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Kontinuierliches Gärverfahren zum Gewinnen von Butylalkohol und Aceton
Während es für einzelne ganz bestimmte butanoacetonbildende Bakterien, wie z. B.
den Bacillus butylicus B o i n o t - F i r m i n (z. B. nach Patent 372 76z),
gelungen ist, ein vollkommen kontinuierliches Gärverfahren zu entwickeln, ist die
große Zahl der verschiedenen Butänolbakterien, die nach den Verfahren von Weizmann
und Fernbach u. a. technisch angewandt werden, für eine solche Arbeitsweise ungeeignet.
Man war daher gezwungen, höchst umständliche Methoden anzuwenden, um einen einigermaßen
befriedigenden kontinuierlichen Verlauf der Gärung zu erzielen. Bei diesen bisher
bekanntgewordenen Gärverfahren lassen sich zwei Arten der Gärführung unterscheiden:
I. Einer großen Menge gärender Maische meist niedriger Konzentration wird in kürzeren
Zeitabschnitten frische Maische in kleinen Anteilen zugesetzt.
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2. Größere Mengen frischer Maische in hintereinandergeschalteten Gärbottichen
werden laufend von einem in voller Hauptgärung befindlichen Bottich aus beimpft,
und die Maische durchströmt kontinuierlich alle Bottiche in der Reihenfolge ihrer
Verbindung hintereinander so lange, bis eine Verminderung der Butanolausbeute festzustellen
ist.
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Als Beispiel für die erste Arbeitsweise sei das Verfahren nach Patent
-389 947 angeführt. Hier wird einer in Gärung befindlichen Maische in kurzen Zeitabständen
frische Maische gleicher Ausgangskonzentration zugesetzt. In dem Verfahren nach
der französischen Patentschrift 718356 wird in bestimmten Zeitabständen Maische
höherer Konzentration zugesetzt. Die Zugaben erfolgen so lange, bis die Gesamtmenge
der Maische doppelt so groß ist wie die Ausgangsmenge. Hierbei ist es aber notwendig,
Teilmengen höherer Konzentration mit Bakterien, die an solche Konzentration gewöhnt
sind, in Gärung zu bringen. Auf diese Weise gelingt es, ebenfalls das doppelte Volumen
der Ausgangsmaische zu vergären. Zur gleichen Gruppe von Gärverfahren gehört auch
das Verfahren nach Patent 572 6i1, wo einer in Gärung befindlichen stark verdünnten
Maische höchstkonzentriertes Gärgut in kleinen Anteilen zugesetzt wird, wobei eine
Volumenvergrößerung um mehr als 2o°/, nicht eintreten soll. In den hier angeführten
Abarten der kontinuierlichen Gärführung kann 'von einem vollkommen kontinuierlichen
Gärverlauf in engerem Sinne nicht gesprochen werden, da der Gärprozeß infolge beschränkter
Entwicklungsmöglichkeit der Bakterien schon nach kurzer Zeit zum Stillstand kommt.
In eigenen Versuchen, die in der Weise durchgeführt wurden, daß nach Ablauf eines=
gewissen Zeit einer gärenden Maische neue Maische derselben Ausgangskonzentration
kontinuierlich zugesetzt wurde, während ein gleiches Volumen gärender Maische entnommen
wurde,
hat sich deutlich gezeigt, daß die Gärung zunächst im gleichen Tempo weiterläuft,
daß aber auch eine stetige Zunahme des. Säuregrades und damit verbunden ein allmählicher
Rückgang der Butanolausbeute zu verzeichnen ist.
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So wurde z. B. versucht, durch Zugabe von. Maischemengen, die 1/8
des Gesamtvolumens ausmachten, in kurzen Zeitabständen die Ausgangskonzentration
aufrechtzuerhalten (natiirlich unter Berücksichtigung der bereits vergorenen Zuckermengen)
und dadurch im Hauptbottich immer im Hauptgärstadium zu bleiben.
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Die entnommene Probe gärender Maische wvrde getrennt zur Nachgärung
angesetzt. Während des Versuches trat somit keine Volumenänderung ein. Das Gesamtvolumen
betrug 2ol 6° Balling-Kartoffel-Maische, das Volumen der Zugabe jeweils 2,5l.
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Das Ergebnis dieser Versuche ist in der folgenden Tabelle aufgezeichnet:
| Zugaben Gärzeit in Stunden ßalling Säure |
| Grad ec n,1 Na O H/20 CC |
| 0 6.0 0,15 |
| 8 4,9 o,68 - |
| 12 4,5 0,71 |
| 15 3,9 0,42 |
| 18 3,6 0,32 |
| 20 3,0 0,30 |
| J |
| L. Zugabe . . . . . . . . . . . . . . . o 3.5 0,28 |
| 4 3,3 0,42 |
| 0 3,8 0,34 |
| IL Zugabe ................. .......-...... 5- - 3,2
o,66 |
| 7 3,0 0,64 |
| III. Zugabe :.... .........' J 0 a,6 0,58 |
| 4 0;86 |
| # |
| J |
| IV. Zugabe . . . . . . . . . . . . 0 2", 8 a,$Z , 4
'-9,7 1,08 |
| 0 3,2 o,96 |
| V. Zugabe ..:............ A 3,0 1,20 |
| '`6,' 3,0 _ 1,43 |
Die zur vollständigen Vergärung der Proben entnommenen Mengen von je 2,5 l zeigten
bereits nach der dritten Zugabe eine starke Hemmung der normalen Endvergärung. Es
konnte also in diesen Fällen knapp 1/4 des ursprünglichen Maischevolumens noch mitvergoren
werden.
