EP1991687A2 - Extraction of fermentation-inhibiting substances from a fluid - Google Patents

Extraction of fermentation-inhibiting substances from a fluid

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Publication number
EP1991687A2
EP1991687A2 EP07722009A EP07722009A EP1991687A2 EP 1991687 A2 EP1991687 A2 EP 1991687A2 EP 07722009 A EP07722009 A EP 07722009A EP 07722009 A EP07722009 A EP 07722009A EP 1991687 A2 EP1991687 A2 EP 1991687A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
whey
container
fluid
bioreactor
ethanol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07722009A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Uphoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Georg Fritzmeier GmbH and Co KG
Original Assignee
Georg Fritzmeier GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Georg Fritzmeier GmbH and Co KG filed Critical Georg Fritzmeier GmbH and Co KG
Priority to EP10193564A priority Critical patent/EP2322639A1/en
Publication of EP1991687A2 publication Critical patent/EP1991687A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12CBEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C1/00Preparation of malt
    • C12C1/02Pretreatment of grains, e.g. washing, steeping
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12CBEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C7/00Preparation of wort
    • C12C7/04Preparation or treatment of the mash
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12GWINE; PREPARATION THEREOF; ALCOHOLIC BEVERAGES; PREPARATION OF ALCOHOLIC BEVERAGES NOT PROVIDED FOR IN SUBCLASSES C12C OR C12H
    • C12G1/00Preparation of wine or sparkling wine
    • C12G1/02Preparation of must from grapes; Must treatment and fermentation
    • C12G1/0203Preparation of must from grapes; Must treatment and fermentation by microbiological or enzymatic treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06Ethanol, i.e. non-beverage
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a process for the degradation of gärhemmender substances from a fluid, a process for the production of ethanol, in particular from whey, and an array of bioreactors for carrying out the process for producing ethanol from whey.
  • ethanol can be obtained from saccharide-containing substances, in particular sugar or glucose. It cereals, sugar beet, potatoes and whey are known as glucose suppliers, which are suitable for ethanol production. But other saccharide-containing foods and food residues can be fermented.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method by which gärhemmende substances can be easily removed and thereby a simple and inexpensive ethanol production, especially from the whey, guaranteed.
  • This object is achieved by a process for the degradation of fermentation-inhibiting substances from fluids according to claim 1, a process for producing ethanol according to claim 13, a process for producing ethanol from whey according to claim 14, and an arrangement of bioreactors for producing ethanol from whey according to Claim 29 solved.
  • the present invention is based on the finding that the low ethanol yield in the ethanol production from saccharide-containing foods or food residues, such as whey, is due to two problems: For one thing, when using whey as a food residue, ie. There were inhibitors in the whey as a waste product from cheese dairies, which severely restricted the production of ethanol. These inhibitors include, in particular, copper, which makes the fermentation of whey into ethanol almost impossible, as well as mold fungi which settle by non-immediate further processing of the whey. Such inhibitors are also present in other saccharide-containing fermentable foods, such as grapes or barley, and must be removed from the fluid to be fermented for ethanol production.
  • the fluid to be fermented with a microbiotic mixture of photosynthetic microorganisms and light-emitting microorganisms is applied, which is designed to degrade the gärhemmenden Stofffe. If the whey is not yet heavily loaded, adding hops can also provide sufficient bacteriostatic effects.
  • the microbiotic mixture is not added directly to the fluid, but the materials from which the fluid is made are pretreated with the microbiotic mixture. This is particularly advantageous in the production of wine or beer, in which the grapes or apples or malting barley are treated before applying must or mash with the microbiotic mixture. This allows fermentation-inhibiting substances, such as mildew, to be removed before the fermentation process and can not contaminate must or mash.
  • the photosynthetic microorganisms contained in the microbiotic mixture are prochlorophytes, cyanobacteria, green sulfur bacteria, purple bacteria, chloroflexus-like forms, heliobacteria and heliobacillus-like forms, and mixtures of two or more thereof and the light-emitting microorganisms contained in the microbiotic mixture Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera or Beneckea or mixtures of two or more there are more of them. Furthermore, it may be advantageous if the microbiotic mixture additionally contains plant extracts, enzymes, trace elements, polysaccharides, alginine derivatives and / or other microorganisms individually or in combination.
  • a method is proposed in which, in a first step, such inhibitors, such as copper, are removed from the whey.
  • the lactose present in the whey is broken down into glucose and galactose, whereby the galactose is not treated as a waste product, but, as another particularly preferred embodiment shows, with the aid of a certain yeast strain, the so-called Kluyveromyces. converted to glucose.
  • a fermentation agent in particular yeast or bacteria, added in order to convert the now comparatively high concentration of glucose into ethanol.
  • copper is removed from the whey by means of electrolysis.
  • the percentage of ethanol in the fermentation solution must be taken into account when fermenting to ethanol, since an excessively high alcohol content adversely affects the fermentation process. Therefore, as another advantageous embodiment shows, the alcohol content is maintained at a certain level, preferably below 12%. For this purpose, excess ethanol can preferably be removed from the fermentation solution by means of membrane filtration.
  • the method according to the invention takes place in a bioreactor.
  • the three main steps of the procedure can be carried out in the same bioreactor. For this, however, the bioreactor must be prepared for the next step between the individual steps.
  • the method can also take place in preferably three bioreactors arranged one behind the other, wherein a conversion of the individual bioreactors due to the method steps assigned to them permanently is dispensed with.
  • a first bioreactor is preferably equipped with an electrolysis device, so that a removal of copper from the whey is made possible.
  • a special equipment of the bioreactor can be used.
  • a particularly preferred bioreactor consists of a coated container and a coated filling body, wherein the coatings are chosen such that upon application of an electric field the bioreactor itself acts as an electrolysis device.
  • a photocatalytic coating of the bioreactor and an activated carbon coating of the filling body have proved to be particularly advantageous. When the electric field is applied, the filler body then serves as the anode and the copper ions are deposited on the activated carbon layer.
  • whey is introduced from a cheese factory and removed the interfering copper from it. If the whey is heavily loaded, for example because it was already stored, the whey may also be added to the microbial mixture here. If the whey is only slightly loaded or fresh, the whey may also be added to hops before it is introduced into the first bioreactor, preferably 100 g of hops per hectolitre of whey, so that on the one hand an already existing load is reduced or at least slowed down, on the other hand it can be ensured that such a burden does not occur at all.
  • the whey prepared in this way is then transferred to a second bioreactor in which the lactose contained in the whey is broken down into glucose and galactose by means of lactase.
  • a second bioreactor in which the lactose contained in the whey is broken down into glucose and galactose by means of lactase.
  • further Kluyveromyces - yeasts may be provided in the second bioreactor, which on the one hand also cause a breakdown of lactose into glucose and galactose, on the other hand, but are also able to convert galactose into glucose.
  • a third bioreactor into which the glucose mixture is introduced there are microorganisms, in particular yeasts or fermenting bacteria, which bring about a conversion of glucose by means of alcoholic fermentation into ethanol.
  • the ethanol thus produced is then preferably separated from the glucose mixture by means of a membrane.
  • bioreactor arrangement in which the individual bioreactors are coated with a photocatalytically active layer, and have one or more recesses for the passage of the whey into the interior of the bioreactor.
  • a filler with activated carbon is present, which increases the reaction surface, wherein deposited on the filler preferably copper or settle microorganisms for ethanol production and enzymes can be immobilized.
  • an embodiment of the bioreactors in which a longitudinal strip-shaped photocatalytic coating alternates with a longitudinal strip-shaped diamond coating.
  • Figure 1 is a schematic drawing of a preferred embodiment of the present invention, in which three bioreactors are connected in series in series to carry out the process according to the invention for producing ethanol from whey;
  • Figure 2 a schematic drawing of a preferred embodiment of a bioreactor for the inventive method.
  • FIG. 3 shows a schematic drawing of a further exemplary embodiment of the present invention in order to carry out the process according to the invention for producing ethanol from whey.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement 1 of bioreactors 2a-c for carrying out the method according to the invention.
  • whey which is otherwise produced as a waste product by cheese dairies
  • the whey is transferred from a storage or delivery tank 4 via a first line 6 in the arrangement 1 of bioreactors 2a-c.
  • the whey could be passed directly through the line 6 from the cheese factory in the arrangement 1, without a tank 4 would be required.
  • the whey in the tank can be added to 4 hops, preferably 100 g hops / hl whey. Hops are mycotically selective and suppress the gram-positive bacteria, which means that foreign germs contained in the whey can no longer multiply. This also means that especially the Zuckerverstoffophden bacteria that reduce the ethanol yield due to Zuckergehaltreduzi für be prevented in their multiplication. It is possible to add hops as total substance, but it is also possible to add only the ß - acids of the hops necessary for the bacteriostatic effect of the hops as a hop extract of the whey.
  • the whey is already heavily contaminated with foreign germs, it is also advantageous for the whey to add a microbiotic mixture of photosynthetically active microorganisms and light-emitting microorganisms. This microbiotic mixture is also suitable for removing mold in the whey.
  • a first bioreactor 2a the whey is separated from inhibitors for ethanol production. This can be done via electrolysis, especially in the presence of copper. In addition, additions of the microbiotic mixture can take place in the bioreactor 2a.
  • an electrolysis device 8 is provided, at which the copper ions are deposited at the anode.
  • the electrolysis apparatus can also be designed as a coated bioreactor with filler body, in which an electric field is formed by an alternating coating of diamond and, for example, titanium dioxide and an activated carbon coating of the filler body.
  • the filler may have the form of a spindle, which in turn has the coating of activated carbon.
  • an external power source for the electrolysis should be used for a good result.
  • a weak current between 400 and 600 mA, or 0.3 to 2.6 V, preferably 1, 9 V, applied, and the filler used as the anode.
  • the copper ions are not freely present in the whey, but are bound to the already contained in the whey for the breakdown of lactose in glucose and galactose responsible lactase enzymes, it makes sense to recover these enzymes back to not unnecessarily many enzymes in it To have to use the following process step of Laktoseaufspaltung.
  • the applied current is turned off and initialized a voltage reversal, whereupon the enzymes dissolve from the packing, while the copper ions remain on the packing. If, at the same time, the whey thus treated is removed from the first bioreactor 2a via a further line 10, the lactase enzymes are present in the whey, but no or vanishingly few copper ions.
