WO2008071139A1

WO2008071139A1 - Verfahren zur biotechnologischen erzeugung von ethanol

Info

Publication number: WO2008071139A1
Application number: PCT/DE2007/002034
Authority: WO
Inventors: Reinhard PÄTZ; Jan-Hendryk Listewnik; Christian Görsch
Original assignee: Hochschule Anhalt (Fh); Esa Patentverwertungsagentur Sachsen-Anhalt Gmbh
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-11-10
Publication date: 2008-06-19
Also published as: DE102006058465A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation mit folgenden nacheinander ablaufenden Phasen in einem Zyklus: a) Absetzphase (26) der Biomasse (30), b) Austragphase (27) unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase (28) durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase (29) ohne Zufluss.

Description

Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation.

Bei der fermentativen Alkoholsynthese wird mit Hilfe eines Mikroorganismus aus Kohlenhydraten, die als Substrat dienen, Alkohol (Ethanol) auf biotechnologischem Wege erzeugt. Geeignete Mikroorganismen sind beispielsweise die Hefekulturen Saccharomyces cerevisiae, Pichia capsulata, Pichia angusta oder das Bakterium Zymomonas mobilis. In der DE 31 48 329 C2 wird z. B. ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus vergärbaren Substraten unter Benutzung des Zymomonas mobilis - Bakterienstamms ATCC 31 822 beschrieben. Im Allgemeinen wird die Alkoholsynthese anaerob in diskontinuierlicher Betriebsweise durchgeführt. Dabei wird eine Endkonzentration an Ethanol von ca. 10 bis 12 Vol.-% erreicht. Die erreichbare Produktivität wird sowohl durch die Dauer der Fermentation als auch durch den Zeitbedarf für vor- und nachfolgende Prozesse bestimmt. In den nachfolgenden nichtbiologischen Verfahrensstufen erfolgt in der Regel durch thermische Verfahren oder hydrophile Polymermembranen eine Aufkonzentration bis zum reinen Alkohol.

Die überwiegende Zahl der Ethanolerzeugungsanlagen arbeitet diskontinuierlich im so genannten Batch-Betrieb. Bei der diskontinuierlichen

Ethanolfermentation werden hohe Ethanolkonzentrationen bei einer gleichzeitig geringen Produktivität erreicht. Ein Problem bei fermentativen

Alkoholsynthesen besteht darin, dass sich das Produkt Ethanol während seines

Entstehungsprozesses, sowohl auf das Wachstum der Ethanol bildenden Mikroorganismen als auch auf die Produktbildung selbst, inhibierend, d. h. hemmend bzw. verzögernd, auswirkt. Aufgrund der im Fermentationsverlauf einsetzenden Ethanol-bedingten Wachstumsinhibierung der Zellen werden nur geringe Biomassekonzentrationen von bis zu 15 g*l^"1 erreicht. Die geringe Produktivität ist vor allem auch darin begründet, dass die Biomasse bei jeder Fermentation neu angezogen werden muss und dadurch nicht an die hohen Glucose- und Ethanolkonzentrationen adaptiert ist. Für die diskontinuierliche Fermentation sind vor- und nachbereitende Prozessschritte erforderlich, was sich ebenfalls negativ auf die Produktivität auswirkt, da während dieser Prozessschritte keine Produktbildung stattfindet.

Neben der diskontinuierlichen Ethanolfermentation gibt es in steigendem Maße andere Betriebsführungsstrategien. Aus der DD 225 445 A1 geht ein Verfahren zur Gewinnung von Gärungsethanoi mittels Mikroorganismen aus vergärbaren Kohlenhydraten hervor, das auf Fermentationsprozesse angewandt werden kann, die diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich geführt werden. Die DE 29 03 273 C2 beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Alkohol durch kontinuierliche Fermentation eines Kohlenhydrat enthaltenden Substrats in einem Fermenter.