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Ein kontinuierliches Gärverfahren der zweiten Art ist in der britischen
Patentschrift 3o6 I38 beschrieben: Eine Reihe von hintereinandergeschalteten Gärbottichen
werden aus dem ersten Bottich der Reihe, der mittels Vorgärs beimpft wird und sich
in Gärung befindet, allmählich gefüllt. Noch bevor der erste Bottich ganz gefüllt
ist, beginnt das Einleiten von Maische aus dem ersten Bottich in den folgenden Bottich
der Reihe, bis sämtliche gefüllt sind und nun das Verfahren dermaßen weiterläuft,
daß dem ersten Bottich jeweils genau so viel frische Maische zugeführt wird, als
dem letzten Bottich vergorene Maische entnommen wird. Dieser Zulauf hat gerade bei
den durch Wachstumszyklen gekennzeichneten Butanolbäkterien den Nachteil daß sich
der typische Gärverlauf mit vegetativen Formen, Kurzstäbchen, Clostridien- und Sporenbildung
nicht voll entwickeln kann; solldern daß die für höhere Butanolkonzentration empfindlichen
vegetativen Formen bis zum letzten Bottich mit herüberkommen, wo sie bereits stark
geschwächt sind und die Vergärung des Restzuckers nicht mehr in der genügenden Weise
durchführen können. Gleichzeitig findet dann in den ersten Bottichen bereits Clostridienbildung
statt, wo sie physiologisch und für den Gärverlauf bedeutungslos ist, da hier ja
zunächst die intermediäre Säure-Bildung erfolgt, deren Abbau erst später unter Einsetzen
der Clostridienbildung erfolgen muB.
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Es wurde nun -von uns ein anderer Weg gefunden, der die offensichtlichen
Nachteile aller hier geschilderten Verfahren vermeidet. Dabei war das Verfahren
so einfach wie möglich zu gestalten, die Verwendung von Maischen =verschiedener
Konzentration maßte in Wegfall kommen und dafür nur eine für Gärverlauf und Wirtschaftlichkeit
gleich günstige
Konzentration angewendet werden. Schließlich war
jede Möglichkeit der Schwächung und Entartung der Butanolbakterien und damit eine
Ausbeuteminderung während des Gärverlaufes auszuschalten. Es wurde dabei festgestellt,
daß bei Einhalten des gefundenen Gärverlaufes und der Gärführung bei entsprechender
Berücksichtigung des Wachstumszyklus der Bakterien auch stickstoffreiche Maischen
glatt vergoren werden und eine umständliche Maischebereitung mit künstlicher Verminderung
des Stickstoffgehaltes, wie sie zum Teil gefordert wird, damit unnötig wird.
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Der Verlauf des Gärverfahrens nach der Erfindung sei wie folgt in
seinen Grundzügen beschrieben: Eine Reihe von vier gleich großen Bottichen wird
hintereinandergeschaltet. Der erste Bottich wird mit einer 6° Ballingrnaische, z.
B. Kartoffelmaische, gefüllt und mit einem Vorgär, der 1/2o bis 1/30 des Volumens
ausmacht, beimpft. Hierbei wird darauf geachtet, daß bei der Übertragung der Impfmaische
von demn ersten zum zweiten Bottich die Entwicklung der vegetativen Formen abgeschlossen
ist und gerade die Clostridienbildung einsetzt. Dasselbe gilt für die Entwicklungszeit
des Vorgärs. Es wurde nämlich in verschiedenen Versuchen festgestellt, daß es vorteilhafter
ist, die Überimpfung der Bakterien in diesem Stadium vorzunehmen als den Zeitpunkt
stärkster vegetativer Vermehrung und hohen Säuregehalts zu wählen, wie es in allen
bisher beschriebenen Gärverfahren der Fall ist. Geringe Zeitverluste werden durch
die erzielte Sicherheit in der Weiterentwicklung der Bakterien ausgeglichen. Man
überläßt nun den ersten Bottich der Gärung. Wenn diese so weit fortgeschritten ist,
daß wiederum die Vermehrung der vegetativen Formen beendet ist, läßt man nach gutem
Durchmischen 1/5 des ersten Maischevolumens in den nächsten Bottich abfließen, der
zu 4/5 mit frischer Maische beschickt wurde. Die im ersten Bottich verbliebene Maische
gärt zu Ende. im zweiten Bottich beginnt die Gärung nach kurzer Zeit. Nun wiederholt
sich der gleiche Vorgang: Heruntergären bis zum tiefsten Punkt der Säurekurve und
Beginn der Clostridienbildung, 1/5 des Bottichinhalts dann in den dritten Bottich,
der ebenfalls mit 4/5, neuer Maische beschickt ist. Vom dritten Bottich geht es
auf dieselbe Weise in den vierten Bottich. Inzwischen ist der erste Bottich durchgegoren,
die vergorene Maische wird abgezogen und destilliert, der Bottich mit frischer Maische
beschickt und mit einem neuen Vorgär beimpft. Nun läuft der Arbeitsgang in der eben
beschriebenen Weise wieder von neuem weiter. Die Gesamtgärzeit beträgt je Bottich
etwa 72 Stunden, Durch die Neubeimpfung des ersten Bottichs wird ein kontinuierliches
Verfahren möglich, das den normalen Wachstumszyklus der Bakterien nicht ständig
unterbricht, sondern in dem die Bakterien ungestört ein normales Hauptgärstadium
mit Säureanstieg, Säurespitze und Säureabstieg durchlaufen.