  • the whey comes directly from the cheese factory, it usually has a temperature of 45 0 C - 55 0 C.
  • the temperature does not matter, so that the bioreactor 2a does not need to be equipped with a temperature control unit.
  • the whey in the bioreactor 2a can still be concentrated. That is, excess water is removed from the whey, so that a high lactose concentration is achieved.
  • the whey is passed via the second line 10 into another bioreactor 2b.
  • a splitting of lactose into its two components glucose and galactose instead.
  • this is done at a temperature of 30 0 C to 35 0 C.
  • the bioreactor 2b a cooling or heating unit (not shown here) or integrated into the bioreactor, which brings the whey to the desired temperature before the breakdown of the lactose.
  • a temperature sensor (not shown here) can also be arranged in the bioreactor itself, which constantly monitors the reaction temperature.
  • the enzyme used is lactase, which is advantageously produced by Kluyveromyces
  • - Yeasts is that the lactase they provide not only a breakdown of lactose in glucose and galactose is achieved, but also a conversion of galactose into glucose is possible. This is of decisive advantage for the production of ethanol since it increases the glucose content and thus the amount of ethanol.
  • a relatively highly concentrated glucose mixture is obtained which, for further processing in the embodiment shown here, is transferred via a third line 14 into a further bioreactor 2c.
  • the bioreactors 2b and 2c can also be integrally formed. This would now be a replacement of the filler be made to retrofit the bioreactor to the fermentation process.
  • the bioreactor 2c is equipped with a packing 16 which may contain yeast or bacteria as microorganisms used for fermentation. Since both fermentation processes do not take place at the same temperatures, a simultaneous presence of the two types of microorganisms in the packing is possible, but only the microorganisms for which the corresponding temperature is applied are active. Thus, an alcoholic fermentation by means of yeasts at a temperature of less than 25 0 C 1, preferably between 8 0 C and 10 0 C, instead, while the fermentation with the aid of bacteria, especially Thermoanaerobacter ethanolicus, takes place at 60 0 C to 65 ° C. , To precisely control the temperature, the bioreactor 2c may be preceded or integrated with a cooling or heating unit (not shown). Likewise, a temperature measuring device may be present, which controls whether the temperature meets the requirements.
  • microorganisms are immobilized by the packing 14 in the bioreactor 2c, which simultaneously provides an increased reaction area.
  • the already produced ethanol must be removed from the bioreactor 2c. This can advantageously be done via a diffusion membrane, not shown here. But it is also conceivable to use a special distillation membrane, which is relatively expensive. Ideally, the alcohol concentration should not exceed 12%.
  • the ethanol produced can then be fed via a further line 18 to a storage tank 20.
  • FIG 2 shows a schematic diagram of a preferred embodiment of the bioreactor consisting of a container 22 and a packing 24.
  • the container 22 is cylindrical, but it may also have any other shapes.
  • the side walls of the container 22 are made of stainless steel in the illustrated embodiment and partially be provided with a photocatalytic coating 26. This coating 26 may be formed on the inner peripheral wall of the container 22 and / or - as shown in Figure 2 - on the outer wall 28.
  • the container 22 is made of V4A steel and provided with a titanium dioxide coating. Instead of this titanium dioxide, indium tin oxide or the like can also be used.
  • the outer wall 28 of the container 22 is provided with a plurality of apertures 30, so that the whey to be converted can reach the interior of the container 22.
  • These breakthroughs 30 may be stamped, for example, and it is advantageous if then the burrs protrude inwards.
  • the lower end face 32 of the container may be closed, so that the inflow of the whey into the container 22 takes place substantially in the radial direction.
  • the upper end face can also be closed. In the case where the upper surface is above the liquid level, sealing may be dispensed with.
  • a replaceable filling body 24 is received, which, as shown in the elevational view, a spiral-shaped structure on has.
  • this filling body 24 consists of a support 34, which may be, for example, a spirally turned stainless steel sheet.
  • a foam material for example a PU foam
  • the PU foam forms a pore system, the walls of which are coated with activated carbon, so that a large mass transfer area is provided.
  • the carrier 34 consists of a two to three millimeters thick VA grid body, wherein the helical structure is formed by two grid surfaces, between which a semi-hard, open-cell PU foam is introduced with activated carbon coating.
  • the arranged on the downward side of the helix bars 36 are provided with a photocatalytic surface, the mesh size is at these down facing large areas about 10 - 12 mm. At the the upwardly facing large area of the spiral forming bars is no coating provided.
  • the mesh size here is about 25 to 30 mm.
  • microorganisms and enzymes mentioned above can be introduced centrally via a dosing hose into the center of the spiral-shaped filling body 24.
  • these microorganisms and enzymes with nanocomposite materials already in the production of the filler 24 in the pore system.
  • Very promising have been experiments in which the microorganisms or enzymes and nanocomposite materials are dissolved in chitosan and this mixture added with the nano-composite materials is then applied to the filler, for example by impregnation, so that continuous feeding of microorganisms or enzymes deleted and only at regular intervals replacement of the filler 24 is required.
  • the PU foam is coated in the embodiment shown here on the downwardly facing side of the helix with a gel-like material of chitosan.
  • the nano-composite materials are embedded, each of which is a piezoelectric ceramic system of PZT Kr c Anlagenn with photocatalytic lytic coatings.
  • microorganisms or lactase-producing Kluyveromyces yeasts are also embedded in the fermentation.
  • the container 22 is coated both on its inner surface and on its outer surface with the photocatalytically active layer 26 - so for example, the titanium dioxide. This layer is completely applied to the inner surface, that is to say on the side facing the filler body 34, while on the outer surface the titanium dioxide is applied in the form of strips 26, between which regions which are provided with a diamond coating 38 remain.
  • Such a diamond coating 38 can be produced synthetically by heating methane and hydrogen and a suitable carrier substance, for example niobium, silicon or ceramic, in a vacuum chamber to temperatures of up to approximately 2000 °. It then comes to a reaction in which a diamond lattice is formed on the carrier. This coating 38 is then applied to the outer wall 28 of the container 22, so that with a photocatalytically active 26 and provided with a diamond layer 38 areas adjacent to each other. These areas 26, 38 extend in the longitudinal direction of the container 22. In the illustrated embodiment, the width of the strips 26 corresponds approximately to the distance of four hole-shaped openings 30, while the width of the areas 38 is substantially smaller and approximately equal to the distance between two adjacent openings 30 ,
  • FIG. 3 schematically shows a further embodiment of the present invention in which ethanol is obtained from whey.
  • whey is introduced into an aerobic loop reactor 32 of the type already described above. If the whey is heavily loaded, the microbial mixture 33 described above can be added to the aerobic loop reactor of the whey.
  • demineralization of the whey can take place in the loop reactor.
  • potassium, but also salts, such as NaCl affect the fermentation and can sometimes hinder this strong.
  • whey thus treated is then transferred to a buffer tank 34 in which whey is collected from the loop reactor to be available for further processing.
  • whey can be brought together from a wide variety of dairies, so that advantageously also a stabilization of the whey takes place. It is particularly advantageous if a whey with a certain lactose content is present in the buffer container.
  • the introduced whey can either be diluted or concentrated.
  • the enzyme treatment and the breakdown of lactose and galactose into glucose has already been described above.
  • the thus pretreated whey - actually now the glucose-containing fluid - is now transferred to a fermentation tank 37, in the fermentation yeast, which was preferably pretreated in a yeast fermenter 38, is added. After fermentation is carried out in another container 39, the yeast deposition in order to obtain ethanol in the purest possible form. Thereafter, the ethanol thus obtained is transferred to another container 40 in which the last residues of yeast and sugar are fermented to ethanol.
  • a microbiotic mixture in particular a mixture of photosynthetic microorganisms and light-emitting microorganisms

Abstract

Disclosed is a method for decomposing fermentation-inhibiting substances in a fluid that comprises saccharin-containing matter. According to said method, a microbiotic solution, especially a mixture of photosynthetic microorganisms and light emitting microorganisms, which is designed to decompose the fermentation-inhibiting substances, is introduced into the fluid.

Description

Beschreibung description
Abbau gärhemmender Stoffe aus einem FluidDegradation of gärhemmender substances from a fluid
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau gärhemmender Stoffe aus einem Fluid, ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol, insbesondere aus Molke, sowie eine Anordnung von Bioreaktoren zu Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Ethanol aus Molke.The present invention relates to a process for the degradation of gärhemmender substances from a fluid, a process for the production of ethanol, in particular from whey, and an array of bioreactors for carrying out the process for producing ethanol from whey.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Ethanol aus saccharidhaltigen Stoffen, insbesondere Zucker bzw. Glukose, gewonnen werden kann. Dabei sind Getreide, Zuckerrüben, Kartoffeln und Molke als Glukoselieferanten bekannt, die sich zur Ethanolherstellung eignen. Aber auch andere saccharidhaltige Lebensmittel und vor allem Lebensmittelrückstände können vergoren werden.It is known from the prior art that ethanol can be obtained from saccharide-containing substances, in particular sugar or glucose. It cereals, sugar beet, potatoes and whey are known as glucose suppliers, which are suitable for ethanol production. But other saccharide-containing foods and food residues can be fermented.
Problematisch ist dabei jedoch, dass zum einen gerade in Lebensmittelrückständen aufgrund von beginnender Zersetzung, hervorgerufen beispielsweise durch Schimmelpilze oder ähnliches, gärhemmende Stoffe befinden, die eine Ethanolherstellung aus diesen Produkten behindern und deshalb unrentabel machen. Auf der anderen Seite ist gerade die Herstellung von Ethanol aus Molke bis jetzt noch nicht wirtschaftlich, da die aus der Molke gewonnene Ethanolausbeute für eine kommerzielle Auswertung nicht ausreicht.The problem is, however, that on the one hand just in food residues due to incipient decomposition, caused for example by mold or the like, are gärhemmende substances that impede ethanol production from these products and therefore make unprofitable. On the other hand, the production of ethanol from whey is currently not economical, since the ethanol yield obtained from the whey is insufficient for a commercial evaluation.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem gärhemmende Stoffe leicht entfernt werden können und das dadurch eine möglichst einfache und kostengünstige Ethanolherstellung, insbesondere aus der Molke, gewährleistet.Object of the present invention is therefore to provide a method by which gärhemmende substances can be easily removed and thereby a simple and inexpensive ethanol production, especially from the whey, guaranteed.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Abbau gärhemmender Stoffe aus Fluiden gemäß Patentanspruch 1 , ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol gemäß Patentanspruch 13, ein Verfahren zu Herstellung von Ethanol aus Molke gemäß Patentanspruch 14, sowie eine Anordnung von Bioreaktoren zur Herstellung von Ethanol aus Molke gemäß Patentanspruch 29 gelöst.This object is achieved by a process for the degradation of fermentation-inhibiting substances from fluids according to claim 1, a process for producing ethanol according to claim 13, a process for producing ethanol from whey according to claim 14, and an arrangement of bioreactors for producing ethanol from whey according to Claim 29 solved.
Vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die geringe Ethanolausbeute bei der Ethanolherstellung aus saccharidhaltigen Lebensmitteln bzw. Lebensmittelrückständen, wie beispielsweise Molke, auf zwei Probleme zurückzuführen ist: Zum einen sind bei der Verwendung von Molke als Lebensmittelrückstand, dh. als Abfallprodukt von Käsereien Hemmstoffe in der Molke vorhanden, die insgesamt die Ethanolherstellung stark einschränkten. Zu diesen Hemmstoffen gehört insbesondere Kupfer, das eine Vergärung von Molke zu Ethanol fast unmöglich macht, aber auch Schimmelpilze, die sich durch eine nicht sofortige Weiterverarbeitung der Molke ansiedeln. Solche Hemmstoffe sind auch bei anderen saccharidhaltigen vergärbaren Lebensmitteln, wie beispielsweise Trauben, oder Gerste vorhanden und müssen für eine Ethanolherstellung aus dem zu vergärenden Fluid entfernt werden.The present invention is based on the finding that the low ethanol yield in the ethanol production from saccharide-containing foods or food residues, such as whey, is due to two problems: For one thing, when using whey as a food residue, ie. There were inhibitors in the whey as a waste product from cheese dairies, which severely restricted the production of ethanol. These inhibitors include, in particular, copper, which makes the fermentation of whey into ethanol almost impossible, as well as mold fungi which settle by non-immediate further processing of the whey. Such inhibitors are also present in other saccharide-containing fermentable foods, such as grapes or barley, and must be removed from the fluid to be fermented for ethanol production.
Dazu wird das zu vergärende Fluid mit einer mikrobiotischen Mischung aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen beaufschlagt, die dazu ausgelegt ist, die gärhemmenden Stofffe abzubauen. Ist die Molke noch nicht stark belastet kann auch eine Zugabe von Hopfen eine ausreichen bakteriostatische Wirkung ausüben.For this purpose, the fluid to be fermented with a microbiotic mixture of photosynthetic microorganisms and light-emitting microorganisms is applied, which is designed to degrade the gärhemmenden Stofffe. If the whey is not yet heavily loaded, adding hops can also provide sufficient bacteriostatic effects.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die mikrobiotische Mischung jedoch nicht dem Fluid direkt zugegeben, sondern die Stoffe aus denen das Fluid hergestellt wird, werden mit der mikrobiotischen Mischung vorbehandelt. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Wein oder Bier vorteilhaft, bei denen die Trauben oder Äpfel bzw. die Braugerste vor Ansetzen von Most bzw. Maische mit der mikrobiotischen Mischung behandelt werden. Dadurch können gärhemmende Stoffe, wie beispielsweise Mehltau, bereits vor dem Gärprozess entfernt werden und können auch Most bzw. Maische nicht kontaminieren.However, in another preferred embodiment, the microbiotic mixture is not added directly to the fluid, but the materials from which the fluid is made are pretreated with the microbiotic mixture. This is particularly advantageous in the production of wine or beer, in which the grapes or apples or malting barley are treated before applying must or mash with the microbiotic mixture. This allows fermentation-inhibiting substances, such as mildew, to be removed before the fermentation process and can not contaminate must or mash.
Versuche haben gezeigt, dass zudem durch die Zugabe der mikrobiotischen Mischung zu Most, vor allem aber auch bei der Vorbehandlung von Trauben mit der mikrobiotischen Mischung, der darauf folgende Gärverlauf deutlich beschleunigt werden kann, wobei zudem ein rascher Zuckerabbau und ein rasche Temperaturanstieg bei der Gärung beobachtet wurde. Zudem konnte durch die Zugabe der mikrobiotischen Mischung verhindert werden, dass das Gärprodukt muffig oder schlecht roch.Experiments have shown that in addition to the addition of the microbiotic mixture to must, but especially in the pretreatment of grapes with the microbiotic mixture, the subsequent fermentation process can be significantly accelerated, in addition, a rapid sugar degradation and a rapid increase in temperature during fermentation was observed. In addition, the addition of the microbiotic mixture prevented the fermentation product from smelling musty or bad.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die in der mikrobiotischen Mischung enthaltenen photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen Prochlorophyten, Cyanobakterien, grüne Schwefelbakterien, Purpurbakterien, Chloroflexusähnliche Formen, Heliobakterien und Heliobacillusähnliche Formen, sowie Mischungen aus zwei oder mehr daraus sind und die in der mikrobiotischen Mischung enthaltenen Licht emittierenden Mikroorganismen Photobakterium phosphoreum, Vibrio fischeri Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera oder Beneckea oder Mischungen aus zwei oder mehr daraus sind. Des weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die mikrobiotische Mischung zudem Pflanzenextrakte, Enzyme, Spurenelemente, Polysaccharide, Alginderivate und/oder andere Mikroorganismen einzeln oder in Kombination enthält.It is particularly advantageous if the photosynthetic microorganisms contained in the microbiotic mixture are prochlorophytes, cyanobacteria, green sulfur bacteria, purple bacteria, chloroflexus-like forms, heliobacteria and heliobacillus-like forms, and mixtures of two or more thereof and the light-emitting microorganisms contained in the microbiotic mixture Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera or Beneckea or mixtures of two or more there are more of them. Furthermore, it may be advantageous if the microbiotic mixture additionally contains plant extracts, enzymes, trace elements, polysaccharides, alginine derivatives and / or other microorganisms individually or in combination.
Das andere, insbesondere bei der Ethanolherstellung aus Molke bestehende, Problem liegt darin, dass die in der Molke enthaltene Glukose nicht frei verfügbar ist. Man kann also nicht einfach nur der Molke Hefe für einen Gärprozess zugeben, sondern die Glukose muss erst aus der Laktose gewonnen werden. Laktose ist meist aber nur zu einem Prozentsatz von 30 - 40 % in der Molke enthalten und besteht darüber hinaus nicht zu 100 % aus Glukose, sondern auch aus Galaktose. Galaktose ist zwar auch ein Monosaccharid, kann aber nicht zu Ethanol vergärt werden, wodurch die Ethanolausbeute weiter reduziert wird.The other problem, especially with ethanol production from whey, is that the glucose contained in the whey is not freely available. So you can not just add whey to the whey for a fermentation process, but the glucose must first be extracted from the lactose. Lactose is usually only in a percentage of 30 - 40% contained in the whey and is also not 100% of glucose, but also from galactose. Although galactose is also a monosaccharide, it can not be fermented to ethanol, which further reduces the ethanol yield.
Erfindungsgemäß wird deshalb ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Schritt solche Hemmstoffe, wie beispielsweise Kupfer, aus der Molke entfernt werden. In einem sich anschließenden Schritt wird, die in der Molke vorhandene Laktose in Glukose und Galaktose aufgespalten, wobei die Galaktose nicht wie ein Abfallprodukt behandelt wird, sondern wird, wie ein weiteres besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, mit Hilfe eines bestimmten Hefestamms, den sogenannten Kluyveromyces, in Glukose umgewandelt.According to the invention, therefore, a method is proposed in which, in a first step, such inhibitors, such as copper, are removed from the whey. In a subsequent step, the lactose present in the whey is broken down into glucose and galactose, whereby the galactose is not treated as a waste product, but, as another particularly preferred embodiment shows, with the aid of a certain yeast strain, the so-called Kluyveromyces. converted to glucose.
Erst dann wird in einem dritten Schritt ein Gärmittel, insbesondere Hefe oder Bakterien, zugegeben, um die jetzt vergleichsweise hohe Konzentration an Glukose in Ethanol umzuwandeln.Only then, in a third step, is a fermentation agent, in particular yeast or bacteria, added in order to convert the now comparatively high concentration of glucose into ethanol.
Da wie oben beschrieben insbesondere Kupfer als Ethanolherstellungs- hemmstoff identifiziert wurde, wird Kupfer in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels Elektrolyse aus der Molke entfernt.Since, as described above, in particular copper was identified as an ethanol production inhibitor, in a particularly preferred embodiment copper is removed from the whey by means of electrolysis.
Eine weitere Einschränkung ist, dass bei der Gärung zu Ethanol auf den Prozentsatz von Ethanol in der Gärlösung geachtet werden muss, da ein zu hoher Alkoholgehalt den Gärprozess negativ beeinflusst. Deshalb wird, wie ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zeigt, der Alkoholgehalt auf einem bestimmten Niveau, vorzugsweise unter 12 %, gehalten. Dazu kann vorzugsweise überschüssiges Ethanol aus der Gärlösung mittels Membranfilterung abgeführt werden.Another limitation is that the percentage of ethanol in the fermentation solution must be taken into account when fermenting to ethanol, since an excessively high alcohol content adversely affects the fermentation process. Therefore, as another advantageous embodiment shows, the alcohol content is maintained at a certain level, preferably below 12%. For this purpose, excess ethanol can preferably be removed from the fermentation solution by means of membrane filtration.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einem Bioreaktor stattfindet. Dabei können die drei Hauptschritte des Verfahrens hinterein- ander in dem gleichen Bioreaktor ausgeführt werden. Dazu muss jedoch zwischen den einzelnen Schritten der Bioreaktor für den nächsten Schritt vorbereitet werden.It is particularly advantageous if the method according to the invention takes place in a bioreactor. The three main steps of the procedure can be be carried out in the same bioreactor. For this, however, the bioreactor must be prepared for the next step between the individual steps.