Aus einer Reihe von Dokumenten zum Stand der Technik sind Verfahren zur fermentativen Ethanolherstellung aus Zucker bekannt, welche eine Steigerung der Produktivität und der Alkoholausbeute zum Ziel haben. Idealerweise beinhalten diese Verfahren Strategien mit Zugabe von neuem Substrat bis zu einem bestimmten Endwert der Fermentationsmasse. Durch Wiederholung des

Vorganges entstehen zyklische Betriebsweisen bezüglich eines Fermenters. Ein klassischer Zyklus einer zyklischen Fermentation besteht aus folgenden

Phasen:

1. Teilweises Füllen des Fermenters mit Nährlösung und Ethanol bildenden Mikroorganismen, 2. Feed-Zugabe (d. h. Zusatz an Nährlösung) bis zum maximalen

Füllvolumen des Fermenters, 3. Ablassen des Fermenters nach Abschluss der maximalen Alkoholbildung.

Im so genannten Fed-Batch-Betrieb wird die Ethanolkonzentration durch eine kontinuierliche oder semikontinuierliche Feed-Zugabe und der daraus resultierenden Vergrößerung des Flüssigkeitsvolumens verdünnt. Ziel ist es dabei, die durch Ethanol bedingte Inhibierung des Wachstums und der Produktbildung zu verringern. Die Fed-Batch-Verfahren ermöglichen eine Ethanolfermentation in Ethanol-Konzentrationsbereichen, indem die Inhibierung durch Ethanol aufgrund einer sequenziellen bzw. kontinuierlichen Zuführung und somit einer Verdünnung mit konzentrierter Feed-Lösung nicht voll ausgeprägt ist. Bei Erreichen eines bestimmten Volumens wird durch Einstellen der Feed-Dosierung die Fermentation bis zur maximalen Ethanol-Konzentration fortgesetzt. So wird bei Alfenore et al. Appl. Microbiol. Biotechnol. (2002) 60: 67-72 ein Fed-Batch-Verfahren beschrieben, bei dem die Ethanolkonzentration unterhalb eines bestimmten Niveaus gehalten wird, um die Inhibierung des Wachstums und der Produktbildung zu verringern. Nach einer einführenden Batch-Fermentation mit einer Glucosekonzentration von 100 gT¹ wird bei einsetzender Substratlimitation sequenziell eine hoch- konzentrierte Feed-Lösung mit 700 gT¹ Glucose zugeführt. Diese so genannte Feeding-Strategie dient zu Beginn der Fermentation der Nährmedienversorgung und im weiteren Verlauf der Verdünnung des Ethanolgehaltes. Der Prozess läuft Ethanol-gesteuert ab, so dass bei Erreichen einer definierten Ethanolkonzentration von 90 gT¹ die Feed-Lösung so lange zudosiert wird, bis eine ausreichende Verdünnung erreicht ist. Dadurch kann die Ethanol-Inhibierung verringert werden. Diese Verfahrensstrategie wird aber durch das Reaktorvolumen begrenzt. Ist das maximale Volumen erreicht, wird die Fermentation bis zur finalen Ethanolkonzentration geführt, wobei die Produktentnahme diskontinuierlich am Ende der Fermentation erfolgt. Nachteilig auf die Produktivität bei der Fed-Batch-Verfahrensstrategie wirken sich vor allem die geringen Startkonzentrationen der Biomasse aus. Die Betriebsweise mit zyklischer Beschickung des Fermenters innerhalb eines vorgegebenen Füllvolumenbereiches wird in der Biotechnologie als Repeated- Fed-Batch-Fahrweise bezeichnet. Die Repeated-Fed-Batch-Fahrweise ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter beim Ablassen nicht vollständig entleert wird, sondern ein Teil des Fermenterinhaltes im Fermenter verbleibt. Die Konzentrationen an Alkohol, die bei der Repeated-Fed-Batch-Fahrweise für gewöhnlich auftreten, erreichen ähnliche Größenordnungen wie bei der klassischen Batch-Fermentation. Ein weiterer Nachteil für die Produktivität besteht für das Fed-Batch-Verfahren und das Repeated-Fed-Batch-Verfahren darin, dass ein erhöhter Steuerungsaufwand zur Feed-Regulierung sowie vor- und nachbereitende Prozesse bei jeder Fermentation notwendig sind.

