DE4036067A1 - Verfahren zur gewinnung eines polyhydroxyalkanoates aus dem zellmaterial eines mikroorganismus und polyhydroxyalkanoatflocken - Google Patents
Verfahren zur gewinnung eines polyhydroxyalkanoates aus dem zellmaterial eines mikroorganismus und polyhydroxyalkanoatflockenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines durch
einen Mikroorganismus intrazellulär aufgebauten Polyhydroxyal
kanoates aus dem Zellmaterial und Polyhydroxyalkanoatflocken.
Polyhydroxyalkanoate, insbesondere Homo- und Copolymere der
D-(-)3-Hydroxybuttersäure (Poly-HB) werden als Speicherstoff für
Energie und Kohlenstoff von vielen Mikroorganismen intrazellu
lär aufgebaut und angereichert und stellen Polyester mit
thermoplastischen Eigenschaften dar, die biologisch abbaubar
sind. Poly-HB kann mit Hilfe von Mikroorganismen beispielsweise
nach der in EP-A-01 44 017 oder EP-A-01 49 744 beschriebenen
Verfahrensweise in guten Ausbeuten hergestellt werden. Copoly
ester von Poly-HB, wie z. B. Copolyester, die aus
3-Hydroxybuttersäure- und 3-Hydroxyvaleriansäureeinheiten oder
auch anderen Säureeinheiten bestehen, können beispielsweise
nach einer der in EP-A-00 52 459, EP-A-02 04 442, EP-A-02 88 908,
EP-A-03 04 293 oder EP-A-02 74 151 beschriebenen Vor
gangsweise auf fermentativem Weg hergestellt werden. Die gebil
deten Polyhydroxyalkanoate sind im Zellmaterial des Mikroorga
nismus eingeschlossen und müssen vom Zellmaterial getrennt wer
den, was erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Eine der Möglich
keiten zur Abtrennung ist die Extraktion mit Hilfe eines Lö
sungsmittels, wobei die Durchführung der bisher beschriebenen
Verfahren ebenfalls mit Schwierigkeiten verbunden ist.
Um nämlich das Polyhydroxyalkanoat, das im Zellmaterial des Mi
kroorganismus eingeschlossen ist, dem Angriff des Lösungsmit
tels besser zugänglich zu machen, mußte dem eigentlichen Ex
traktionsschritt ein gesonderter Schritt zum Aufbrechen oder
Löslichmachen des Zellmaterials vorgeschaltet werden. So ist
beispielsweise in US-A-30 44 942 eine Vorbehandlung der Zellen
mit Aceton, in US-A-32 75 610 eine mechanische Vorbehandlung
der Zellen durch Zerstampfen der Zellen oder Schütteln mit har
ten Gegenständen, in EP-A-00 15 123, EP-A-01 24 309 oder EP-A
01 68 095 eine Sprühtrocknung oder andere Vortrocknung der
Mikroorganismenzellen, beispielsweise durch azeotropes Abde
stillieren des Wassers und in EP-A-00 15 669 eine Vorbehandlung
der Zellen durch osmotischen Schock, Ultraschall oder Zellwand
lyse beschrieben. Weiters bereitet die Abtrennung des so vorbe
handelten ungelösten Zellmaterials von dem gelösten Polyhydro
xyalkanoat große Schwierigkeiten, da das ungelöste Zellmaterial
als gallertartige Masse die Filter verstopft und die Abtrennung
der organischen Phase vom Zellmaterial kaum vollständig durch
führbar ist. Aus diesem Grund wird in EP-A-00 46 017 beschrie
ben, das Zellmaterial vor der Extraktion mit Hilfe einer kombi
nierten Alkali-, Säure- und Hitzebehandlung zwecks besserer
Abtrennbarkeit auszuflocken, während in CA Vol. 108, 1988,
Ref. 73835j (JA 62/2 05 787) der Einsatz einer Filterhilfe wie
Perlit oder Diatomeenerde zur Abtrennung des Zellmaterials vom
Lösungsmittel vorgeschlagen wird.
