol entspricht, sodaß die im Fermenter meßbare, freie Zuckerkonzentration den Wert 0,1 Gew. % nicht übersteigt,
    b) im Fermenter durch bekannte Mittel eine homogene, definierte Mischung eingestellt wird,
    c) die aktive Hefekonzentration innerhalb des Reaktionsraumes durch Rückführung von alkohol- und hefehaltigem Medium aus der Trennstufe zwischen und 110 % des spezifischen Vergärungsgrades gehalten wird,
    d) Sauerstoff-enthaltendes Gas homogen verteilt und reguliert eingeführt wird, und eine mittlere freie Sauerstoffkonzentration von 1 ppm in der Flüssigkeitsphase nicht überschritten wird,
    e) eine f!okulierende untergärige Gärhefe eingesetzt wird,
    LPXP01001100779
    130014/06*6
    UHDE
    f) aus der Trennstufe entheftes, alkoholhaltiges Medium aus dem in Kreislauf befindlichen Hefe- und Alkoholenthaltenden Medium abgezogen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff-enthaltende Gas Luft ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Hefe- und Alkohol-enthaltenden Mediumanteils in der Trennstufe nicht mehr als 30 Minuten, vorzugsweise 5-15 Minuten beträgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Trennstufe separat abgezogene alkoholhaltige Medium zu Alkohol aufgearbeitet wird.
    LPXP01001100779
    1300U/0646
    OBlGlNAL INSPECTED
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