Im Bereich der Ethanolfermentationen mit kontinuierlicher Betriebsweise sind einige Verfahren bekannt, mit denen die aktive Biomassekonzentration und die Produktivität gesteigert werden sollen. Im Wesentlichen geschieht das durch die Immobilisierung der Biomasse, wobei die Biomasse an Trägermaterialien oder durch Einlagerung fixiert wird. Die immobilisierte Biomasse kann durch technische Einbauten im Reaktor verweilen und am Austrag gehindert werden. Der Biomasseaustrag durch die kontinuierliche Produktentnahme und die daraus resultierenden geringen Biomassekonzentrationen im Reaktor werden durch den Biomasserückhalt kompensiert, wobei die Produktivität gesteigert werden kann. Die Immobilisierung der Biomasse erfolgt dabei im Allgemeinen außerhalb des Reaktorsystems. Erreichbare Produktivitäten in Systemen mit immobilisierter Biomasse sind durch Roca, C. Appl. Microbiol. Biotechnology (2003) 60; 560-563 bekannt. Die in dieser Druckschrift ausgewiesenen hohen Produktivitäten täuschen jedoch eine hohe Gesamtproduktivität vor. Zwar wird eine Produktivität von ca. 100 gT^1*h^"1 vorgerechnet, die resultierende Alkoholkonzentration liegt dabei jedoch bei 10 bis 15 gT¹. Um diese hohen Produktivitäten und einen vollständigen Stoffumsatz zu erreichen, wird in der Regel mit sehr geringen Substratkonzentrationen und hohen Verdünnungsraten gearbeitet. Daraus ergeben sich folglich nur geringe Ethanolkonzentrationen, die unterhalb derer diskontinuierlicher Verfahren liegen. Die geringen Ethanolkonzentrationen erfordern einen wesentlichen Mehraufwand bei der Aufarbeitung des Ethanols und ermöglichen es Fremdorganismen, sich im System zu etablieren, wodurch die Qualität stark beeinträchtigt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines kostengünstigen und effektiven Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol, das eine hohe Produktivität aufweist, ohne jedoch die zuvor beschriebenen Nachteile kontinuierlicher Fermentationen aufzuweisen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol gelöst, das eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation beinhaltet. Dabei lässt sich ein Zyklus der Sequencing-Batch-Fermentation in folgende nacheinander ablaufende Phasen unterteilen:

a) Absetzphase der Mikroorganismen (Biomasse), b) Austragphase unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase ohne Zufluss.

Die Konzeption der Erfindung besteht in der Reduzierung der durch das entstehende Ethanol bedingten Hemmungen des Wachstums der Ethanol bildenden Mikroorganismen und der Produktbildung. Die Hemmwirkung des Ethanols wird durch die erfindungsgemäße zyklische Betriebsführung reduziert, in welche eine Absetzphase der Mikroorganismen integriert ist. Das heißt, dass dem Schritt b), der Austragsphase, in welcher eine Abtrennung eines Teils des Fermenterinhaltes erfolgt, ein Schritt a) in Form einer Absetzphase vorgeschaltet ist, in der sich die Mikroorganismen zuvor absetzen können. Die Mikroorganismen werden durch bewusste Nutzung der Veränderung der Zeiloberflächeneigenschaften während des Fermentationsverlaufs und durch - gezielte Strömungsführung zum Absetzen veranlasst. Untersuchungen haben gezeigt, dass Mikroorganismen - insbesondere die genannten Hefen - in der Lage sind, durch Agglutination Zellverbände in kompakten Flockenstrukturen zu bilden. Dazu werden gezielt Strömungen erzeugt, die durch das Einblasen von Luft in ein Strömungsführungsrohr (Riser) ausgelöst werden. Die mikrobiologischen Prozesse, die zu einer Agglutination führen, basieren auf den gleichen Vorgängen, wie Zellen an Trägerkörpern fixiert werden können. Die Flockulation von Mikroorganismen ist ein natürlicher Prozess, der z. B. auch beim Bierbrauen genutzt wird. Durch Flockulation bzw. Agglutination verdichten sich die Zellen, so dass sie bei fehlendem Energieeintrag (z. B. Luft) schneller sedimentieren und die Produktseparation sowie den Biomasserückhalt erleichtern. Der Prozess der Flockenbildung basiert auf der Verbindung von Molekülen (Flocculin und Mannoseüberrest) zweier benachbarter Zellen. Durch die gewählte Prozessführung und Medienbedingungen kommt es zu einer Anpassung der Oberflächeneigenschaften durch die Mikroorganismen. Der hohe physiologische Stress bewirkt eine Stärkung der Zellwandstrukturen (z. B. durch Einlagerung von Trehalose). Eine hohe Ethanolkonzentration bewirkt ebenfalls eine verbesserte Flockenbildung, während sich Glucose negativ auf Flockenstrukturen auswirkt. Durch diese Beobachtungen konnte festgestellt werden, dass die Flockulation kein ausschließlich biochemischer Prozess ist, sondern dass auch physikalische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. So müssen die Zellen Kontakt zueinander aufnehmen können, um sich aneinander zu binden. Folgende Faktoren verbessern die Flockenbildung:

- gerichtete Strömungsverhältnisse im Fermenter mit hohen Zellkontakten, - Vergrößerung des hydrophoben Charakters und

- Verringerung der negativen elektrischen Ladung in der Zellwand. Daraus können drei übergeordnete Gruppen von Einflussfaktoren abgeleitet werden:

- genetischer Hintergrund, - natürliche (biochemische) Faktoren und

- physikalische Wechselwirkungen.

Der hohe Selektionsdruck bewirkt, dass Mikroorganismen (Hefen als auch Fremdorganismen), die nicht in der Lage waren, sich dem System durch hohe Sedimentationsgeschwindigkeiten (kein gutes Flockulationsverhalten) anzupassen, aus dem System ausgespült werden.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Fahrweise einige zusätzliche, nicht vorhersehbare Vorteile beinhaltet. Diese werden im Folgenden aufgeführt und erläutert:

1. Durch die zuflusslose Betriebsweise in der Produktbildungsphase in Schritt d) wird eine Ethanolkonzentration erreicht, die wesentlich höher als die Ethanolkonzentration bei kontinuierlicher Betriebsweise ist. Die hohe Ethanolkonzentration reduziert den notwendigen Aufwand für die weiteren nichtbiologischen Stufen des Verfahrens. Allerdings wird das Ethanolniveau unterhalb der Konzentration gehalten, die bei der diskontinuierlichen Betriebsweise erreicht wird, damit die Aktivität der Mikroorganismen für die quasikontinuierliche Betriebsweise erhalten bleibt. Ab einer Ethanolkonzentration von mehr als 6 Vol.-% kommt es zu einer wesentlichen Verlangsamung des Wachstums der Mikroorganismen durch die Inhibierung des Wachstums (Wachstumshemmung) aufgrund des Ethanols und in dessen Folge zu einer Inhibierung der Produktbildung. Der Einfluss der Ethanolkonzentration ist berechenbar, so dass eine Optimierung der Prozessführungsstrategie vorausschauend möglich ist. 2. Das Verfahren ist ein unsteriles Hochleistungsverfahren, bei dem kein fremder Mikroorganismus in der Lage ist, sich als Substratkonkurrent oder als schädigender Mikroorganismus durchzusetzen. Nahrungskonkurrenten oder störende Mikroorganismen werden, sofern sie sich nicht in der Absetzphase in Schritt a) mit der Produktionskultur absetzen, in der Austragsphase in Schritt b) mit dem flüssigen Überstand ausgetragen und somit in ihren möglichen störenden Einflüssen reduziert. Dadurch werden die Kosten für die Abwehr von Fremdkeimen reduziert.

3. Durch die ständige Wiederholung bei der zyklischen Betriebsweise wird die Produktionskultur in ihrer Leistungsfähigkeit trainiert. Der ständige Wechsel zwischen hoher Substratbelastung am Anfang der Produktbildungsphase in Schritt d) und hoher Produktkonzentration am Ende dieser Produktbildungsphase reduziert zudem die Gefahr der Veränderung der Produktionskultur durch Mutationen.

Für eine hohe Produktivität bei der Ethanolbildung ist eine optimal hohe Konzentration an aktiver mikrobieller Biomasse erforderlich. Die Austragsphase in Schritt b) des Verfahrens wird genutzt, um die Konzentration an aktiver Biomasse zu regeln und dabei auf einem konstanten optimalen Niveau zu halten. Das geschieht vorzugsweise dadurch, dass bei hohen Biomassekonzentrationen im Fermenter nicht nur der Überstand mit dem Produkt, sondern zum Teil auch die überschüssige Biomasse ausgetragen wird. Mit der Regelung der Biomassekonzentration wird auch gewährleistet, dass immer ein hoher Grad an aktiver Biomasse im System vorhanden ist. Tote oder inaktive Zellen werden ausgetragen.