Es wurde nun unerwarteterweise ein einfaches Verfahren gefun
den, bei dem die Zellen nicht aufgebrochen werden müssen und
bei dem die Zellrückstände ohne jeglichen Aufwand und ohne
Schwierigkeiten entfernt werden, wobei gleichzeitig das Polyhy
droxyalkanoat in Form gut handzuhabender Flocken isoliert wird,
die überraschend gut zu Gegenständen weiterverarbeitbar sind.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Gewin
nung eines durch einen Mikroorganismus intrazellulär aufge
bauten Polyhydroxyalkanoates aus dem Zellmaterial einer fermen
tierten, wäßrigen Zellsuspension, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß zumindest ein Teil der Fermentierlösung oder des in
der Fermentierlösung enthaltenen Wassers aus der Zellsuspension
entfernt wird, worauf das Zellmaterial mit einem organischen
Lösungsmittel für das Polyhydroxyalkanoat, das mit Wasser nicht
mischbar ist und das einen Siedepunkt von weniger als 100°C
aufweist mit oder ohne Zusatz von Wasser, versetzt wird, worauf
die entstandene Extraktionsmischung bei Temperaturen von Raum
temperatur bis zum Siedepunkt des organischen Lösungsmittels
gerührt, mit oder ohne Zentrifugieren unter Ausbildung einer
wäßrigen und einer organischen Phase absetzen gelassen und die
organische Phase, die das Polyhydroxyalkanoat gelöst enthält
von der wäßrigen Phase, die die Zellrückstände ungelöst ent
hält, abgetrennt wird, worauf die organische Phase in heißes
Wasser einer Temperatur, die höher ist als der Siedepunkt des
organischen Lösungsmittels, eingedüst wird, wodurch das organi
sche Lösungsmittel verdampft, das Polyhydroxyalkanoat im Wasser
ausfällt und auf übliche Art und Weise gewonnen wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst
aus der fermentierten, wäßrigen Zellsuspension zumindestens ein
Teil der Fermentierlösung oder des Wassers entfernt. Dazu kon
nen Trennverfahren wie z. B. Abdekantieren, Abzentrifugieren,
Abfilterien des Zellmaterials von der Fermentierlösung einge
setzt werden, oder es wird zumindestens ein Teil des in der
Fermentierlösung enthaltenen Wassers durch Abdestillieren ent
fernt. Bevorzugt wird ein Teil der Fermentierlösung durch
Abzentrifugieren vom Zellmaterial, bevorzugt mit Hilfe eines
Separators entfernt. Dadurch wird die Konzentration der Suspen
sion an Zellen erhöht, was für das weitere Verfahren von Bedeu
tung ist.
Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, daß das Zellmaterial nicht durch Aufbrechen oder Trock
nen vorbehandelt werden muß. Es ist aber auch möglich, vorbe
handeltes Zellmaterial im erfindungsgemäßen Verfahren ein
zusetzen.
Das vorzugsweise Wasser enthaltende Zellmaterial oder die kon
zentrierte Zellsuspension wird mit einem organischen Lösungs
mittel für das Polyhydroxyalkanoat, das mit Wasser nicht misch
bar ist und das einen Siedepunkt aufweist, der unter dem des
Wassers liegt, versetzt. Geeignete Lösungsmittel sind etwa
halogenierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid, Chlo
roform, Trichlorethylen. Bevorzugt wird Methylenchlorid einge
setzt.
Gegebenenfalls wird der Mischung aus Zellmaterial und organi
schem Lösungsmittel auch noch Wasser zugesetzt, da es wesent
lich ist, daß ein optimales Verhältnis von Zellmaterial, orga
nischem Lösungsmittel und Wasser entsteht, damit später eine
optimale Phasentrennung erfolgt.
Bevorzugt wird soviel organisches Lösungsmittel und soviel Was
ser zugegeben, daß nach der Zugabe das Gewichtsverhältnis Zell
material bezogen auf das Zelltrockengewicht : Wasser : Lösungs
mittel etwa 2 : 1 : 10 bis 1 : 10 : 100, besonders bevorzugt
etwa 2 : 3 : 20 bis 1 : 5 : 50, ganz besonders bevorzugt etwa
1 : 3 : 20, beträgt.
Die Mischung aus Zellmaterial, organischem Lösungsmittel für
das Polyhydroxyalkanoat und Wasser wird bei Temperaturen von
Raumtemperatur bis zum Siedepunkt des verwendeten Lösungsmit
tel, bevorzugt unter Rückfluß des verwendeten Lösungsmittels,
gut gerührt. Nach dem Abkühlen wird das Gemisch absitzen gelas
sen oder es wird zentrifugiert, wobei sich eine wäßrige und
eine organische Phase ausbilden. Bevorzugt wird das Gemisch
zentrifugiert, da die Phasentrennung auf diese Weise erleich
tert wird. Die wäßrige Phase enthält danach den unlöslichen
Zellrückstand, die organische Phase das gelöste Polyhydro
xyalkanoat. Zur Entfernung des Zellmaterials ist keine Filtra
tion nötig, da die organische Phase durch einfache Phasentren
nung von der wäßrigen Phase abgetrennt wird, wobei die Zell
rückstände in der wäßrigen Phase verbleiben.