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Mit dem einmal beimpften Maischevolumen kann somit auf einfache Weise
die drei- bis vierfache Maischemenge vergoren werden. Diese Arbeitsweise stellt
insofern einen technischen Fortschritt dar, als sie einen vollkommen sicheren Gärverlauf
bis zur letzten Stufe mit guten Ausbeuten gewährleistet. Die Gärungen verlaufen
bei der ganz bestimmten periodischen Verwendung von neuen Vorgärmaischen unter Berücksichtigung
des Entwicklungszustandes der Organismen in allen Stufen bis zur vollkommenen Durchgärung
der Maischen. Außerdem kann sofort bei einer eintretenden Ausbeuteverminderung der
betreffende nächste Bottich mit neuer Impfmaische beschickt werden, während bei
Strömungsverfahren in diesem Fall noch die gesamten miteinander verbundenen Bottiche
von der Ausbeuteminderung betroffen werden. Die Sterilisation und das Aufbewahren
von frischen Maischen kommt in Wegfall, da die Bottiche direkt aus dem Vormaischbottich
beschickt werden, was ebenfalls wieder Raum-und Dampfersparnis ermöglicht. Ausführungsbeispiel
Ein Gärgefäß wird mit 2o 1 Kartoffelmaische von 6° Balling beschickt und mit einem
kräftigen Vorgär beimpft. Nach Ablauf des Hauptgärstadiums wird 1/5 dieser Maische
(q. l) in z61 frischer Maische gegeben. Die Maischen in den einzelnen Stufen sind
nach 72 Stunden Gesamtgärzeit normal durchgegoren und ergaben z. B. in der zweiten
und dritten Stufe Ausbeuten an Butanolaceton von 2,55 bzw. 2,61 Volumprozent. Im
Durchschnitt aller Stufen ergaben sich Werte von 2,6o Volumprozent. Die Ausbeuten
wurden durch Destillation der Maischen festgestellt. Nach Beendigung des Hauptgärstadiums
der letzten Stufe trat im mikroskopischen Bild eine Änderung auf. Die vegetativen
Formen überwiegen, obgleich bereits hohe Butanol.-konzentration in der Maische vorhanden
ist. Die Clostridien- und Sporenbildung bleibt aus, und eine Übertragung dieser
Maische in eine fünfte Stufe bringt keine vollkommene Durchgärung der Maische mehr.
Bereits nach 24 Stunden hört bei einer Konzentration von 4,051 Balling die Gasentwicklung
auf, und die Gärung blieb bei einem Säuregrad
von 443 stecken. Das
mikroskopische Bild zeigte nur lebhaft bewegliche Kurzstäbchen. Auf Grund dieser
wiederholt erzielten Ergebnisse wurde die Zahl der Überimpfungen auf drei begrenzt.
Die erzielten Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefaßt.
| Säure Mikroskopisches |
| Maische Balling cc n/I NaOH pH Bild |
| Grad f. 2ö cc Filtrat |
| I. Maische: 2ol |
| - |
| Beginn ............ 6,o o,Io 5,8I |
| Ende Hauptgärung 2,8 o,28 4,99 Clostridien |
| 2. Maische : I6+4l |
| Beginn . . . . . . . . . . . 5,6 o,I6 5,44 - |
| Ende Hauptgärung 2,o o,42 4,69 Clostridien |
| 3. Maische: I6 + 4l |
| Beginn ....... . . . . . 5,5 o,I6 5,55 - |
| Ende Hauptgärung 2,3 o,32 5,I5 Clostridien |
| 4. Maische : I6+4l |
| Beginn ..........., 5,7 0,I8 5,6o - |
| Hauptgärung....... 4,6 I,o2 - _ |
| Ende Hauptgärung I,4 0,32 4,78 Kurzstäbchen |
| verschiedener |
| Beweglichkeit |