Die aerobe Fermentation stimuliert sowohl das Biomassewachstum, was für eine aktive Kultur notwendig ist, als auch die Ethanolbildung. In anaeroben Prozessen wird der eingesetzte Rohstoff zu Ethanol reduziert. Da aber die meisten hier verwendbaren Mikroorganismen so genannte glucosesensitive Mikroorganismen sind, bewirkt eine limitierte aerobe Betriebsweise eine schnellere Produktbildung und trägt somit zu einer höheren Produktivität bei. Glucosesensitive Organismen können die Aufnahme des Substrats (z. B. Glucose) nicht steuern. Daher werden sie leicht von zu hohen Konzentrationen inhibiert, was sich speziell bei anaeroben Prozessen nachteilig auswirkt. Ein vollständig anaerober Stoffwechsel verfügt nur über einen eingeschränkten Substratstoffwechsel, der nur mit einer auf 40 bis 50 % reduzierten Enzymaktivität arbeitet. Durch das Überangebot an Substrat werden diese Mikroorganismen jedoch auch aerob zur so genannten oxido-reduktiven Bildung von Ethanol gebracht. Dies ist für die Mikroorganismen lebensnotwendig, um die hohe Substratkonzentration innerhalb der Zellen abzubauen. Ihre Atmungskapazität ist aber nur eingeschränkt; man spricht hierbei von einer Limitation der Oxidation, da nur ein Teil des Substrats ohne die Bildung von Ethanol „veratmet" werden kann. Das über die Atmungskapazität hinaus aufgenommene Substrat muss in einer Superflow- oder Hyperflow-Reaktion in Ethanol umgewandelt werden. Somit ist ein ausreichendes Wachstum gegeben, um Biomasseverluste auszugleichen und eine Aktivkultur, die aufgrund der Superflowreaktion schneller Ethanol bildet, zu wahren. Durch den hohen Substratfluss in die Mikroorganismen wird trotz des Zusatzes an Sauerstoff eine Repression verursacht, die zu geringeren Wachstumsgeschwindigkeiten führt, als dies bei geringen Substratkonzentrationen der Fall wäre. Somit ist die Biomassebildung zwar höher als bei anaeroben Prozessen, erreicht aber nicht die Geschwindigkeiten aerober Prozesse bei geringen Substratkonzentrationen. Dieser Effekt wird genutzt, um trotz des Biomassewachstums viel Energie in die Produktbildung zu lenken. Das Verhältnis zwischen Substratverbrauch, Biomasse- und Produktbildung wird im Hinblick auf eine verbesserte Ausbeute durch Zusatz an Sauerstoff optimiert.

Durch die aerobe Ethanolbildung in einem Schlaufenreaktor ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens bei semikontinuierlichem Betrieb neben dem in der Austragsphase erfolgenden Produktaustrag über den Produktstrom aus dem Fermentermedium ein zweiter Produktaustrag über einen sekundären Produktstrom aus der Gasphase möglich. Dieser kontinuierliche Produktaustrag wird durch Gasstrippen in ein Gas-Luft-Gemisch erreicht. Einerseits besteht dabei ein Vorteil in der kostengünstigen Separation des Ethanols aus der Gasphase aufgrund der Tatsache, dass sofort höher konzentriert werden kann, andererseits reduziert der Abzug auch die inhibierende Wirkung des Ethanols auf die Produktionskultur. Das gasförmige Ethanol wird durch Kondensation zusammen mit weiteren flüchtigen Bestandteilen gewonnen. Das erhaltene Rohprodukt ist dabei frei von Partikeln, wodurch nachfolgende Aufbereitungsschritte minimiert werden. Als besonders vorteilhaft erwies sich die Verwendung eines Luft-CO₂-Gemisches als Gasstrom für das Gasstrippen. Durch die Erhöhung des CO₂-Anteils wird die Superflowreaktion des Substrats zu Ethanol weiter gefördert, wodurch wiederum mehr Ethanol über die Gasphase entweicht. Die Steigerung des Cθ₂-Anteils wird durch eine bevorzugte teilweise Kreislaufführung der Abluft erreicht. Der ständige Gasaustrag durch das Gasstrippen führt zu einem Kondensationsprodukt, das mindestens 30 Vol.-% Ethanol enthält. Der Aufwand und die Kosten für die nachfolgende Aufkonzentrierung des Ethanols verringern sich dadurch wesentlich, zumal in Betracht gezogen werden muss, dass die Primärenergiekosten - unabhängig vom Substrat - den Hauptkostenfaktor jeder Ethanolerzeugung bilden.