Da dies umständlich ist, kann wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, das Verfahren auch in vorzugsweise drei hintereinander angeordneten Bioreaktoren stattfinden, wobei ein Umrüsten der einzelnen Bioreaktoren aufgrund der ihnen fest zugewiesenen Verfahrensschritte entfällt.Since this is cumbersome, as another preferred exemplary embodiment shows, the method can also take place in preferably three bioreactors arranged one behind the other, wherein a conversion of the individual bioreactors due to the method steps assigned to them permanently is dispensed with.
Dabei ist ein erster Bioreaktor vorzugsweise mit einer Elektrolyseeinrichtung ausgestattet, so dass eine Entfernung von Kupfer aus der Molke ermöglicht wird. Dazu kann auf eine spezielle Ausstattung des Bioreaktors zurückgegriffen werden. Ein besonders bevorzugter Bioreaktor besteht nämlich aus einem beschichteten Behälter und einem beschichteten Füllkörper, wobei die Beschichtungen so gewählt sind, dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes der Bioreaktor selbst als Elektrolysevorrich- tung wirkt. Besonders vorteilhaft haben sich dabei eine photokatalytische Beschich- tung des Bioreaktors und eine Aktivkohlebeschichtung des Füllkörpers erwiesen. Beim Anlegen des elektrischen Feldes dient dann der Füllkörper als Anode und die Kupferionen setzten sich an der Aktivkohleschicht ab.In this case, a first bioreactor is preferably equipped with an electrolysis device, so that a removal of copper from the whey is made possible. For this purpose, a special equipment of the bioreactor can be used. Namely, a particularly preferred bioreactor consists of a coated container and a coated filling body, wherein the coatings are chosen such that upon application of an electric field the bioreactor itself acts as an electrolysis device. A photocatalytic coating of the bioreactor and an activated carbon coating of the filling body have proved to be particularly advantageous. When the electric field is applied, the filler body then serves as the anode and the copper ions are deposited on the activated carbon layer.
In diesen ersten Bioreaktor wird beispielsweise Molke aus einer Käserei eingeleitet und das störende Kupfer daraus entfernt. Ist die Molke stark belastet, beispielsweise da sie bereits eingelagert war, kann hier der Molke auch die mikrobioti- sche Mischung zugegeben werden. Ist die Molke nur wenig belastet oder frisch kann der Molke auch vor dem Einleiten in den ersten Bioreaktor Hopfen zugegeben werden, vorzugsweise 100 g Hopfen pro Hektoliter Molke, so dass zum einen eine bereits vorhandene Belastung gemindert oder zumindest gebremst wird, zum anderen sichergestellt werden kann, dass eine solche Belastung gar nicht erst auftritt.In this first bioreactor, for example, whey is introduced from a cheese factory and removed the interfering copper from it. If the whey is heavily loaded, for example because it was already stored, the whey may also be added to the microbial mixture here. If the whey is only slightly loaded or fresh, the whey may also be added to hops before it is introduced into the first bioreactor, preferably 100 g of hops per hectolitre of whey, so that on the one hand an already existing load is reduced or at least slowed down, on the other hand it can be ensured that such a burden does not occur at all.
Die so vorbereitete Molke wird dann in einen zweiten Bioreaktor überführt, in dem die in der Molke enthaltene Laktose mittels Laktase in Glukose und Galaktose aufgespalten wird. Dazu können des weiteren Kluyveromyces - Hefen in dem zweiten Bioreaktor vorgesehen sein, die zum einen ebenfalls eine Aufspaltung von Laktose in Glukose und Galaktose bewirken, zum anderen aber auch dazu fähig sind, Galaktose in Glukose umzuwandeln. In einem dritten Bioreaktor, in den die Glukosemischung eingeleitet wird, sind Mikroorganismen, insbesondere Hefen oder Gärbakterien vorhanden, die eine Umwandlung von Glukose mittels alkoholischer Gärung in Ethanol bewirken. Das so produzierte Ethanol wird dann vorzugsweise mittels einer Membran aus der Glukosemischung abgeschieden. Besonders bevorzugt ist eine Bioreaktorenanordnung, bei der die einzelnen Bioreaktoren mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht beschichtet sind, und ein oder mehrere Aussparungen zum Durchtritt der Molke in das Innere des Bioreaktors aufweisen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn in dem Bioreaktor ein Füllkörper mit Aktivkohle vorhanden ist, der die Reaktionsoberfläche vergrößert, wobei sich an dem Füllkörper bevorzugt Kupfer abscheidet oder Mikroorganismen für die Ethanolherstel- lung ansiedeln und Enzyme immobilisiert werden können. Ganz besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Bioreaktoren, bei der sich eine längsstreifenförmige photokatalytische Beschichtung mit einer längsstreifenförmigen Diamantbeschichtung abwechselt.The whey prepared in this way is then transferred to a second bioreactor in which the lactose contained in the whey is broken down into glucose and galactose by means of lactase. For this purpose, further Kluyveromyces - yeasts may be provided in the second bioreactor, which on the one hand also cause a breakdown of lactose into glucose and galactose, on the other hand, but are also able to convert galactose into glucose. In a third bioreactor into which the glucose mixture is introduced, there are microorganisms, in particular yeasts or fermenting bacteria, which bring about a conversion of glucose by means of alcoholic fermentation into ethanol. The ethanol thus produced is then preferably separated from the glucose mixture by means of a membrane. Particularly preferred is a bioreactor arrangement in which the individual bioreactors are coated with a photocatalytically active layer, and have one or more recesses for the passage of the whey into the interior of the bioreactor. In addition, it is advantageous if in the bioreactor, a filler with activated carbon is present, which increases the reaction surface, wherein deposited on the filler preferably copper or settle microorganisms for ethanol production and enzymes can be immobilized. Especially advantageous is an embodiment of the bioreactors in which a longitudinal strip-shaped photocatalytic coating alternates with a longitudinal strip-shaped diamond coating.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele und Vorteile sind in den Unteransprüchen definiert.Further preferred embodiments and advantages are defined in the subclaims.
Im folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand von Figuren noch näher erklärt. Dabei sind die Figuren rein exemplarisch und sollen nicht dazu verwendet werden, den Rahmen der Patentansprüche auf die gezeigten Ausführungsbeispiele einzuschränken.In the following, particularly preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to figures. The figures are purely exemplary and should not be used to limit the scope of the claims to the embodiments shown.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 : eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung, bei dem drei Bioreaktoren in Reihe hintereinander geschaltet sind, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Ethanolherstellung aus Molke auszuführen; undFigure 1 is a schematic drawing of a preferred embodiment of the present invention, in which three bioreactors are connected in series in series to carry out the process according to the invention for producing ethanol from whey; and
Figur 2: eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Bioreaktors für das erfindungsgemäße Verfahren.Figure 2: a schematic drawing of a preferred embodiment of a bioreactor for the inventive method.
Figur 3: eine schematische Zeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Ethanolherstellung aus Molke auszuführen.FIG. 3 shows a schematic drawing of a further exemplary embodiment of the present invention in order to carry out the process according to the invention for producing ethanol from whey.
Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Anordnung 1 von Bioreaktoren 2a-c für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um Ethanol aus Molke herzustellen, wird Molke, die sonst als Abfallprodukt von Käsereien entsteht, weiterbehandelt. Dazu wird die Molke aus einem Lager- oder Anliefertank 4 über eine erste Leitung 6 in die Anordnung 1 von Bioreaktoren 2a-c überführt. Es ist aber auch möglich direkt an der Käserei selbst eine solche Anlage oder zumindest einen Bioreaktor für die Ethanolherstellung vorzusehen. Dann könnte die Molke direkt über die Leitung 6 aus der Käserei in die Anordnung 1 geleitet werden, ohne dass ein Tank 4 erforderlich wäre.Figure 1 shows a preferred embodiment of an arrangement 1 of bioreactors 2a-c for carrying out the method according to the invention. In order to produce ethanol from whey, whey, which is otherwise produced as a waste product by cheese dairies, is treated further. For this purpose, the whey is transferred from a storage or delivery tank 4 via a first line 6 in the arrangement 1 of bioreactors 2a-c. But it is also possible to provide directly to the cheese factory itself such a system or at least a bioreactor for ethanol production. Then the whey could be passed directly through the line 6 from the cheese factory in the arrangement 1, without a tank 4 would be required.
Um eine bakteriologische Belastung der Molke zu verhindern oder eine solche zu verringern, kann der Molke in dem Tank 4 Hopfen, vorzugsweise 100g Hopfen / hl Molke zugegeben werden. Hopfen wirkt mykotisch selektiv und unterdrückt die grampositiven Bakterien, wodurch sich in der Molke enthaltene Fremdkeime nicht weiter vermehren können. Dies bewirkt zudem, dass vor allem die Zuckerverstoffwechselnden Bakterien, die die Ethanolausbeute aufgrund der Zuckergehaltreduzierung verringern, in ihrer Vermehrung gehindert werden. Dabei kann Hopfen als Gesämtstoff zugegeben werden, es ist jedoch auch möglich nur die für die bakteriostatische Wirkung des Hopfens nötigen ß - Säuren des Hopfens als Hopfenauszug der Molke zuzugeben.In order to prevent or reduce a bacteriological load on the whey, the whey in the tank can be added to 4 hops, preferably 100 g hops / hl whey. Hops are mycotically selective and suppress the gram-positive bacteria, which means that foreign germs contained in the whey can no longer multiply. This also means that especially the Zuckerverstoffwechselden bacteria that reduce the ethanol yield due to Zuckergehaltreduzierung be prevented in their multiplication. It is possible to add hops as total substance, but it is also possible to add only the ß - acids of the hops necessary for the bacteriostatic effect of the hops as a hop extract of the whey.
Ist die Molke bereits stark mit Fremdkeimen belastet, ist es zudem vorteilhaft der Molke eine mikrobiotische Mischung aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen zuzugeben. Diese mikrobiotische Mischung ist auch dazu geeignet, in der Molke vorhandene Schimmelpilze zu beseitigen.If the whey is already heavily contaminated with foreign germs, it is also advantageous for the whey to add a microbiotic mixture of photosynthetically active microorganisms and light-emitting microorganisms. This microbiotic mixture is also suitable for removing mold in the whey.