Es kann vorkommen, daß die organische Lösung trüb anfällt. Zur
Entfernung der Trübung kann die organische Lösung durch ein
Tiefenfilter, z. B. durch ein Sandbett durchgeleitet werden.
Die abgetrennte, organische Phase, welche das Polyhydroxyalka
noat gelöst enthält, wird anschließend in heißes Wasser einge
düst, das in einem Behälter vorgelegt wird.
Die Temperatur des vorgelegten Wassers muß über dem Siedepunkt
des organischen Lösungsmittels und unter dem Siedepunkt des
Wassers, das auch unter Druck vorgelegt werden kann, liegen.
Zum Eindüsen der organischen Phase können alle geeigneten Dü
sen, wie Einstoff- oder Zweistoffdüsen geeigneter Bauart ver
wendet werden. Vorteilhafterweise wird die organische Phase mit
Hilfe von Wasserdampf als Treibmittel mittels einer Zweistoff
düse in das heiße Wasser eingedüst. Sobald das organische Lö
sungsmittel mit dem vorgelegten, heißen Wasser in Berührung
kommt, verdampft das organische Lösungsmittel und das
Polyhydroxyalkanoat fällt im vorgelegten Wasser in Form von
Flocken aus.
Da sich das vorgelegte heiße Wasser durch das Verdampfen des
organischen Lösungsmittels abkühlt, wird der Wasserbehälter
vorteilhafterweise etwa mit Hilfe einer Mantelheizung beheizt
und auf annähernd konstanter Temperatur gehalten, wobei bei der
Verwendung von Wasserdampf als Treibmittel zumindest ein Teil
der Verdampfungswärme des Lösungsmittels durch die Kondensa
tionswärme des Treibdampfes aufgebracht wird.
Die Menge des vorgelegten, heißen Wassers ist für den Erfolg
der Verfahrensdurchführung nicht ausschlaggebend. Vorteilhaf
terweise wird aber soviel Wasser vorgelegt, daß durch einfaches
Rühren des Vorlageninhaltes ein Absetzen des abgeschiedenen Po
lyhydroxyalkanoates vermieden wird. Dies ist bei einer
Polyhydroxyalkanoatkonzentration von etwa 3% im allgemeinen
noch der Fall.
Das verdampfte organische Lösungsmittel und der entsprechend
den Dampfdruckverhältnissen mitgeführte Wasserdampf werden au
ßerhalb des Wasserbehälters auf übliche Weise kondensiert. Das
kondensierte Wasser kann unmittelbar in den Wasserbehälter zu
rückgeführt und das organische Lösungsmittel erneut in ein Ver
fahren nach Anspruch 1 eingesetzt werden.
Die ausgefallenen Polyhydroxyalkanoatflocken werden anschlie
ßend im heißen Wasser 15 bis 60, bevorzugt 20 bis 40 Minuten
gerührt, um das organische Lösungsmittel möglichst vollständig
auszutreiben und anschließend durch geeignete Methoden, wie
Filtrieren, Absaugen, Abzentrifugieren, bevorzugt durch Abzen
trifugieren vom Wasser abgetrennt und auf geeignete Weise, bei
spielsweise durch Trocknung im Vakuum, Trocknung in Hordenöfen,
bei Temperaturen von 60 bis 110°C getrocknet.
Die dabei entstandenen Flocken aus Polyhydroxyalkanoat sind
hervorragend handzuhaben, da diese Flocken praktisch keinen
Staubanteil enthalten und als Haufwerk sehr gut durchströmbar
sind. Polyhydroxyalkanoate in Form von Flocken sind neu und
ebenfalls Gegenstand vorliegender Erfindung.