Zur weiteren Erhöhung der Produktivität in Verbindung mit der Reduzierung von Abfallkosten werden vorteilhafterweise die Inhaltsstoffe der abgetrennten Biomasse (Schlempe) genutzt. Die Schlempe ist der Rückstand der Aufkonzentrierung bzw. Destillation eines Teils des Fermenterinhalts, der durch nicht mehr genutzte Biomasse, nicht verwertete Ausgangsverbindungen und ethanolhaltiges Wasser gebildet wird. Dabei erfolgt eine Aufbereitung der anfallenden Schlempe durch Hydrolyse und Eindicken vor deren Rückführung in den Reaktor. In der Schlempe sind unter anderem wichtige Vitamine und Spurenelemente enthalten, die das Wachstum, die Produktivität und die Ethanolresistenz der Produktionskultur als Biomasse erhöhen. Durch die Rückführung wird die zu entsorgende Schlempe reduziert. Die Bereitstellung der Inhaltsstoffe erfolgt vorzugsweise durch eine thermische Behandlung, wobei ermittelt wurde, dass durch die Anwesenheit von Ethanol die Zellhydrolyse begünstigt wird. Damit ergibt sich eine Teilstrombehandlung des Fermenterinhaltes vor der Destillation.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Figuren und die Tabelle 1.

Es zeigen:

Tabelle 1: die Zusammensetzung der Feed-Lösung,

Fig. 1: ein allgemeines Strömungsbild eines Schlaufenreaktors,

Fig. 2: ein Fließschema des Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol und

Fig. 3: die Schrittfolge der Sequencing-Batch-Fermentation.

Die Ethanol-Fermentation wird mit der Hefekultur Saccaromyces cerevisiae bei einem pH-Wert im Bereich von pH2 bis pH5 und einer Temperatur von kleiner als 45 ⁰C im Sequencing-Batch-Reaktor-Betrieb (SBR-Betrieb) unter aeroben bis quasi-anaeroben Bedingungen mit Cθ₂-Kreislaufführung durchgeführt. Die Zusammensetzung der Feed-Lösung ist in Tabelle 1 dargestellt. Die bevorzugt gewählte Ethanolkonzentration in der Feed-Lösung (Substrat) beträgt 200 gT¹. In einer weitergehenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ethanolfermentation analog zum oben genannten Verfahren mit einer Glucosekonzentration in der Feed-Lösung von 300 g*l^"1.

Als Reaktionsgefäß dient ein Schlaufenreaktor 1 , der allgemein ein Strömungsbild gemäß Fig. 1 aufweist und der in einen Bereich mit aufsteigender Flüssigkeit - den Riser 2 - sowie in einen Bereich mit absteigender Flüssigkeit - den so genannten Downcomer 3 - unterteilt ist. Die vollständige Durchmischung des Fermentermediums im Schlaufenreaktor wird durch eine Gasumwälzung nach dem Mammutpumpenprinzip gewährleistet. Der Lufteintrag (Airflow) erfolgt am Lufteinlass 4 am unteren Teil des Schlaufenreaktors 1 durch eine feinporige Düse in den Riser 2. Der Luftauslass 5 befindet sich am oberen Teil des Schlaufenreaktors 1. Der Luftstrom 6 wird so eingestellt, dass sich eine Gasleerrohrgeschwindigkeit von 1 bis 4 cm/s im Riser 2 einstellt. Parallel zum Luftstrom im Fermentermedium 10 verläuft der Substratstrom 11 aufsteigend im Riser 2 und abströmend im Downcomer 3. Der Schlaufenreaktor 1 ist von einem Temperiermantel 7 mit einem Temperiermitteleingang 8 im unteren Bereich und einem Temperiermittelausgang 9 im oberen Bereich des Schlaufenreaktors 1 umhüllt.