In einem ersten Bioreaktor 2a wird die Molke von Hemmstoffen für die Ethanolherstellung getrennt. Dies kann, insbesondere beim Vorhandensein von Kupfer, über Elektrolyse erfolgen. Zudem kann in dem Bioreaktor 2a die Zugaben der mikrobioti- schen Mischung erfolgen. Für die Elektrolyse ist eine Elektrolysevorrichtung 8 vorgesehen, an der die Kupferionen an der Anode abgeschieden werden. Die Elektrolysevorrichtung kann auch als beschichteter Bioreaktor mit Füllkörper ausgebildet sein, bei dem sich durch eine abwechselnde Beschichtung aus Diamant und bspw. Titandioxid und einer Aktivkohlebeschichtung des Füllkörpers ein elektrisches Feld bildet. Der Füllkörper kann die Form einer Spindel aufweisen, die wiederum die Beschichtung aus Aktivkohle besitzt. Eine schematische Darstellung eines solchen Bioreaktors mit Füllkörper wird detailliert in Figur 2 beschrieben. Da dieses elektrische Feld jedoch recht schwach ist, sollte für ein gutes Ergebnis eine externe Stromquelle für die Elektrolyse verwendet werden. Dazu wird ein schwacher Strom zwischen 400 und 600 mA, bzw. 0,3 - 2,6 V, vorzugsweise 1 ,9 V, angelegt, und der Füllkörper als Anode verwendet.In a first bioreactor 2a, the whey is separated from inhibitors for ethanol production. This can be done via electrolysis, especially in the presence of copper. In addition, additions of the microbiotic mixture can take place in the bioreactor 2a. For the electrolysis, an electrolysis device 8 is provided, at which the copper ions are deposited at the anode. The electrolysis apparatus can also be designed as a coated bioreactor with filler body, in which an electric field is formed by an alternating coating of diamond and, for example, titanium dioxide and an activated carbon coating of the filler body. The filler may have the form of a spindle, which in turn has the coating of activated carbon. A schematic representation of such a bioreactor with packing is described in detail in FIG. However, since this electric field is quite weak, an external power source for the electrolysis should be used for a good result. For this purpose, a weak current between 400 and 600 mA, or 0.3 to 2.6 V, preferably 1, 9 V, applied, and the filler used as the anode.
Da die Kupferionen nicht frei in der Molke vorhanden sind, sondern an die schon in der Molke enthaltenen für die Aufspaltung von Laktose in Glukose und Galaktose verantwortlichen Laktaseenzyme gebunden sind, ist es sinnvoll diese Enzyme wieder zurück zu gewinnen, um nicht unnötig viele Enzyme im darauf folgenden Verfahrensschritt der Laktoseaufspaltung einsetzen zu müssen. Dazu wird der angelegte Strom abgeschaltet und eine Spannungsumkehr initialisiert, worauf sich die Enzyme von dem Füllkörper lösen, während die Kupferionen noch am Füllkörper bleiben. Wird zur gleichen Zeit die so behandelte Molke aus dem ersten Bioreaktor 2a über eine weitere Leitung 10 entfernt, befinden sich in der Molke die Laktaseenzyme, aber keine bzw. verschwindend wenige Kupferionen.Since the copper ions are not freely present in the whey, but are bound to the already contained in the whey for the breakdown of lactose in glucose and galactose responsible lactase enzymes, it makes sense to recover these enzymes back to not unnecessarily many enzymes in it To have to use the following process step of Laktoseaufspaltung. For this purpose, the applied current is turned off and initialized a voltage reversal, whereupon the enzymes dissolve from the packing, while the copper ions remain on the packing. If, at the same time, the whey thus treated is removed from the first bioreactor 2a via a further line 10, the lactase enzymes are present in the whey, but no or vanishingly few copper ions.
Kommt die Molke direkt aus der Käserei, hat sie meist eine Temperatur von 45 0C - 55 0C. Für die Elektrolyse spielt die Temperatur keine Rolle, so dass der Bioreaktor 2a nicht mit einer Temperaturkontrolleinheit ausgerüstet werden muss.The whey comes directly from the cheese factory, it usually has a temperature of 45 0 C - 55 0 C. For the electrolysis, the temperature does not matter, so that the bioreactor 2a does not need to be equipped with a temperature control unit.
Zusätzlich kann die Molke im Bioreaktor 2a noch aufkonzentriert werden. Das heißt, überschüssiges Wasser wird aus der Molke entfernt, so dass eine hohe Laktosekonzentration erreicht wird.In addition, the whey in the bioreactor 2a can still be concentrated. That is, excess water is removed from the whey, so that a high lactose concentration is achieved.
Ist die Molke aufbereitet, wird sie über die zweite Leitung 10 in einen weiteren Bioreaktor 2b geleitet. Dort findet eine Aufspaltung von Laktose in ihre beiden Bestandteile Glukose und Galaktose statt. Vorzugsweise geschieht dies bei einer Temperatur von 30 0C bis 35 0C. Ist die Molke nicht schon auf diese Temperatur abgekühlt, weil sie beispielsweise direkt aus der Käserei kommt, oder noch zu kalt, muss dem Bioreaktor 2b ein Kühl- bzw. Heizaggregat (hier nicht dargestellt) vorgeschaltet oder in den Bioreaktor integriert sein, das die Molke vor der Aufspaltung der Laktose auf die gewünschte Temperatur bringt. Weiterhin kann auch in dem Bioreaktor selbst ein Temperaturfühler (hier nicht dargestellt) angeordnet sei, der die Reaktionstemperatur ständig überwacht.Once the whey has been processed, it is passed via the second line 10 into another bioreactor 2b. There is a splitting of lactose into its two components glucose and galactose instead. Preferably, this is done at a temperature of 30 0 C to 35 0 C. If the whey is not already cooled to this temperature, because it comes, for example, directly from the cheese factory, or too cold, the bioreactor 2b a cooling or heating unit ( not shown here) or integrated into the bioreactor, which brings the whey to the desired temperature before the breakdown of the lactose. Furthermore, a temperature sensor (not shown here) can also be arranged in the bioreactor itself, which constantly monitors the reaction temperature.
Für die Laktoseaufspaltung selbst sind Enzyme - die sogenannte Laktase - zuständig, die vorteilhafterweise in einem in dem Bioreaktor aufgenommen in einem Behälter 12 beinhalteten Füllkörper immobilisiert sind. Ein genauer Aufbau des Bio- reaktors wird in Figur 2 beschrieben. Der Füilkörper vergrößert zum einen die Reaktionsfläche und zum anderen stellt er eine einfache Möglichkeit bereit, auch bei der Verwendung von nur einem einzigen Bioreaktor durch einfachen Austausch der Füllkörper von dem Bioreaktor für Schritt B - also der Aufspaltung von Laktose - auf einen Bioreaktor für Schritt C - Ethanolherstellung - umzurüsten.For the Laktoseaufspaltung itself are enzymes - the so-called lactase - responsible, which are advantageously immobilized in a contained in the bioreactor contained in a container 12 filler. An exact structure of the organic Reactor is described in Figure 2. The Füilkörper increases on the one hand the reaction surface and on the other hand it provides a simple way, even with the use of a single bioreactor by simply replacing the packing from the bioreactor for step B - ie the splitting of lactose - to a bioreactor for step C. - Ethanol production - retrofit.
Als Enzym wird Laktase verwendet, das vorteilhafterweise durch KluyveromycesThe enzyme used is lactase, which is advantageously produced by Kluyveromyces
- Hefen bereitgestellt wird. Der große Vorteil an der Verwendung von Kluyveromyces- Yeasts is provided. The big advantage of using Kluyveromyces
- Hefen ist, dass durch die von ihnen bereitgestellte Laktase nicht nur eine Aufspaltung von Laktose in Glukose und Galaktose erreicht wird, sondern auch eine Umwandlung von Galaktose in Glukose möglich ist. Dies ist für die Ethanolherstellung von entscheidendem Vorteil, da dadurch der Glukosegehalt und damit die Menge des Ethanol gesteigert wird.- Yeasts is that the lactase they provide not only a breakdown of lactose in glucose and galactose is achieved, but also a conversion of galactose into glucose is possible. This is of decisive advantage for the production of ethanol since it increases the glucose content and thus the amount of ethanol.
Vorteilhafterweise werden weniger als 10 mg/l Enzyme, optimalerweise 1 mg/l Enzyme der Molke zugegeben. Während einer vorteilhaften Dauer von 8 bis 10 Stunden, spalten dann die Enzyme Laktose zu Glukose und Galaktose auf. Während weiterer 14 - 16 Stunden erfolgt dann auch die Umwandlung von Galaktose in Glukose.Advantageously, less than 10 mg / l of enzymes, optimally 1 mg / l enzymes of whey are added. During an advantageous period of 8 to 10 hours, the enzymes then break down lactose into glucose and galactose. During another 14 - 16 hours, the conversion of galactose into glucose takes place.
Als Ergebnis erhält man eine relativ hochkonzentrierte Glukosemischung, die zur weiteren Bearbeitung in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine dritte Leitung 14 in einen weiteren Bioreaktor 2c überführt wird. Wie eingangs bereits erwähnt, können auch die Bioreaktoren 2b und 2c integral ausgebildet sein. In diesem würde jetzt ein Austausch der Füllkörper vorgenommen werden, um den Bioreaktor auf den Gärprozess umzurüsten.As a result, a relatively highly concentrated glucose mixture is obtained which, for further processing in the embodiment shown here, is transferred via a third line 14 into a further bioreactor 2c. As already mentioned, the bioreactors 2b and 2c can also be integrally formed. This would now be a replacement of the filler be made to retrofit the bioreactor to the fermentation process.