Das Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durch
geführt werden, wird aber bevorzugt kontinuierlich durchge
führt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Poly-HB enthal
tende Zellmaterial von der Fermentierlösung abzentrifugiert,
worauf dem Zellmaterial soviel Methylenchlorid und gegen
benenfalls soviel Wasser zugesetzt wird, daß das Gewichtsver
hältnis von Zellmaterial bezogen auf das Zelltrockengewicht :
Wasser : Methylenchlorid etwa 1 : 3 : 10 bis 1 : 5 : 30 be
trägt. Die entstandene Mischung wird anschließend unter Rühren
10 bis 60 Minuten auf Rückfluß erhitzt, abgekühlt und zentrifu
giert, wobei sich eine wäßrige Phase, die die Zellrückstände
ungelöst und eine organische Phase, die die Poly-HB gelöst ent
hält, ausbildet.
Die Methylenchloridphase wird von der wäßrigen Phase abgelassen
und mit Hilfe von Wasserdampf in einen geheizten Behälter, in
dem Wasser einer Temperatur von 70 bis 90°C gerührt vorgelegt
wurde, eingedüst. Die dadurch im Wasser in Flocken ausgefällte
Poly-HB wird 20 bis 40 Minuten im heißen Wasser gerührt, mit
Hilfe einer Zentrifuge abgetrennt und in einem Hordenofen bei
80 bis 100°C getrocknet.
Die Polyhydroxyalkanoate, die nach dem erfindungsgemäßen Ver
fahren erhalten werden, lassen sich unerwartet gut zu Ge
genständen weiterverarbeiten. So werden beispielsweise beim
Spritzgußverfahren annähernd gleiche Zykluszeiten, wie bei Po
lypropylen erreicht. Dies ist für den Fachmann völlig überra
schend, da bekannt ist, daß Polyhydroxyalkanoate langsamer kri
stallisieren als Polypropylen.
Auf die beschriebene Art und Weise wird das Polyhydroxyalkanoat
in guten Ausbeuten auf einfache Weise vom Zellmaterial des Mi
kroorganismus abgetrennt, wobei das Polyhydroxyalkanoat in Form
von Flocken anfällt, die gut handzuhaben und gut
weiterzuverarbeiten sind. Das Verfahren stellt somit eine Be
reicherung der Technik dar.
60 l einer wäßrigen Fermentierlösung, die 26 Gew.% eines Zell
materials von Alcaligenes latus mit einem Poly-HB Gehalt von 72
Gew.% enthielt, erhalten nach der in EP-A-01 44 017 beschrie
benen Vorgangsweise und Abzentrifugieren eines Teils der Fer
mentierlösung mittels eines Tellerseparators mit Feststoffaus
trag, wurde mit 30 l Wasser und 400 l Methylenchlorid versetzt
und unter Rühren 30 Minuten auf Rückfluß erhitzt. Das entstan
dene Gemisch wurde in einer Siphonzentrifuge mit einem Trommel
durchmesser von 630 mm bei 2200 U/min zentrifugiert, wobei sich
eine wäßrige Phase, die das Mikroorganismenzellmaterial unge
löst und eine organische Phase, die Poly-HB gelöst enthielt,
bildete. Die organische Unterphase wurde von der wäßrigen Ober
phase abgelassen und mittels einer Zweistoffdüse mit einer Boh
rung von 4 mm Durchmesser für die PHB-Lösung und ca. 2 mm
Ringspaltweite für das Treibmittel, nämlich Wasserdampf, mit
einem Treibmittelvordruck von 3 bar in 800 l Wasser einer
Temperatur von 80°C, das in einem gerührten, Behälter
vorgelegt worden war, mit einem Volumenstrom von 300 l/h einge
düst. Die Temperatur des Wassers wurde dabei mit Hilfe einer
Mantelheizung, die den Behälter umgab, annähernd konstant
gehalten.
Dabei fiel Poly-HB in Form von Flocken aus, während das
Methylenchlorid und ein kleiner Teil des Wassers verdampfte und
außerhalb des Behälters kondensiert und aufgefangen wurde. Nach
Beendigung des Eindüsens wurde die Suspension 30 Minuten bei 80°C
gerührt. Anschließend wurde der Behälterinhalt in eine
Schälzentrifuge mit einem Trommeldurchmesser von 630 mm ge
pumpt und bei einer Schleuderdrehzahl von 2000 U/min in Wasser
und zentrifugenfeuchte Poly-HB-Flocken getrennt. Die
zentrifugenfeuchten Flocken wurden in einem Hordentrockner bei
80°C 24 Stunden getrocknet.