Ein Fließschema des Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol ist in Fig. 2 dargestellt. Es wird einerseits Zuluft 12 über die Gasleitung 13 in den Schlaufenreaktor 1 eingeleitet. Für die Führung der Abluft 14 gibt es zwei verschiedene Wege. Einerseits kann die Abluft 14 so geführt werden, dass sie als Abluftstrom 14a aus dem System ausgetragen wird. Über die Einstellung von Dreiwegeventilen 15, 16 kann aber auch eine Kreislaufführung der Abluft 14 erreicht werden und damit eine Rückführung der Abluft 14 über den Abluftstrom 14b in die Gasleitung 13 und schließlich in den Schlaufenreaktor 1 erfolgen. Gemäß Fig. 2 gelangt das Substrat in Form der Feed-Lösung über einen Zulauf der Substratstromleitung 17 in das Fermentermedium 10. Die Produktentnahme kann prinzipiell auf zwei Wegen erfolgen. Einerseits gelangt Ethanol über einen Produktstrom 18 aus dem Fermentermedium 10. Anderseits kann Ethanol aus der Abluft 14 erhalten werden. In der Fermentationsphase wird das in der Abluft 14 enthaltene Gemisch aus flüchtigen Mediumsbestandteilen in mehreren Phasen kondensiert und als sekundärer Produktstrom 20 abgeführt. Dazu wird die Abluft 14 im Gegenstromprinzip in Kühlem 19 bzw. in Kühlfallen auf 10 ⁰C bis -20 ⁰C gekühlt und das Kondensat mit einem Ethanolgehalt von 25 bis 70 Vol-% zur weiteren Aufbereitung gewonnen. Der kontinuierliche Ethanolaustrag ermöglicht einen vollständigen Umsatz der Glucose, wobei eine Ethanolkonzentration bei der Produktentnahme aus dem Reaktor 1 von 50 bis 8O gT¹ erreicht wird. Zur weiteren Erhöhung der Produktivität in Verbindung mit der Reduzierung von Abfallkosten werden vorteilhafterweise die Inhaltsstoffe der abgetrennten Biomasse (Schlempe 21) genutzt. Dabei erfolgt eine Aufbereitung der anfallenden Schlempe 21 , die aus dem Produktstrom 18 aus dem Fermentermedium 10 abgetrennt wird und in die Schlempeaufbereitungsanlage 22 gelangt, durch Hydrolyse und Eindicken. Ein so aufbereiteter Teil 21a der Schlempe 21 kann in den Schlaufenreaktor 1 über die Substratstromleitung 17 zurückgeführt werden. Dadurch kann der zu entsorgende Teil 21b der Schlempe 21 wesentlich reduziert werden.

Über einen Korrekturmedienzulauf 23 im oberen Teil des Schlaufenreaktors 1 können Korrekturmedien, wie z. B. Säuren und Basen zur pH-Regulierung sowie Antischaummittel zur Eindämmung der Schaumbildung, in das Fermentermedium 10 eingeleitet werden. Wie bereits in Fig. 1 gezeigt, verfügt der Schlaufenreaktor 1 über einen Temperiermantel 7 für die Temperierung des Schlaufenreaktors 1. Die Temperatur des Temperiermittels, das - im Temperiermittelkreislauf 24 geführt - am Temperiermitteleingang 8 in den Temperiermantel 7 gelangt und diesen am Temperiermittelausgang 9 wieder verlässt, wird durch den Wärmeübertrager 25 geregelt.

Ein Zyklus der Sequencing-Batch-Fermentation lässt sich gemäß Fig. 3 in folgende nacheinander ablaufende Phasen unterteilen:

a) Absetzphase 26 der Mikroorganismen (Biomasse), b) Austragphase 27 (Produktentnahme) unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase 28 durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase 29 (Fermentationsphase 29) ohne Zufluss.

Die Fermentationsphase 29 ist durch die Produktbildungsphase 29 und das Biomassewachstum gekennzeichnet. Die entstehende Abluft 14 wird gekühlt und das Kondensat entweder in den Schlaufenreaktor 1 zurückgeführt oder wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert, als sekundärer Produktstrom 20 aus der Abluft 14 aufgefangen.