Der Bioreaktor 2c ist mit einem Füllkörper 16 ausgestattet, der als für die Gärung verwendete Mikroorganismen Hefe oder Bakterien enthalten kann. Da beide Gärprozesse nicht bei gleichen Temperaturen stattfinden, ist zwar ein gleichzeitiges Vorhandensein der zwei Mikroorganismenarten im Füllkörper möglich, aktiv sind jedoch nur die Mikroorganismen, für die die entsprechende Temperatur angelegt ist. So findet eine alkoholische Gärung mittels Hefen bei einer Temperatur von weniger als 25 0C1 vorzugsweise zwischen 8 0C und 100C, statt, während die Gärung mit Hilfe von Bakterien, insbesondere Thermoanaerobacter ethanolicus, bei 60 0C bis 65°C stattfindet. Um die Temperatur genau zu steuern, kann dem Bioreaktor 2c ein Kühloder Heizaggregat (hier nicht dargestellt) vorgeschaltet oder in ihn integriert sein. Ebenso kann eine Temperaturmessvorrichtung vorhanden sein, die kontrolliert, ob die Temperatur den Anforderungen entspricht.The bioreactor 2c is equipped with a packing 16 which may contain yeast or bacteria as microorganisms used for fermentation. Since both fermentation processes do not take place at the same temperatures, a simultaneous presence of the two types of microorganisms in the packing is possible, but only the microorganisms for which the corresponding temperature is applied are active. Thus, an alcoholic fermentation by means of yeasts at a temperature of less than 25 0 C 1, preferably between 8 0 C and 10 0 C, instead, while the fermentation with the aid of bacteria, especially Thermoanaerobacter ethanolicus, takes place at 60 0 C to 65 ° C. , To precisely control the temperature, the bioreactor 2c may be preceded or integrated with a cooling or heating unit (not shown). Likewise, a temperature measuring device may be present, which controls whether the temperature meets the requirements.
Die Gärmikroorganismen sind durch den Füllkörper 14 in dem Bioreaktor 2c immobilisiert, der gleichzeitig eine vergrößerte Reaktionsfläche zur Verfügung stellt.The microorganisms are immobilized by the packing 14 in the bioreactor 2c, which simultaneously provides an increased reaction area.
Da der Gärprozess durch eine zu hohe Alkoholkonzentration gehemmt wird, muss das schon produzierte Ethanol aus dem Bioreaktor 2c entfernt werden. Dies kann vorteilhafterweise über eine hier nicht dargestellte Diffusionsmembran geschehen. Es ist aber auch der Einsatz einer speziellen Destillationsmembran vorstellbar, die jedoch relativ teuer ist. Idealerweise sollte die Alkoholkonzentration 12 % nicht übersteigen.Since the fermentation process is inhibited by an excessively high alcohol concentration, the already produced ethanol must be removed from the bioreactor 2c. This can advantageously be done via a diffusion membrane, not shown here. But it is also conceivable to use a special distillation membrane, which is relatively expensive. Ideally, the alcohol concentration should not exceed 12%.
Das hergestellte Ethanol kann anschließend über eine weitere Leitung 18 einem Lagertank 20 zugeführt werden.The ethanol produced can then be fed via a further line 18 to a storage tank 20.
Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Bioreaktors der aus einem Behälter 22 und einem Füllkörper 24 besteht. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Behälter 22 zylinderförmig ausgebildet, er kann jedoch auch beliebige andere Formen aufweisen. Die Seitenwände des Behälters 22 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Edelstahl hergestellt und partiell mit einer photokatalytisch wirkenden Beschichtung 26 versehen sein. Diese Be- schichtung 26 kann an der Innenumfangswand des Behälters 22 und/oder - wie in Figur 2 gezeigt - an der Außenwand 28 ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 22 aus V4A - Stahl hergestellt und mit einer Titandioxid-Beschichtung versehen. Anstelle dieses Titandioxids kann auch Indiumzinnoxid oder dergleichen verwendet werden. Die Außenwand 28 des Behälters 22 ist mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 30 versehen, so dass die umzuwandelnde Molke ins Innere des Behälters 22 gelangen kann. Diese Durchbrüche 30 können beispielsweise gestanzt sein, wobei es von Vorteil ist, wenn dann die Stanzgrate nach Innen vorstehen. Die untere Stirnfläche 32 des Behälters kann verschlossen sein, so dass das Einströmen der Molke in den Behälter 22 im Wesentlichen in Radialrichtung erfolgt. Die obere Stirnfläche kann ebenfalls verschlossen sein. In dem Fall, in dem die obere Fläche oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt, kann auf ein Verschließen verzichtet werden.Figure 2 shows a schematic diagram of a preferred embodiment of the bioreactor consisting of a container 22 and a packing 24. In this embodiment, the container 22 is cylindrical, but it may also have any other shapes. The side walls of the container 22 are made of stainless steel in the illustrated embodiment and partially be provided with a photocatalytic coating 26. This coating 26 may be formed on the inner peripheral wall of the container 22 and / or - as shown in Figure 2 - on the outer wall 28. In the illustrated embodiment, the container 22 is made of V4A steel and provided with a titanium dioxide coating. Instead of this titanium dioxide, indium tin oxide or the like can also be used. The outer wall 28 of the container 22 is provided with a plurality of apertures 30, so that the whey to be converted can reach the interior of the container 22. These breakthroughs 30 may be stamped, for example, and it is advantageous if then the burrs protrude inwards. The lower end face 32 of the container may be closed, so that the inflow of the whey into the container 22 takes place substantially in the radial direction. The upper end face can also be closed. In the case where the upper surface is above the liquid level, sealing may be dispensed with.
Im Innenraum des Behälters 22 ist ein auswechselbarer Füllkörper 24 aufgenommen, der, wie in der Aufrissdarstellung gezeigt, eine spiralförmige Struktur auf- weist. Dieser Füllkörper 24 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Träger 34, der beispielsweise ein spiralförmig gewendetes Edelstahlblech sein kann. Auf diesem hier gezeigten schraubenlinienförmig gewendelten Träger 34 aus Edelstahl ist beidseitig ein Schaummaterial, beispielsweise ein PU-Schaum aufgebracht, der mit Aktivkohle und ggfs. Nano-Composite-Material beschichtet oder versetzt ist. Durch den PU-Schaum wird ein Porensystem gebildet, dessen Wandungen mit Aktivkohle beschichtet sind, so dass eine große Stoffaustauschfläche zur Verfügung gestellt wird.In the interior of the container 22, a replaceable filling body 24 is received, which, as shown in the elevational view, a spiral-shaped structure on has. In the illustrated embodiment, this filling body 24 consists of a support 34, which may be, for example, a spirally turned stainless steel sheet. On this helical spiral support 34 made of stainless steel shown here, a foam material, for example a PU foam, is applied to both sides, which is coated or mixed with activated carbon and, if necessary, nano-composite material. The PU foam forms a pore system, the walls of which are coated with activated carbon, so that a large mass transfer area is provided.
Konkret besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Träger 34 aus einem zwei bis drei Millimeter starkem VA-Gitterkörper, wobei die wendeiförmige Struktur durch zwei Gitterflächen gebildet ist, zwischen denen ein halbharter, offen- zelliger PU-Schaum mit Aktivkohlebeschichtung eingebracht ist. Die auf der nach unten gerichteten Seite der Wendel angeordneten Gitterstäbe 36 sind mit einer pho- tokatalytischen Oberfläche versehen, die Maschenweite beträgt an diesen nach unten weisenden Großflächen ca. 10 - 12 mm. An den die nach oben weisende Großfläche der Wendel bildenden Gitterstäben ist keine Beschichtung vorgesehen. Die Maschenweite beträgt hier etwa 25 bis 30 mm.Specifically, in the illustrated embodiment, the carrier 34 consists of a two to three millimeters thick VA grid body, wherein the helical structure is formed by two grid surfaces, between which a semi-hard, open-cell PU foam is introduced with activated carbon coating. The arranged on the downward side of the helix bars 36 are provided with a photocatalytic surface, the mesh size is at these down facing large areas about 10 - 12 mm. At the the upwardly facing large area of the spiral forming bars is no coating provided. The mesh size here is about 25 to 30 mm.
Die eingangs genannten Mikroorganismen und Enzyme können zentral über einen Dosierschlauch in das Zentrum des spiralförmigen Füllkörpers 24 eingebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Mikroorganismen und Enzyme mit Nano- Composite-Materialien bereits bei der Herstellung des Füllkörpers 24 ins Porensystem einzubringen. Sehr Erfolgs versprechend waren Versuche, bei denen die Mikroorganismen bzw. Enzyme und Nano-Composite-Materialien in Chitosan gelöst und diese mit den Nano-Composite-Materialien versetzte Mischung dann - beispielsweise durch Tränken - auf den Füllkörper aufgebracht wird, so dass ein kontinuierliches Zuführen von Mikroorganismen bzw. Enzymen entfällt und lediglich in regelmäßigen Abständen ein Austausch des Füllkörpers 24 erforderlich ist.The microorganisms and enzymes mentioned above can be introduced centrally via a dosing hose into the center of the spiral-shaped filling body 24. However, it is also possible to introduce these microorganisms and enzymes with nanocomposite materials already in the production of the filler 24 in the pore system. Very promising have been experiments in which the microorganisms or enzymes and nanocomposite materials are dissolved in chitosan and this mixture added with the nano-composite materials is then applied to the filler, for example by impregnation, so that continuous feeding of microorganisms or enzymes deleted and only at regular intervals replacement of the filler 24 is required.
Der PU-Schaum ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf der nach unten weisenden Seite der Wendel mit einem gelartigen Material aus Chitosan beschichtet. In diesem Chitosan sind die Nano-Composite-Materialien eingebettet, welche jeweils ein piezoelektrisches Keramik-System aus PZT-Ku rzfasern mit photokata- lytischen Beschichtungen darstellt. Ferner sind für die Gärung verantwortliche Mikroorganismen bzw. Laktase produzierende Kluyveromyces - Hefen mit eingebettet. Der Behälter 22 ist sowohl an seiner Innenfläche als auch an seiner Außenfläche mit der photokatalytisch wirksamen Schicht 26 - also beispielsweise dem Titandioxid - beschichtet. Diese Schicht ist an der Innenfläche, d. h. an der dem Füllkörper 34 zugewandten Seite vollständig aufgetragen, während an der Außenfläche das Titandioxid in Form von Streifen 26 aufgebracht ist, zwischen denen Bereiche verbleiben, die mit einer Diamantbeschichtung 38 versehen sind.The PU foam is coated in the embodiment shown here on the downwardly facing side of the helix with a gel-like material of chitosan. In this chitosan, the nano-composite materials are embedded, each of which is a piezoelectric ceramic system of PZT Kr cfasern with photocatalytic lytic coatings. Furthermore, microorganisms or lactase-producing Kluyveromyces yeasts are also embedded in the fermentation. The container 22 is coated both on its inner surface and on its outer surface with the photocatalytically active layer 26 - so for example, the titanium dioxide. This layer is completely applied to the inner surface, that is to say on the side facing the filler body 34, while on the outer surface the titanium dioxide is applied in the form of strips 26, between which regions which are provided with a diamond coating 38 remain.