Dabei wurden 9,5 kg Poly-HB, das sind 85% der Theorie mit ei
ner Reinheit <99%, und einem Gehalt an Methylenchlorid von <1 ppm
erhalten.
Claims (10)
1. Verfahren zur Gewinnung eines durch einen Mikroorganismus
intrazellulär aufgebauten Polyhydroxyalkanoates aus dem
Zellmaterial einer fermentierten, wäßrigen Zellsuspension,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der
Fermentierlösung oder des in der Fermentierlösung enthalte
nen Wassers aus der Zellsuspension entfernt wird, worauf
das Zellmaterial mit einem organischen Lösungsmittel für
das Polyhydroxyalkanoat, das mit Wasser nicht mischbar ist
und das einen Siedepunkt von weniger als 100°C aufweist
mit oder ohne Zusatz von Wasser, versetzt wird, worauf die
entstandene Extraktionsmischung bei Temperaturen von Raum
temperatur bis zum Siedepunkt des organischen Lö
sungsmittels gerührt, mit oder ohne Zentrifugieren unter
Ausbildung einer wäßrigen und einer organischen Phase ab
setzen gelassen und die organische Phase, die das Polyhy
droxyalkanoat gelöst enthält von der wäßrigen Phase, die
die Zellrückstände ungelöst enthält, abgetrennt wird, wo
rauf die organische Phase in heißes Wasser einer Tempera
tur, die höher ist als der Siedepunkt des organischen Lö
sungsmittels, eingedüst wird, wodurch das organische
Lösungsmittel verdampft, das Polyhydroxyalkanoat im Wasser
ausfällt und auf übliche Art und Weise gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Polyhydroxyalkanoat ein Homo- oder Copolymer der Poly-D(-)-
3-hydroxybuttersäure ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zumindest ein Teil der Fermentierlösung durch
Zentrifugieren aus der Zellsuspension entfernt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Zellmaterial mit soviel organischem Lö
sungsmittel und soviel Wasser versetzt wird, daß das
Gewichtsverhältnis von Zellmaterial bezogen auf das
Zelltroxkengewicht : Wasser : Lösungsmittel von 2 : 3 : 20
bis 1 : 5 : 50 beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Extraktionsmischung beim Siedepunkt des
organischen Lösungsmittels gerührt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Extraktionsmischung nach dem Rühren zen
trifugiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die organische Phase mit Hilfe von Wasser
dampf als Treibmittel in heißes Wasser eingedüst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das ausgefällte Polyhydroxyalkanoat 20 bis 40
Minuten im heißen Wasser gerührt wird.
9. Polyhydroxyalkanoat, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form
von Flocken vorliegt.
10. Verfahren zur Herstellung von Flocken aus Polyhydroxyalka
noat, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyhydroxyalkanoat
in einem organischen Lösungsmittel, das mit Wasser nicht
mischbar ist und das einen Siedepunkt aufweist, der unter
dem des Wassers liegt, gelöst und in heißes Wasser einer
Temperatur, die über dem Siedepunkt des organischen Lö
sungsmittels liegt, eingedüst wird, wodurch das organische
Lösungmittel verdampft, die Flocken aus Polyhydroxyalkanoat
im Wasser ausfallen und auf übliche Art und Weise gewonnen
werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904036067 DE4036067A1 (de) | 1990-11-13 | 1990-11-13 | Verfahren zur gewinnung eines polyhydroxyalkanoates aus dem zellmaterial eines mikroorganismus und polyhydroxyalkanoatflocken |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904036067 DE4036067A1 (de) | 1990-11-13 | 1990-11-13 | Verfahren zur gewinnung eines polyhydroxyalkanoates aus dem zellmaterial eines mikroorganismus und polyhydroxyalkanoatflocken |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4036067A1 true DE4036067A1 (de) | 1992-05-14 |
Family
ID=6418157
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904036067 Withdrawn DE4036067A1 (de) | 1990-11-13 | 1990-11-13 | Verfahren zur gewinnung eines polyhydroxyalkanoates aus dem zellmaterial eines mikroorganismus und polyhydroxyalkanoatflocken |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4036067A1 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3823754A1 (de) * | 1988-07-07 | 1990-01-18 | Lentia Gmbh | Extraktionsmittel fuer poly-d(-)-3-hydroxybuttersaeure |
-
1990
- 1990-11-13 DE DE19904036067 patent/DE4036067A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
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