Nach vollständigem Verbrauch der Kohlenstoffquelle wird die Gasleitung 13 und damit die Gasumwälzung abgestellt und es erfolgt die Absetzphase 26. Das Abstellen der Gasumwälzung bewirkt aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen der Biomasse 30 und dem übrigen Fermentermedium 10 ein Absetzen der Biomasse 30 innerhalb einer Zeitspanne von einer bis 60 Minuten. Die Produktentnahme 27 in der Austragphase 27 endet bei 50 % der Füllhöhe des Reaktors 1. Die abgesetzte Biomasse 30 verbleibt dabei im Schlaufenreaktor 1. In der darauf folgenden Auffüllphase 28 wird das Substrat in Form der Feed-Lösung bzw. aufbereitete Schlempe 21a von unten über die Substratstromleitung 17 in den Schlaufenreaktor 1 gepumpt, bis der ursprüngliche Füllstand des Fermentermediums 10 erreicht ist. Das Verfahren wird anschließend mit der Fermentationsphase 29 fortgeführt. Das Absetzen der Biomasse 30 in der Absetzphase 26 bewirkt einen Biomasserückhalt von 50 bis 95 %. Nach dem Erreichen eines stationären Zustands (Steady-State) stellt sich aufgrund des Wachstums der Biomasse 30 eine aktive Biomassekonzentration von etwa 30 bis 50 g*l^"1 ein.

Tabelle 1:

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Schlaufenreaktor

2 Riser

3 Downcomer Lufteinlass

5 Luftauslass Luftstrom

7 Temperiermantel

8 Temperiermitteleingang

9 Temperiermittelausgang

10 Fermentermedium

11 Substratstrom

12 Zuluft

13 Gasleitung

14 Abluft

14a Abluftstrom (aus dem System ausgetragen)

14b Abluftstrom in die Gasleitung 13

15 Dreiwegeventil

16 Dreiwegeventil 7 Substratstromleitung 8 Produktstrom aus dem Fermentermedium 10 9 Kühler 0 sekundärer Produktstrom 1 Schlempe 1a aufbereiteter Teil der Schlempe 21 1b zu entsorgender Teil der Schlempe 21 2 Schlempeaufbereitungsanlage 3 Korrekturmedienzulauf 4 Temperiermittelkreislauf Wärmeübertrager

Absetzphase

Austragsphase, Produktentnahme

Auffüllphase, Substratzufuhr

Produktbildungsphase, Fermentationsphase

Biomasse

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation mit folgenden nacheinander ablaufenden Phasen in einem Zyklus:

a) Absetzphase (26) der Biomasse (30), b) Austragphase (27) unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase (28) durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase (29) ohne Zufluss.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Austragsphase (27) der Überstand ausgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an aktiver Biomasse (30) geregelt wird, indem in der Austragsphase (27) bei hohen Biomassekonzentrationen im Fermenter die abgesetzte Biomasse (30) teilweise ausgetragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Biomasse (30) durch Lufteintrag zum aeroben Wachstum angeregt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u rc h gekennzeichnet, dass neben dem in der Austragsphase (27) erfolgenden Produktaustrag über den Produktstrom (18) aus dem Fermentermedium (10) zusätzlich ein zweiter Produktaustrag über einen sekundären Produktstrom (20) stattfindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Produktaustrag über den sekundären Produktstrom (20) durch Gasstrippen mit einem Gas-Luft-Gemisch erfolgt und dass das im Gas- Luftgemisch enthaltene Ethanol durch Kondensation mit weiteren flüchtigen Bestandteilen gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasstrom für das Gasstrippen ein Luft-Kohlendioxid(CO2)-Gemisch genutzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h gekennzeichnet, dass zum Zwecke der CO2-Anreicherung im Fermenter die Abluft zumindest teilweise im Kreislauf geführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u rc h gekennzeichnet, dass die anfallende Schlempe (21) hydrolysiert und eingedickt wird, bevor sie in den Schlaufenreaktor (1) zurückgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h gekennzeichnet, dass in der Feed-Lösung 200 g*l^"1 Glucose enthalten sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u rc h gekennzeichnet, dass in der Feed-Lösung 300 g*l^"1 Glucose enthalten sind.