Eine derartige Diamantbeschichtung 38 lässt sich synthetisch herstellen, indem Methan und Wasserstoff sowie eine geeignete Trägersubstanz aus beispielsweise Niob, Silizium oder Keramik in einer Vakuumkammer auf Temperaturen bis etwa 2000° erhitzt werden. Es kommt dann zu einer Reaktion, bei der sich ein Diamantgitter auf der Trägersubstanz ausbildet. Diese Beschichtung 38 wird dann auf der Außenwand 28 des Behälters 22 aufgebracht, so dass mit einer photokatalytisch wirksamen 26 und mit einer Diamantschicht 38 versehene Bereiche nebeneinander liegen. Diese Bereiche 26, 38 verlaufen in Längsrichtung des Behälters 22. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Breite der Streifen 26 etwa dem Abstand von vier lochförmigen Durchbrüchen 30, während die Breite der Bereiche 38 wesentlich kleiner ist und etwa dem Abstand zwischen zwei benachbarten Durchbrüchen 30 entspricht.Such a diamond coating 38 can be produced synthetically by heating methane and hydrogen and a suitable carrier substance, for example niobium, silicon or ceramic, in a vacuum chamber to temperatures of up to approximately 2000 °. It then comes to a reaction in which a diamond lattice is formed on the carrier. This coating 38 is then applied to the outer wall 28 of the container 22, so that with a photocatalytically active 26 and provided with a diamond layer 38 areas adjacent to each other. These areas 26, 38 extend in the longitudinal direction of the container 22. In the illustrated embodiment, the width of the strips 26 corresponds approximately to the distance of four hole-shaped openings 30, while the width of the areas 38 is substantially smaller and approximately equal to the distance between two adjacent openings 30 ,
Im Zusammenwirken mit der katalytischen Beschichtung des Behälters 22 und der vorbeschriebenen Beschichtung und der darin vorhanden Aktivkohle des wendeiförmigen Füllkörpers 24, stellt sich ein vergleichsweise starkes elektromagnetisches Feld ein. Die entstehende Potentialdifferenz liegt an den mit der Diamantbeschichtung 38 versehenen Bereichen an, die dann als Diamantelektroden wirken. Diese Spannung kann dafür eingesetzt werden, die in der Molke enthalten Kupferionen an der als Anode wirkenden Elektrode abzuscheiden. Zusätzlich kann auch eine externe Stromquelle vorhanden sein, die die Elektrolyse von Kupfer aktiv unterstützt. Einzelheiten über das durch die Beschichtung entstehende elektromagnetische Feld sind in der älteren Anmeldung DE 103 30 959.4 offenbart, so dass diesbezügliche weitere Erläuterungen entbehrlich sind.In cooperation with the catalytic coating of the container 22 and the above-described coating and the activated carbon therein of the helical filling body 24, a comparatively strong electromagnetic field arises. The resulting potential difference is applied to the regions provided with the diamond coating 38, which then act as diamond electrodes. This voltage can be used to deposit the copper ions contained in the whey at the anode acting as an electrode. In addition, an external power source can be present, which actively supports the electrolysis of copper. Details about the electromagnetic field resulting from the coating are disclosed in the earlier application DE 103 30 959.4, so that further explanations in this respect are unnecessary.
Figur 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bei dem Ethanol aus Molke gewonnen wird. Aus einem Tank 31 mit Rohmolke, der Hopfen in einem Verhältnis von vorzugsweise 100g/hl zugegeben wird, wird die Molke in einen aeroben Schlaufenreaktor 32, der oben bereits beschriebenen Art eingeleitet. Ist die Molke stark belastet kann in dem aeroben Schlaufenreaktor der Molke die eingangs beschriebene mikrobiotische Mischung 33 zugegeben werden. Des weiteren kann in dem Schlaufenreaktor einen Demineralisierung der Molke stattfinden. Insbesondere Kalium, aber auch Salze, wie beispielsweise NaCI beeinflussen die Gärung und können diese teilweise stark behindern.FIG. 3 schematically shows a further embodiment of the present invention in which ethanol is obtained from whey. From a tank 31 of raw whey added to hops in a ratio of preferably 100 g / hl, the whey is introduced into an aerobic loop reactor 32 of the type already described above. If the whey is heavily loaded, the microbial mixture 33 described above can be added to the aerobic loop reactor of the whey. Furthermore, demineralization of the whey can take place in the loop reactor. In particular, potassium, but also salts, such as NaCl affect the fermentation and can sometimes hinder this strong.
Die so behandelte Molke wird dann in ein Pufferbecken 34 überführt, in dem Molke aus dem Schlaufenreaktor gesammelt wird, um für den weiteren Prozess zur Verfügung zu stehen. Dabei kann Molke aus verschiedensten Molkereien zusammengeführt werden, so dass vorteilhafterweise zudem eine Stabilisierung der Molke erfolgt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in dem Pufferbehälter eine Molke mit einem bestimmten Laktosegehalt vorhanden ist. Dazu kann die eingeleitete Molke entweder verdünnt oder aufkonzentriert werden.The whey thus treated is then transferred to a buffer tank 34 in which whey is collected from the loop reactor to be available for further processing. In this case, whey can be brought together from a wide variety of dairies, so that advantageously also a stabilization of the whey takes place. It is particularly advantageous if a whey with a certain lactose content is present in the buffer container. For this purpose, the introduced whey can either be diluted or concentrated.
In einem weiteren Behälter 35, wird der pH-Wert der Molke auf den für die nachfolgende Enzymbehandlung nötigen Wert zwischen pH 5 - 7, 5, insbesondere pH = 5,8 - 6,3 angehoben. Die Enzymbehandlung und die Aufspaltung von Laktose und Galaktose in Glukose ist bereits oben beschrieben worden.In a further container 35, the pH of the whey is raised to the value necessary for the subsequent enzyme treatment, between pH 5 - 7, 5, in particular pH = 5.8 - 6.3. The enzyme treatment and the breakdown of lactose and galactose into glucose has already been described above.
Nachfolgend werden in einer Membranfiltrationsanlage 36 noch etwagig vorhanden Kleinstteile aus der Molke entfernt, um ein besonders gutes Gärergebnis zu erzielen.Subsequently, in a membrane filtration system 36, some tiny particles are removed from the whey in order to achieve a particularly good fermentation result.
Die so vorbehandelte Molke - eigentlich inzwischen das glukosehaltiges Fluid - wird nun in ein Gärbehälter 37 überführt, in dem Gärhefe, die vorzugsweise in einem Hefefermenter 38 vorbehandet wurde, zugegeben wird. Nach der Gärung erfolgt in einem weiteren Behälter 39 die Hefeabsetzung, um Ethanol in möglichst reiner Form zu erhalten. Daraufhin wird das so erhaltene Ethanol in einen weiteren Behälter 40 überführt, in dem die letzten Reste von Hefe und Zucker zu Ethanol vergoren werden.The thus pretreated whey - actually now the glucose-containing fluid - is now transferred to a fermentation tank 37, in the fermentation yeast, which was preferably pretreated in a yeast fermenter 38, is added. After fermentation is carried out in another container 39, the yeast deposition in order to obtain ethanol in the purest possible form. Thereafter, the ethanol thus obtained is transferred to another container 40 in which the last residues of yeast and sugar are fermented to ethanol.
Offenbart ist ein Verfahren zum Abbau gärhemmender Stoffe in einem Fluid das saccharidhaltige Stoffe enthält, wobei in das Fluid eine mikrobiotische Mischung, insbesondere eine Mischung aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen, eingebracht ist, die dazu ausgelegt ist, die gärhemmenden Stoffe abzubauen. Disclosed is a method for degrading gärhemmender substances in a fluid containing saccharide-containing substances, wherein in the fluid, a microbiotic mixture, in particular a mixture of photosynthetic microorganisms and light-emitting microorganisms, introduced, which is designed to degrade the gärhemmenden substances.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zum Abbau gärhemmender Stoffe in einem Fluid das saccharidhaltige Stoffe enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in das Fluid eine mikrobiotische Mischung, insbesondere eine Mischung aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen, eingebracht ist, die dazu ausgelegt ist, die gärhemmenden Stoffe abzubauen.1. A method for degrading gärhemmender substances in a fluid containing saccharide-containing substances, characterized in that in the fluid a microbiotic mixture, in particular a mixture of photosynthetic microorganisms and light-emitting microorganisms, is introduced, which is adapted to degrade the gärhemmenden substances ,
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die mikrobiotische Mischung dem Fluid zugegeben wird.2. The method of claim 1, wherein the microbiotic mixture is added to the fluid.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , die in dem Fluid enthaltenen saccharidhaltigen Stoffe mit der mikrobiotischen Mischung vorbehandelt werden, um in das Fluid eingebracht zu werden.3. The method of claim 1, pretreating the saccharide-containing materials contained in the fluid with the microbiotic mixture to be introduced into the fluid.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei das Fluid aus Lebensmitteln, und/oder Lebensmittelrückständen besteht.4. The method of claim 1, 2 or 3, wherein the fluid consists of food, and / or food residues.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Fluid Molke ist.5. The method of claim 4, wherein the fluid is whey.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Fluid Most, insbesondere aus Trauben oder Obst, oder Maische, insbesondere aus Gerste, ist.6. The method of claim 4, wherein the fluid is must, in particular from grapes or fruit, or mash, in particular from barley.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dem Most und/oder der Gerste zugrunde liegenden Stoffe mit der mikrobiotischen Mischung vorbehandelt werden.7. The method of claim 6, wherein the must and / or the barley underlying substances are pretreated with the microbiotic mixture.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in der mikrobiotischen Mischung enthaltenen photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen Prochlorophyten, Cyanobakterien, grüne Schwefelbakterien, Purpurbakterien, Chloroflexusähnliche Formen, Heliobakterien und Heliobacillusähnliche Formen, sowie Mischungen aus zwei oder mehr daraus sind.A method according to any preceding claim, wherein the photosynthetic microorganisms contained in the microbiotic mixture are prochlorophytes, cyanobacteria, green sulfur bacteria, purple bacteria, chloroflexus-like forms, heliobacteria and heliobacillus-like forms, and mixtures of two or more thereof.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in der mikrobiotischen Mischung enthaltenen Licht emittierenden Mikroorganismen Photo- bakterium phosphoreum, Vibrio fischeri Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera oder Beneckea oder Mischungen aus zwei oder mehr daraus sind. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the light-emitting microorganisms contained in the microbiotic mixture are Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera or Beneckea or mixtures of two or more thereof.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikrobioti- sche Mischung des weiteren Pflanzenextrakte, Enzyme, Spurenelemente, Polysaccharide, Alginderivate und/oder andere Mikroorganismen einzeln oder in Kombination enthält.10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the microbial mixture of the further plant extracts, enzymes, trace elements, polysaccharides, alginates and / or other microorganisms contains individually or in combination.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Fluid Hopfen und/oder Hopfenauszüge zugegeben werden.11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the fluid hops and / or hop extracts are added.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren bei der Ethanolherstellung zum Abbau von gärhemmenden Stoffen eingesetzt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method is used in the production of ethanol for the degradation of gärhemmenden substances.
13. Verfahren zur Herstellung von Ethanol dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbau von Gärhemmende Stoffen ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.13. A process for the production of ethanol, characterized in that for the degradation of fermentation inhibiting substances, a method according to any one of claims 1 to 12 is performed.
14. Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Molke gekennzeichnet durch folgende Schritte14. A process for the production of ethanol from whey characterized by the following steps
A. Entfernen von Hemmstoffen, insbesondere Kupfer, aus der Molke;A. removing inhibitors, in particular copper, from the whey;
B. Umwandeln von in der Molke enthaltener Laktose in Glukose;B. converting lactose contained in the whey into glucose;
C. Zugeben von Mikroorganismen, insbesondere Hefe und/oder Bakterien, zur Herstellung von Ethanol aus Glukose.C. Adding microorganisms, in particular yeast and / or bacteria, for the production of ethanol from glucose.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Umwandeins von Laktose in Glukose umfasst, dass Laktose in Glukose und Galaktose aufgespalten wird, und Galaktose mittels Kluyveromyces - Hefen oder ähnlich wirkenden Organismen in Glukose umgewandelt wird.The method of claim 14, wherein the step of converting lactose into glucose comprises breaking down lactose into glucose and galactose, and converting galactose into glucose by means of Kluyveromyces yeasts or similar acting organisms.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Hemmstoffe aus der Molke mittels Elektrolyse entfernt werden.16. The method of claim 14 or 15, wherein the inhibitors are removed from the whey by electrolysis.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Molke vor dem Schritt B Hopfen und/oder Hopfenauszüge und/oder eine mikrobiotische Mischung aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen zugegeben wird. 17. The method according to any one of claims 14 to 16, wherein the whey before step B hops and / or hop extracts and / or a microbiotic mixture of photosynthetic microorganisms and light-emitting microorganisms is added.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei vor dem Schritt C ein Verfahren zum Abbau von gärhemmenden Stoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.18. The method according to any one of claims 14 to 17, wherein prior to step C, a method for degrading gärhemmenden substances according to one of claims 1 to 12 is performed.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei bei Schritt C der Ethanolgehalt mittels Diffusion durch eine Ethanol-durchlässige Membran auf einem bestimmten Prozentsatz, insbesondere unter 12 % gehalten wird.19. The method according to any one of claims 14 to 18, wherein at step C, the ethanol content is maintained by diffusion through an ethanol-permeable membrane at a certain percentage, in particular less than 12%.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei der Schritt A bei einer Temperatur zwischen 2O0C und 700C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 480C und 500C durchgeführt wird.20. The method according to any one of claims 14 to 19, wherein the step A at a temperature between 2O 0 C and 70 0 C, preferably at a temperature between 48 0 C and 50 0 C is performed.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der Schritt B bei einer Temperatur zwischen 1O0C und 600C, vorzugsweise bei einer Temperatur unter 36°C, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 28°C und 35°C, durchgeführt wird.21. The method according to any one of claims 14 to 20, wherein the step B at a temperature between 1O 0 C and 60 0 C, preferably at a temperature below 36 ° C, in particular at a temperature between 28 ° C and 35 ° C, carried out becomes.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , wobei der Schritt C bei der Verwendung von Bakterien bei einer Temperatur zwischen 300C und 80°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 580C und 68°C durchgeführt wird.22. The method according to any one of claims 14 to 21, wherein the step C in the use of bacteria at a temperature between 30 0 C and 80 ° C, preferably at a temperature between 58 0 C and 68 ° C is performed.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , wobei der Schritt C bei der Verwendung von Hefen bei einer Temperatur zwischen 00C und 400C, vorzugsweise bei einer Temperatur unter 25°C, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 5°C und 12°C, durchgeführt wird.23. The method according to any one of claims 14 to 21, wherein the step C in the use of yeasts at a temperature between 0 0 C and 40 0 C, preferably at a temperature below 25 ° C, in particular at a temperature between 5 ° C and 12 ° C, is performed.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Schritte A, B, und/oder C hintereinander in mindestens einem, vorzugsweise in drei in Reihe geschalteten Bioreaktoren (2a-c), durchgeführt werden.24. The method according to any one of claims 14 to 23, wherein the steps A, B, and / or C in succession in at least one, preferably in three series-connected bioreactors (2a-c) are performed.
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei der mindestens eine Bioreaktor (2a-c) einen Behälter (22) mit zumindest einer Aussparung zum Durchtritt der Molke, und einen Füllkörper (12, 16, 24), der im Innern des Behälters (22) angeordnet ist, aufweist, wobei die Behälteraußenwände abschnittsweise mit einer photo- katalytisch wirksamen Schicht (26) beschichtet sind, und der Füllkörper (24) eine Beschichtung aus Aktivkohle aufweist. 25. The method of claim 24, wherein the at least one bioreactor (2a-c) comprises a container (22) having at least one recess for the passage of the whey, and a filling body (12, 16, 24) inside the container (22). is arranged, wherein the container outer walls are partially coated with a photocatalytically active layer (26), and the filler body (24) has a coating of activated carbon.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei bei dem verwendeten Bioreaktor zwischen der abschnittsweisen photokatalytisch wirksamen Beschichtung (26) eine Dia- mantbeschichtung (38) aufgebracht ist.26. The method of claim 25, wherein in the bioreactor used between the sectionally photocatalytically active coating (26) a diamond coating (38) is applied.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei die photokatalytisch wirksame Schicht (26) des verwendeten Bioreaktors insbesondere Titandioxid oder Indiumzinnoxid ist.27. The method according to claim 25 or 26, wherein the photocatalytically active layer (26) of the bioreactor used is in particular titanium dioxide or indium tin oxide.
28. Verfahren nach Anspruch 25, 26 oder 27, wobei die photokatalytische wirksame Schicht (26) und die Diamantschicht (38) streifenförmig in Längsrichtung des Behälters aufgebracht sind.28. The method of claim 25, 26 or 27, wherein the photocatalytic active layer (26) and the diamond layer (38) are strip-shaped applied in the longitudinal direction of the container.
29. Anordnung (1) von Bioreaktoren (2a-c) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 28, wobei mindestens zwei, vorzugsweise drei, Bioreaktoren in Reihe hintereinander angeordnet sind und mindestens einer der Bioreaktoren einen Behälter (22) mit zumindest einer Aussparung (30) zum Durchtritt der Molke, und einen Füllkörper (12, 16, 24), der im Innern des Behälters (22) angeordnet ist, aufweist, wobei die Behälteraußenwände abschnittsweise mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht (26) beschichtet sind und der Füllkörper (24) eine Beschichtung aus Aktivkohle aufweist.29. Arrangement (1) of bioreactors (2a-c) for carrying out a method according to one of claims 14 to 28, wherein at least two, preferably three, bioreactors are arranged in series one behind the other and at least one of the bioreactors a container (22) with at least a recess (30) for the passage of the whey, and a filling body (12, 16, 24) which is arranged in the interior of the container (22), wherein the container outer walls are partially coated with a photocatalytically active layer (26) and the Packing (24) has a coating of activated carbon.
30. Anordnung von Bioreaktoren nach Anspruch 29, wobei bei dem mindestens einen Bioreaktor (2a-c) zwischen der abschnittsweisen photokatalytisch wirksamen Beschichtung (26) eine Diamantbeschichtung (38) aufgebracht ist.30. Arrangement of bioreactors according to claim 29, wherein in the at least one bioreactor (2a-c) between the sectionally photocatalytically active coating (26) a diamond coating (38) is applied.
31. Anordnung von Bioreaktoren nach Anspruch 29 oder 30, wobei die photokatalytisch wirksame Schicht (26) des verwendeten Bioreaktors insbesondere Titandioxid oder Indiumzinnoxid ist.31. Arrangement of bioreactors according to claim 29 or 30, wherein the photocatalytically active layer (26) of the bioreactor used is in particular titanium dioxide or indium tin oxide.
32. Anordnung von Bioreaktoren nach Anspruch 29, 30 oder 31 , wobei die photokatalytische wirksame Schicht (26) und die Diamantschicht (38) streifenförmig in Längsrichtung des Behälters aufgebracht sind.32. Arrangement of bioreactors according to claim 29, 30 or 31, wherein the photocatalytic active layer (26) and the diamond layer (38) are applied in strips in the longitudinal direction of the container.
Verwendung eines Bioreaktors zum Durchführen des in den Ansprüchen 14 bis 28 gekennzeichneten Verfahrens mit einem Behälter mit zumindest einer Aussparung zum Durchtritt der Molke, und einem Füllkörper, der im Innern des Behälters angeordnet ist, wobei die Behälteraußenwände abschnittsweise mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht beschichtet sind und der Füllkörper (24) eine Beschichtung aus Aktivkohle aufweist. Use of a bioreactor for carrying out the method characterized in claims 14 to 28 with a container having at least one recess for the passage of the whey, and a filling body which is arranged in the interior of the container, wherein the container outer walls are partially coated with a photocatalytically active layer and the filler (24) has a coating of activated carbon.
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